環氧絕緣材料電氣及機械性能對電痕特性的影響

金 巖，劉 晶，呼翔宇

（國網天津市電力公司檢修公司，天津 300230）

在電氣設備服務社會的過程中，絕緣材料無疑是至關重要的一環，關乎人民安全。研究表明，自20世紀末電力首次開始流入商業市場中，在電氣設備開始快速發展的同時，絕緣材料也進入了高速發展的軌道，環氧樹脂憑借其高強度、良好的隔熱能力和優異的介電性能成為廣泛應用的絕緣材料［1］。到目前為止，絕緣材料的失效仍然是導致電氣設備損壞的主要原因，而除去自然老化和機械損傷破壞絕緣完整性外，沖擊電壓的累積也是造成絕緣材料的失效的常見原因之一［2-3］。當環氧樹脂表面存在環境因素導致的潮濕、污穢等表面附著，隨著沖擊電壓累積到一定程度時，表面將會有漏電電流，由于這種情況下漏電電流路徑電阻很大，產生的焦耳熱使表面水分快速蒸發，正在干燥帶形成的瞬間液膜的電阻迅速減小，強放電和高溫使材料表面碳化，最終形成短路的現象，稱“電痕破壞”［4］。杜伯學等在研究中指出，材料表面放電高溫形成碳化導電通道是電氣設備發生絕緣破壞的主要原因［5］。

對于環氧樹脂類聚合物材料而言，在電痕破壞過程中材料絕大部分分解為氣體，由于材料表面碳化通路難以形成，不易發生絕緣性能失效。然而一旦環氧樹脂發生完全的絕緣破壞，那就代表材料完全失去絕緣性能［6］。研究表明，材料的耐電痕特性受到多種因素的影響，環境因素［7-8］和材料結構［9-10］、性能［11］都對其有著較大的影響。

本文采用斜板電痕法(IEC 60587-1984)來測定不同二氧化硅添加量下環氧樹脂的耐電痕性。并且對材料的電氣性能和機械性能進行了測試，通過對比研究其對耐電痕特性的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

選用東南化工廠生產的雙酚A環氧樹脂和增韌固化劑，商用微米級二氧化硅（SiO2）。二氧化硅的摻雜量選取質量分數為55%、65%和75%三種含量。為使二氧化硅在環氧樹脂中均勻分布，在分散步驟之前利用二甲基二氯硅烷(C2H6Cl2Si)對SiO2進行改性處理。使用超聲儀將二氧化硅和環氧樹脂進行均勻分散后加入固化劑持續超聲40min，40℃恒溫處理24h后制備得到環氧樹脂材料。

1.2 實驗方法

采用斜板電痕測試儀，按IEC 60587-1984對環氧樹脂進行耐電痕測試，并統計材料的擊穿時間，實驗電壓為2.5kV，樣品尺寸為340mm×340mm×5mm，使用深度尺對實驗結束后的電痕深度進行測量。

環氧樹脂的電氣性能按GB/T 1408-2006進行測試；體積電阻率按GB/T 1410-2006進行測試；根據GB/T 1040-2008、GB/T 9341-2008對材料進行力學性能測試，拉伸速率為5mm/min，彎曲強度實驗速率為2mm/min，試樣尺寸為80mm×10mm×4mm。所有測試均使用5個平行試樣以消除偶然性誤差。

2 耐電痕測試結果與分析

施加電壓后，三種摻加不同含量二氧化硅的環氧樹脂的電痕時間見表1。

表1 不同二氧化硅摻雜下環氧樹脂電痕時間(h)Table 1 Electric tracing time of epoxy resin with different silica doping

從表1數據可以得到，隨著二氧化硅摻雜量的升高，電痕時間呈現明顯下降的趨勢。在55%的二氧化硅摻加量下的環氧樹脂的電痕時間均在7h以上，多數達到7.5h，耐電痕性能十分優異。而隨著二氧化硅含量的增加至75%，電痕時間均在半小時以內，最快甚至在12min內出現電痕。這意味著更高二氧化硅的添加量對環氧樹脂的耐電痕性能有著反向的作用，55%二氧化硅摻加量對抑制材料表面電痕破壞效果最佳。然而，根據郭燕霞［12］的研究中提出，材料的電痕破壞不僅與泄露電流的時間相關，絕緣材料表面產生泄露電流的大小也十分重要。在本次測試中，持續通入2.5kV的高電壓，不同二氧化硅摻雜下的環氧樹脂材料呈現出不同的電痕時間，這意味著二氧化硅的摻加改變了環氧樹脂表面的電導率。

除了電痕時間，材料在電痕破壞后的蝕痕深度同樣是評價材料耐電痕性能的重要參數，對各個試樣的電痕蝕痕深度進行統計，結果見表2。

表2 不同二氧化硅摻雜下環氧樹脂電痕蝕痕深度(cm)Table 2 Electric tracing depth of epoxy resin with different silica doping amounts

從表2中可得，環氧蝕痕深度隨著二氧化硅摻加量的增加而減小，蝕痕深度的降低代表試樣較小的電痕時間，這也符合我們從表1中得到的結論。

值得注意的是，電痕破壞中材料表面殘留的液體是十分重要的影響因素。對于親水材料而言，溶液易附著在材料表面，電痕破壞的起始電壓較低，相同電壓下放電的起始時間較小，為電痕破壞提供條件，反之憎水材料不易附著溶液，電痕破壞的起始電壓較高，相同電壓下放電的起始時間較大，產生的放電火花懸浮高度越大越高，放電對材料表面碳化的影響越小，電痕破壞較為困難。因此，采用費爾伯恩接觸角測試儀對三種不同摻加SiO2含量的環氧樹脂材料進行測試，實驗結果如圖1所示。從圖1可以看到，隨著二氧化硅摻加量從55%增加到65%，接觸角只有略微的升高，而摻加量達到75%時，接觸角從109.6°升高到135.1°，這可能是二氧化硅的添加量過大導致表面粗糙度大幅度升高引起的?？傮w而言環氧樹脂呈現憎水性，滿足絕緣材料的設計需求。

圖1 不同二氧化硅摻雜量下環氧樹脂材料的接觸角Fig.1 Contact angle of epoxy resin materials with different silica doping amounts

3 環氧樹脂材料電氣性能

不同二氧化硅添加量的環氧材料的體積電阻率、表面電阻率和介電強度的測試結果見表3。

表3 不同二氧化硅摻雜下環氧樹脂的電氣性能Table 3 Electrical properties of epoxy resin with different silica doping amounts

從表3可以得到，不同含量二氧化硅的環氧樹脂體積電阻率和表面電阻率都較大，介電強度隨二氧化硅含量的增加而降低，二氧化硅含量對環氧樹脂的電氣性能影響不大。但研究表明，體積電阻率和材料表面集聚電荷的遷移速率和體電流密度相關，體積電阻率的增大代表電荷沿內部消散時間的延長，而表面電阻率越小則代表表面電荷積聚后的消散速度越快，即一定程度上增加閃絡的風險，因此為提高材料的耐電痕性能，應該降低材料體積電阻，增大材料表面電阻率。

4 環氧樹脂材料機械性能

環氧樹脂絕緣材料的機械性能測試包括沖擊強度、彎曲強度以及拉伸強度，為消除偶然誤差，取5組平行試樣的平均值，實驗結果見表4。

表4 不同二氧化硅摻雜下環氧樹脂的機械性能Table 4 Mechanical properties of epoxy resin with different silica doping amounts

從表4可以看出，環氧樹脂材料的沖擊強度和拉伸強度都是隨著微米二氧化硅添加含量的增加而正相關的，然而材料的彎曲強度卻隨著二氧化硅含量的增加出現先減小后增加的V字型關系。結合電痕破壞實驗來看，材料機械性能的提高反而降低了材料的耐電痕特性。而根據Chandrasekar［13］對硅橡膠材料拉伸強度與電痕破壞的研究表明，拉伸強度的提高可以延長材料的電痕時間，這與我們的研究結論是不對應的，這代表對于不同的材料而言，機械性能與電痕破壞的關系是不同的，兩者之間并沒有必然的聯系，需要對不同的材料進行特定的實驗來了解材料的耐電痕特性。

5 結論

二氧化硅摻雜量對環氧材料的接觸角影響較小，但總體呈現出較好的憎水性，滿足設計需求；環氧材料的沖擊強度和拉伸強度都隨二氧化硅摻量的增加而正相關升高，然而彎曲強度則是65%摻量時為極小值；表面電阻率和體積電阻率對電痕破壞的影響較高，為提高材料的耐電痕性能，應該降低材料體積電阻率，增大材料表面電阻率。