泡水时间对聚乙烯绝缘材料电气性能的影响

高翾宇 于思源 谭景洋

摘要：通过浸泡实验对聚乙烯绝缘材料的电气参数进行测量，研究了湿度对聚乙烯绝缘材料电气性能的影响，并建立数学模型，得到浸泡时间与体积电阻率的函数表达式。

关键词：浸泡实验;聚乙烯;电气性能;数学模型

引言

绝缘的作用主要是使电缆中的导体与周围环境或相邻导体间相互绝缘。电缆的质量和使用寿命很大程度上取决于绝缘材料的电性能，电缆在运行中，绝缘层需具备稳定的特性，较高的绝缘电阻及击穿强度，良好的耐树枝放电和局部放电特性[1]。而绝缘材料的电气性能与其水分含量密切相关。聚乙烯以优良的耐低温性、化学稳定性和电绝缘性在电缆中得到广泛利用。因此，研究水分对聚乙烯绝缘材料电气性能的影响对电缆的应用和发展有着重要意义。

水分对PE绝缘材料的影响

由于塑料的结构具有高分子性并且其中含有极性基团，从而使水分能够进入其中。在周围大气与塑料之间存在的分压差的作用下，会使水分子进一步侵入。电缆在日常运行过程中，由于电流的通過会产生一定的热量。在水分的长期作用下，绝缘材料会出现表面受潮现象，在一定温度作用下绝缘材料中的大分子聚合物将会与其组成的大分子链结发生相对运动，此时绝缘层外的水分子会侵入绝缘层，进入到聚合物的内部。而聚合物中由于极性分子水分子的数量增多会使导电离子增多[2]，从而使绝缘性能下降。水蒸气吸附于绝缘结构的表面将使绝缘结构受到较为严重的破坏，进而导致绝缘效果的减弱。

PE绝缘材料的浸泡实验

为了进一步探究水分对PE绝缘材料的影响，我们对完全一样的PE在相同室温下分别进行了1h、2h、3h、4h、5h、70h、95h、115h、140h、165h的泡水实验，并对晾干后的试样进行了体积电阻率、相对介电常数、击穿场强的测量，结果如下表1所示：

由此可以看出，浸泡实验使试样的体积电阻率减小，相对介电常数增大、击穿场强降低。即使绝缘材料的电气性能降低。经过进一步分析可知，相对相对介电常数这个参数的变化率最小，为7.9%。即可认为水分对相对介电常数的影响最小;体积电阻率这个参数的变化率最大，为137%。即可认为潮气对体积电阻率的影响最大。并且发现在浸泡时间达70h以上时，PE绝缘材料的绝缘电阻变化不再明显。这是由于在电压作用下，绝缘材料内部电子和离子的迁移会导致直流绝缘产生相对应的变化，在水分含量增大时，绝缘材料离子和电子的迁移速率也会随之增加[3]。且在施加电压相同时，体积电阻率与体电流成反比，体积电阻率下降，绝缘性能变差。并且在绝缘范围内，水分子随着浸泡时间的增加不断侵入到绝缘材料的内部，当绝缘材料内部离子趋于饱和时，即便浸泡时间加长，绝缘材料的绝缘电阻变化也不会太大。

对体积电阻率的数据建立数学模型

通过MATLAB对体积电阻率的实验数据进行拟合后得到体积电阻率与时间的函数关系：

其中p1=–39.14;p2=6744;p3=–2214;q1=–104.2;q2=7532;q3=–6108。

拟合图像如下图1所示：

结语

PE是目前应用范围比较广的绝缘材料，而水分对绝缘材料的电气性能具有极其重要的影响，因此研究水分对绝缘材料的性能影响是十分必要的，并且设法提高电缆的耐湿性也是在设计电缆时的重要考虑因素。本次实验由于设备老化、测量过程中不可避免地系统误差等原因，实验数据难免会出现一定的偏差。

参考文献

曾燕华，李扬，王娟.电工绝缘材料微量水分在线检测系统[J].电工技术，2004（2）：30–31.

周阳.影响电缆绝缘性能的因素研究及其对策[D].大连理工大学，2015.

蒋洪富.湿度对聚合物绝缘材料电气性能的影响[J].特殊电工，1981（4）：58–62.