玻璃化温度对环氧树脂空间电荷分布的影响_陈少卿

2011年8月电工技术学报Vol.26 No. 8 第26卷第8期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug. 2011

玻璃化温度对环氧树脂空间电荷分布的影响

陈少卿彭宗仁王霞

（西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安 710049）

摘要用电声脉冲法（PEA）测量了纯环氧试样在313K（玻璃化温度以下）及343K（玻璃化温度以上）时的空间电荷分布，并测量了两种温度不同电场强度下的空间电荷特性。实验发现两种温度下的空间电荷特性具有明显的差异。并对环氧树脂表面水分对空间电荷特性的影响进行了讨论。

关键词：玻璃化温度环氧树脂空间电荷表面水分

中图分类号：TM215.1

Effects of Glass Transition Temperature on Space Charge in Epoxy Resin

Chen Shaoqing Peng Zongren Wang Xia

（State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment

Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

Abstract The space charge distribution of filler free epoxy resin at temperature below 313K and above 343K are measured with the pulsed electro-acoustic (PEA) method. The space charge distributions under different electrical field at each temperature are also investigated. The results show that the space charge characteristics at each temperature had obvious diversity. The influence of the water content on the space charge generation is also shown and discussed.

Keywords：Glass transition temperature, epoxy resin, space charge, surface water

1引言

环氧材料已被广泛作为绝缘材料应用于高压设备、电力电子器件和集成电路封装[1-4]。通常环氧树脂被作为复合材料应用，如加入硅粉应用于电力绝缘或者与皱纹纸复合用作高压套管的绝缘材料等。

空间电荷效应是电力系统中，特别是直流电力系统中引起绝缘破坏的重要因素。近年来随着直流特高压的发展，电力设备中的空间电荷积聚问题，越来越引起广大学者的关注，并已取得了大量的研究结果。但对于纯环氧树脂中空间电荷积聚的研究却少有报道。

众所周知，当聚合物的温度达到其玻璃化温度T g以上时，聚合物的电性能，如电导率、介电常数等会发生改变[5]。本文研究了纯环氧试样在玻璃化温度以上及玻璃化温度以下，不同电场强度下的空间电荷分布，实验发现玻璃化温度对环氧试样的空间电荷积聚特性有重要的影响。最后还对环氧试样表面吸附水分对空间电荷特性的影响进行了讨论。

2 试验方法

2.1试样制备

实验采用E−44601纯环氧树脂，固化剂为桐油酸酐和甲基四氢苯胺复合体系，促进剂为二甲基苄胺。T=373K下，将上、下电极和环氧试样在模具中浇注在一起，固化成型后上、下电极之间的环氧厚度为0.3mm，试样直径约6cm，如图1所示。经测量，环氧试样的玻璃化温度为333K（60℃），体积电阻率为1016～1017Ω·cm。

2.2空间电荷测量

本文采用电声脉冲（Pulsed Electroacoustic, PEA）法测量环氧试样中空间电荷分布，测量装置

电力设备电气绝缘国家重点实验室中青年基础研究创新基金资助课题。

收稿日期 2009-11-17 改稿日期 2010-01-25

228 电工技术学报 2011年8月

图1 环氧试样示意图

Fig.1 Sample geometry of epoxy resin

的结构如图2所示。直流电源0~30kV，脉冲宽度5ns，幅值0～1kV。压电传感器（PVDF）薄膜厚度为9μm。以半导电橡胶作为测量系统上电极，金属铝板作为下电极[6-7]，声耦合剂是硅油。采用循环油加热系统实现不同温度下的空间电荷测量。空间电荷测量系统的分辨率取决于外加纳秒脉冲电压的半峰宽、压电传感器的厚度及放大器的频率带宽。由计算可得本实验室的空间电荷测量装置的测量分辨率为10μm[8-9]。

图2 空间电荷测试系统

Fig.2 Setup of pulsed electro-acoustic (PEA)

measurement system

实验场强为5～30kV/mm。测量各试样在313K （玻璃化温度以下）及343K（玻璃化温度以上）时加压90min撤去电压短路后的空间电荷分布。313K （与玻璃化温度相差20K）的选取是为给玻璃化转变过程留一个较大的裕度，而343K（与玻璃化温度相差10K）的选取是考虑到9μmPVDF压电传感器的耐热裕度。

3实验结果及讨论

3.1 T=313K时的空间电荷分布

图3所示为T=313K，在不同电场强度下加压90min后短路30s时各试样中的空间电荷分布。由图3可见短路后试样内部在正电极侧出现正电荷峰，在负电极侧出现负电荷峰，即T=313K时，短路后试样中出现同极性电荷。并且当外加电场强度增大时，正电荷峰和负电荷峰均同时增大。根据空间电荷研究已取得的结论，同极性电荷的出现主要是因为在外加电场作用下由于Poole-Frenkel效应导致电极电荷注入引起的。在温度较高的情况下更有助于电荷向试样注入。

图3 T=313K加压90min后短路30s在不同电场强度下

的空间电荷分布

Fig.3 T=313K, space charge distribution of short-circuit at 30s after the application of various electric fields for 90 min 图4反映了平均电荷密度随外加电场强度的变化情况，由图可见试样内部的平均电荷密度和外加电场强度并不呈线性关系，而是存在一个场强的阈值，大约在15kV/mm。当场强大于该阈值时，根据高场电导理论，强电场施加于试样除增大自由载流子迁移速率，还会引起大量电荷从电极的注入、载流子在试样内的倍增，使大量电荷入陷，从而导致平均空间电荷密度的急剧增大。

图4 T=313K加压90min后短路30s，不同电场强度下

的平均空间电荷密度

Fig.4 Variation of the mean charge density of short-circuit at 30s after the application of various electric fields for 90min as a function of the applied field (T=313K)