球-板電極形式下工頻擊穿試驗：

為了與棒—板電極形式下硅橡膠試樣的工頻擊穿電壓情況進行對比，采用如圖 5-9 所示的球-板電極，不銹鋼球電極直徑為 20mm，圓板低壓電極的尺寸與棒-板電極的一樣,整個電極系統(tǒng)放置于二甲基硅油中，防止硅橡膠材料表面發(fā)生沿面放電。

采用球-板電極不均勻電場進行工頻擊穿試驗，在常溫 20℃時，測試出Al(OH)3 相對含量 90%、110%、130%的硅橡膠材料試樣的工頻擊穿電壓均值分別為 28.57kV、27.74kV、28.43kV，被擊穿處的厚度均值依次為 1.06mm、1.01mm1.01mm，放入低溫環(huán)境中后得到 0~-60℃下硅橡膠試片工頻擊穿電壓均值的測試結果，如表 5-2 所示。

 試驗結果分析：

根據(jù) 0~ -60℃溫度范圍內硅橡膠材料試樣工頻擊穿電壓的測試結果擬合曲線，得到兩種電極形式下硅橡膠試樣的工頻擊穿電壓隨溫度降低而變化的規(guī)律，如圖 5-10、圖 5-11 所示。

由以上工頻擊穿電壓測試結果的曲線圖可以得出，隨著溫度的降低，所有不同氫氧化鋁含量硅橡膠試樣的工頻擊穿電壓均值幾乎都大于常溫 20℃時的測量值，表現(xiàn)出先升高后下降到逐漸穩(wěn)定的趨勢，其中球-板電極形式下 Al(OH)3 相對含量 110%的試樣在-10℃就達到最大值 32.85kV，其他兩種試樣在-20℃時達到最大值，棒-板電極形式下所有硅橡膠試樣均在-20℃時達到最大工頻擊穿電壓，球-板電極形式下的工頻擊穿電壓整體大于棒-板電極形式。無論采用的是球-板電極形式還是棒-板電極形式，Al(OH)3 相對含量 90%的硅橡膠試樣工頻擊穿變化曲線與 Al(OH)3 相對含量 130%的試樣很接近，而在棒-板電極形式下，Al(OH)3相對含量 110%的試樣工頻擊穿電壓都是*高的。

comsol 仿真驗證：

利用 comsol 軟件建立工頻擊穿試驗的電極模型，根據(jù)標準設置硅橡膠性能參數(shù)，密度為 1.64×103kg/m3，相對介電常數(shù)為 4.5，電阻率為 1.0×103Ω?m，導熱系數(shù)為 0.16W/(m?K)，常壓熱容為 1.2×103J/(kg?K)。在 0℃低溫環(huán)境中，對棒-板電極形式下硅橡膠正常試樣的電場分布進行仿真，得到材料表面的電勢與場強分布云圖，如下所示。

      由圖 5-12、5-13 可以看出，棒-板電極形式下，硅橡膠試樣與高壓棒電極接觸處的電勢較大，為電勢云圖的中心圓形區(qū)域，材料四周區(qū)域的電勢相對較小；硅橡膠試樣中心區(qū)域的電場強度較小，在靠近棒電極表面邊緣的區(qū)域處電場強度較大，為外徑 20mm 的圓環(huán)區(qū)域，隨后向四周區(qū)域又逐漸減小，試樣擊穿的通道一般出現(xiàn)在該圓環(huán)區(qū)域。

     截取硅橡膠圓片表面的直徑線段，得到試樣沿徑向的電勢和場強變化曲線圖，如圖 5-14、圖 5-15 所示。

      由圖 5-14、5-15 得到，棒-板電極形式下，在直徑截線中心約 20mm 區(qū)域的電勢最大，最大電勢達到 27.3kV，由中心區(qū)域逐漸減小到離圓心 37.5mm 處，隨后又緩慢增大至截線端點處；直徑截線中心 20mm 區(qū)域的場強相對較高且不變，隨著離圓心距離的增大，場強先快速增大后迅速減小，最大電場強度為36.9kV/mm，直到緩慢減小到截線端點處。同樣地，得到 0℃低溫環(huán)境中球板電極下試樣的電場分布圖如下圖所示。

    由以上電場分布云圖得出，球-板電極形式下，硅橡膠試樣圓心處的電勢最大，圓心以外區(qū)域相對較小；試樣圓心處的電場強度最大，向外逐漸減小，電場強度的分布云圖與電勢分布十分接近，試樣擊穿的通道一般出現(xiàn)在圓心區(qū)域處。截取試片表面的直徑線段，得到試樣沿徑向的電勢和場強變化曲線圖，如下所示。

根據(jù)圖 5-18、5-19 分析可知，球-板電極形式下，在直徑截線中點處的電勢最大，最大電勢達到 29.4kV，向外逐漸減小到離中點 37.5mm 處，緊接著又緩慢增大至截線端點處；截線中點處的場強同樣最大，最大電場強度達到 32.4kV/mm，向兩端逐漸減小到截線端點處，變化速率也在逐漸減小。

低溫環(huán)境下適用硅橡膠材料建議：

綜合以上對低溫環(huán)境中所有不同氫氧化鋁含量硅橡膠試樣的介質損耗試驗、沿面閃絡試驗以及工頻擊穿試驗的測試結果，得出在 0℃~-20℃溫度范圍內，Al(OH)3 相對含量 90%的試樣介質損耗相對較小，沿面閃絡電壓和工頻擊穿電壓相對較大；在-30℃~-60℃溫度區(qū)間內，Al(OH)3 相對含量 110%的試樣介質損耗比相對含量 130%的試樣小，沿面閃絡電壓較低，在棒-板電極形式下的工頻擊穿電壓較高。根據(jù)整體性能來看，Al(OH)3 相對含量 90%的硅橡膠絕緣材料在低溫下的性能表現(xiàn)得更優(yōu)良一些，表明在低溫環(huán)境中使用的硅橡膠材料應當適當考慮減小配方中 Al(OH)3 的含量，但是當Al(OH)3 含量過小時硅橡膠材料的邵氏硬度會不夠，耐漏電起痕和電蝕損的能力會下降，應當折中選擇。

小結：

本章介紹了低溫環(huán)境下固體絕緣介質的擊穿理論、硅橡膠材料工頻擊穿試驗系統(tǒng)、工頻擊穿試驗方法以及不同電極形式下不同氫氧化鋁含量試樣的測試結果，得出以下主要結論：

選取利于擊穿的 1mm 厚度清潔圓形硅橡膠試樣，在不均勻電場下采用快速升壓法對硅橡膠材料試樣進行工頻擊穿試驗，采用的電極形式包括棒-板電極和球-板電極。在低溫環(huán)境下，所有電極形式中硅橡膠試樣的工頻擊穿電壓均值都大于常溫 20℃時的電壓值，且隨著溫度的降低都呈現(xiàn)出先升高后下降到逐漸穩(wěn)定的趨勢，球-板電極的工頻擊穿電壓整體大于棒-板電極，Al(OH)3相對含量 90%與 130%的試樣工頻擊穿電壓的變化規(guī)律很接近。

結論：

本文提出了一種能實現(xiàn)低溫環(huán)境下絕緣材料電氣性能測試的試驗系統(tǒng)，并對復合絕緣子廠家生產的三種具有不同含量氫氧化鋁的硅橡膠試樣進行了電氣性能的研究，在低溫環(huán)境下對清潔的硅橡膠材料分別進行了憎水性測試、介質損耗測試、沿面閃絡測試以及工頻擊穿測試，得到了低溫環(huán)境中各種表征硅橡膠材料電氣特性的指標隨溫度、氫氧化鋁含量變化的關系，并對各種電氣性能指標的變化規(guī)律進行了分析，得出結論如下：

1、設計了適于低溫環(huán)境測量的試驗系統(tǒng)，試驗環(huán)境低溫度可達-70℃，降溫方式采用雙壓縮機循環(huán)制冷。選擇相對精度較高的接觸角法來測定硅橡膠材料的憎水性，進行了 720h 的測量試驗，測試的結果表明-60℃以內低溫環(huán)境的處理并不會削弱硅橡膠材料的憎水性，反倒提高了憎水角，所有試樣的靜態(tài)接觸角都隨著低溫處理時間的增長而逐漸變大至趨于飽和，增長率逐漸減小。

2、由 GB/T1409-2016 有關固體材料介質損耗因數(shù)的規(guī)定選取了厚度 2mm、直徑 100mm 的圓形硅橡膠試片，采用黃銅圓板電極的不均勻電場形式，對其在低溫環(huán)境中進行了介質損耗測量。根據(jù)測試的結果來看，所有硅橡膠試樣的介質損耗均值在 0℃~-40℃的溫度范圍內都大于常溫 20℃的測量值，而在-50℃~-60℃的溫度區(qū)間又具備著明顯小于常溫的趨勢。隨著溫度的降低，不同氫氧化鋁含量的試樣都表現(xiàn)出介質損耗先增大后減小的規(guī)律，正常配方的硅橡膠試樣在溫度改變時介質損耗的變化幅度相對其他兩種試樣更穩(wěn)定，不過在低溫度-60℃時其他兩種試樣的介質損耗均小于正常試樣。

3、提出了低溫環(huán)境下沿面閃絡的試驗系統(tǒng)，制定了硅橡膠絕緣材料的沿面閃絡試驗方案，在不均勻電場下采用 50%耐受電壓法對清潔硅橡膠材料試樣進行測試，電極形式包括半圓球頭棒電極、倒角平頭板電極以及倒角四分之一圓弧板電極。在所有電極形式下，硅橡膠試樣的閃絡電壓均值都大于常溫時的測量值，且隨著溫度的降低都表現(xiàn)出線性增長的趨勢，整體升高的幅度不大，其中正常配方試樣的閃絡電壓最小。半圓球頭棒電極形式下硅橡膠試樣的閃絡電壓小于其他兩種電極形式，正常配方硅橡膠試樣的變化規(guī)律與 Al(OH)3 相對含量 130%的試樣較為接近，這種接近程度在倒角四分之一圓弧板電極形式中顯著。

4、在介紹固體絕緣介質電擊穿理論的基礎上，根據(jù) IEC60243-1《絕緣材料電氣強度試驗方法》設計了硅橡膠材料工頻擊穿的試驗平臺，制定了低溫環(huán)境下工頻擊穿試驗方案，在兩種電極形式的不均勻電場下對 1mm 厚度的清潔圓形硅橡膠試樣進行了工頻擊穿測試。通過測試結果擬合的曲線分析，兩種電極形式下硅橡膠試樣在低溫環(huán)境中的工頻擊穿電壓都大于常溫 20℃時的測量值，且隨著溫度的降低都具有先升高后下降到逐漸穩(wěn)定的關系，球-板電極形式的工頻擊穿電壓顯著大于棒-板電極，氫氧化鋁相對含量 90%和 130%的試樣工頻擊穿電壓的變化曲線近似程度較高。

5、通過權衡低溫環(huán)境下硅橡膠絕緣材料的憎水性、介質損耗因數(shù)、沿面閃絡特性以及工頻擊穿特性的相關測試數(shù)據(jù)，綜合以上性能的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn) Al(OH)3相對含量 90%的硅橡膠試樣的低溫性能表現(xiàn)得更優(yōu)良一些，建議低溫環(huán)境下電氣設施中使用的硅橡膠材料可適當減小配方中 Al(OH)3 的含量，介質損耗相對較小，在防止沿面閃絡和擊穿方面的性能會具有一定的改善。