交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中局部放電和電樹枝的測試方法(文獻(xiàn)翻譯)

精品文檔交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中局部放電和電樹枝的測試方法M JEVTIC，A M ANDREEV摘要：本文介紹了一種在幾何學(xué)上從點到平面的測試交聯(lián)聚乙烯(XLPE)中壓電纜絕緣模型局部放電和電樹枝的方法?；谠摲?，如今已經(jīng)能夠?qū)^緣中電樹枝和局部放電性進(jìn)行一種相對的評價。XLPE通過用不同的方法（蒸汽介質(zhì)和熱氮介質(zhì)）交聯(lián)，用不同含量的無機(jī)填充劑高嶺土進(jìn)行了試驗研究。通過一種具有顯微鏡特性的脈沖高度分析儀來測試局部放電的特性。對數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。關(guān)鍵字：電樹枝；局部放電；交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣1.引言為了達(dá)到最佳的應(yīng)用性能，通過不同交聯(lián)方法，用不同種的添加劑和填充材料生產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣中壓電纜。電樹枝(Tanaka 1986)，水樹枝(Steennis and Kreuger 1990)，電化學(xué)樹枝（水樹的一種小分類(Ku and Liepins 1987)）和化學(xué)（指硫化物）樹枝(Gherardi and Metra 19831)引起聚合物電纜絕緣介質(zhì)長期的電學(xué)性質(zhì)的失效。這些失效的統(tǒng)計反映了不同材料和電纜結(jié)構(gòu)抗上述樹枝的性能。本文的目的是制定一種以耐局部放電和電樹性為基礎(chǔ)的對其絕緣性進(jìn)行評估的方法。為了這個目的，構(gòu)造了交聯(lián)聚乙烯中壓電纜絕緣模型，使模型盡可能可行地接近實際電纜。2.實驗部分測試了三種類型的電纜絕緣：高嶺土填充，蒸汽交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯(型號ELKEN 2003-10，ELKA Zagreb，實驗數(shù)量)；無填充材料，蒸汽交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯(型號HFDM 4201 BP)；無填充材料，熱氮交聯(lián)得到的交聯(lián)聚乙烯(HFDM 4201 BP)。絕緣體：由低密度的交聯(lián)聚乙烯組成，無機(jī)高嶺土填充，添加劑（抗氧化劑，過氧化氫）總體比例為100：20：5。緊隨電纜制造，相對于其他電纜標(biāo)本，具有填料的絕緣電纜具有較高的損耗角正切（tg）值為（6.510-3）（見表1）。電纜樣品經(jīng)過熱處理（90/60h），低分子量的添加劑與絕緣體分離且損耗角正切（tg）降低至2.510-4。室溫儲存期為一年的電纜樣品也發(fā)現(xiàn)tg值同樣的減少。此外，在一般情況下，主要是由于填料的存在，無填料的電纜其他的電性能甚至比有填料的電纜（如表1）更好一些。然而，填料卻常常用于交聯(lián)聚乙烯（ELKEN 2003-10）以降低成本，并且提高了電纜絕緣在其工作溫度下的機(jī)械性能（Shintic1986）。表1 被測絕緣的電氣性能性能電纜樣品介電常數(shù)（50Hz，20）2.382.302.30損耗角正切tg10-4（50Hz，20）25.106.305.10電阻率1015（20）m0.822.203.20Weibull率為63.2%時的擊穿強(qiáng)度kV/mm*55.2070.50- -在NaCl溶液中老化后，Weibull率為63.2%時的擊穿強(qiáng)度kV/mm*43.9032.90- -壽命曲線系數(shù)n t = k x U n153122- -*為0.9毫米絕緣介質(zhì)厚度的中壓電纜模型，試件有效長度為1.5米，電壓的升高速度為1千伏/秒的情況下測得的電擊穿強(qiáng)度。*為樣品在0.01N NaCl溶液中浸泡同時暴露在電壓（13 KV，50Hz）和熱循環(huán)（16 h/65至8 h/20）超過1000小時時的電擊穿強(qiáng)度。從生產(chǎn)的電纜上切下絕緣電介質(zhì)組成樣品，研究電樹枝的生長過程（如圖1）。電樹枝的交流勵磁是由于在在高電場作用下聚合物內(nèi)部局部放電引起的。電樹隨局部放電產(chǎn)生，導(dǎo)致材料分解，并產(chǎn)生小型空心通道（Tanaka 1986）?；瘜W(xué)分解的能量來源來自氣體（加速帶電粒子轟擊，熱傳導(dǎo)）和靜電場的能量釋放的能量。電樹形成的整個過程可以分為兩個不同的階段：生成階段增長階段。每個階段的相對持續(xù)時間因情況不同而不同，在每一種情況下形成的樹的形狀是由相對時間差確定的（Ku和Liepins1987年）。圖1 試棒（XLPE電纜絕緣切棒）1. 高壓鎢針電極，2.第一半導(dǎo)層，3.絕緣層，4.第二半導(dǎo)層（接地電極）XLPE電纜絕緣電阻的測量方法當(dāng)樹狀結(jié)構(gòu)在高壓電極針的頂端形成時，根據(jù)已知的方法(Mc Mahon 1978)進(jìn)行測試。按以下步驟準(zhǔn)備表1中的測試用試樣：將一個針尖半徑為r = 5 + 0.5m的鎢針插入厚度為3.4mm的電纜電介質(zhì)切片中到固定的深度。針尖到第二半導(dǎo)層的距離為2mm。測試前，在10%的KOH電解質(zhì)溶液中對針除痣并用電子顯微鏡對針尖進(jìn)行測定，使針尖保持尖銳。為了剔除掉那些在尖端附近有空洞或雜質(zhì)的試驗樣品，必須通過顯微鏡對所有備用樣品進(jìn)行觀測。然后，將樣品放入一個特殊的容器中并津在脫氣硅油中。十組樣品同時進(jìn)行測試并對每組分別進(jìn)行局部放電測試。鎢針代表高壓電極，第二半導(dǎo)層代表接地電極。抗電樹性能標(biāo)準(zhǔn)常用到以下幾條：局部放電的最初電壓記作Ui，電樹最大長度記作l，樹狀結(jié)構(gòu)生長過程中局部放電所表現(xiàn)出的特性（表層最大放電量記作Qm，局部放電頻率記作N）。在10-13C的環(huán)境下，用多道脈沖幅度分析儀對局部放電的特性進(jìn)行測量。上述測試在50Hz的交流電和室溫情況下完成。取局部放電穩(wěn)定時，試驗（局部放電頻率記作N10s-1，表層最大放電量記作Qm10-12C）獲得的電壓平均值作為Ui。通過一步步升高測試電壓來確定Ui的值，每次電壓升高值為1kV，每一步的持續(xù)時間為1min。Ui值可通過一下公式計算：Ui=(Un+Un-1)/2 （1）式中：Un為在Qm10-12C，N10s-1的情況下第n步所測的的局部放電量。在實驗確定的Ui值的基礎(chǔ)上，選擇試驗用電壓值和Qm的時間間隔，N以及被測量。3.結(jié)果與討論在局部放電的基礎(chǔ)上，可確定有填充的電纜（）比無填充的電纜（和）具有更低的Ui值，他們Ui比值為2.5：6.5：12.5（kV）。然而，填充交聯(lián)聚乙烯（）局部放電強(qiáng)度Ui相當(dāng)?shù)停ㄏ鄬τ陔娎|400500s-1和電纜100200s-1的局部放電的頻率，電纜的局部放電頻率為1015s-1）。很明顯填充交聯(lián)聚乙烯樣品所表現(xiàn)出的偏低的Ui值主要是因為其非均相結(jié)構(gòu)，也因此出現(xiàn)微孔局部放電，并且均相的非填充電纜在高強(qiáng)度壓力下收卷在針尖周圍時表現(xiàn)出一種放電活性。針尖周圍介質(zhì)薄板的顯微觀察表明，未填充的交聯(lián)聚乙烯試樣的Ui值對應(yīng)于最初的樹形，而對于填充過的交聯(lián)聚乙烯，樹狀結(jié)構(gòu)局部放電的最初電壓并非Ui，而是需要一個更高的測試電壓來滿足要求。很明顯，高嶺土顆粒形成了絕緣電介質(zhì)屏蔽，是樹狀結(jié)構(gòu)的生長減速。在測試樣品暴露于6kV的電壓下3h后，獲得的實驗結(jié)論可以證明上述情況（如表2）。通過顯微鏡觀察200m厚的薄切片來測量和判定樹狀結(jié)構(gòu)的長度和形狀?？梢源_定電樹發(fā)生概率最小的是試樣（如表2）。相比于其他試樣，高嶺土填充的交聯(lián)聚乙烯具有更高的抵抗樹狀結(jié)構(gòu)形成和生長的能力。試樣中樹狀結(jié)構(gòu)的長度大約為試樣的一半，幾乎比試樣短將近十倍（如圖2）。表2 測試樣品暴露于6kV的電壓下3h后，電樹發(fā)生的可能性絕緣試樣在此期間試樣中的樹狀結(jié)構(gòu)的個數(shù)（%）3110075在此期間試樣在電極間發(fā)生故障的次數(shù)（%）0250圖2 電纜試樣，中電樹枝長度的分布通過顯微鏡觀測可以發(fā)現(xiàn)，試樣中的電樹枝有支化結(jié)構(gòu)，而試樣和中的電樹結(jié)構(gòu)為短而粗的從狀結(jié)構(gòu)。這種樹狀結(jié)構(gòu)很可能是由于在樹形通道中聚乙烯分解產(chǎn)生的氣體的擴(kuò)散率造成的。如果氣體的產(chǎn)生非常劇烈而擴(kuò)散率很低，那么由于氣體壓強(qiáng)放電會暫時停止，這將導(dǎo)致樹狀通道多而短，就會產(chǎn)生短粗型的從狀結(jié)構(gòu)。如果氣體擴(kuò)散率上升，樹形則為分支結(jié)構(gòu)(Sazhin et al 1986)。很可能，由于處于球晶（具有高的分子密度）之間的界面（此處分子密度較低）上的填充物顆粒的存在阻礙了氣體擴(kuò)散，使的試樣中氣體的擴(kuò)散率更低。試樣中的從狀結(jié)構(gòu)樹型和較低的氣體擴(kuò)散率可能是由于劇烈的局部放電和因此產(chǎn)生的劇烈的氣體擴(kuò)散而引起的。電極之間產(chǎn)生的故障主要出現(xiàn)在試樣中。在這些試樣中我們也測得了樹狀結(jié)構(gòu)的最高值（如表2）。測試開始1h后進(jìn)行測量，對未填充蒸汽交聯(lián)的XLPE進(jìn)行觀測，得到圖3中較高的Qm值，而對填充過得XLPE觀測得到較低的值。絕緣試樣中的Qm和N值均比試樣中的高，很可能是由于在蒸汽交聯(lián)的絕緣電介質(zhì)中有大量的氣體微孔(Boone et al 1984)。試樣和中Qm的實驗分布接近于Weibull分布，因此：P(Qm)= 1 exp-(QmQm0)/1 （2）至于填充交聯(lián)聚乙烯的分布則符合另外兩個Weibull分布所呈現(xiàn)出的分布規(guī)律：P(Qm)=P11-exp-(Qm/Qm0)+(1-P1) 1-exp-(Qm/Qm0)/ （3）分布參數(shù)如表三中示。這種屬性的分布一般會在樹狀結(jié)構(gòu)開始生長的地方和測試具有添加劑的聚乙烯的介電強(qiáng)度（即絕緣強(qiáng)度）的時候出現(xiàn)(Marcek et al 1973: Eberhard et al 1984)。公式（3）中的分布或許可以根據(jù)電子注入機(jī)理和無機(jī)填充劑作用機(jī)理進(jìn)行解釋。根據(jù)電子注入機(jī)理(Ku and Liepins 1987)，電樹的生長初期就像是異族注入和從導(dǎo)電點（如針尖）上游離出來的電子射入絕緣電介質(zhì)所引起的結(jié)果。通過一段最大距離約為20m的平行電場射入絕緣電介質(zhì)后，一部分電子將被困于基體中，有的則會飄逸出電場范圍，其他的則被吸引回電極上參與下以個循環(huán)。在這些電子返回期間，它們將會有一個很高的電場強(qiáng)度將至較低的電場強(qiáng)度，即電子會由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，并把電勢能轉(zhuǎn)化為能量儲存起來。任何電子在無碰撞的情況下于1000kV/mm的電場中運(yùn)動0.1m都將積累10ev的能量，這些能量足以使有機(jī)電介質(zhì)離子化。當(dāng)材料吸收了足夠的能量并分解后，絕緣電介質(zhì)的內(nèi)部將出現(xiàn)一個孔洞，在這樣的空洞中就會發(fā)生局部放電，并且沿著隧道故障就會傳播，最終會形成一個樹狀結(jié)構(gòu)。如果最初形成的縫隙中能夠使足夠的氧源通過，那么有電或化學(xué)（指氧化）腐蝕引起的樹狀結(jié)構(gòu)的生長將會被持續(xù)下去。1973年Singh等人根據(jù)對部分結(jié)晶的無機(jī)填充XLPE晶區(qū)與非晶區(qū)的精細(xì)化分，提出了填充XLPE抗樹狀結(jié)構(gòu)機(jī)理，在以上劃分中，晶區(qū)具有高分子密度，而鑲嵌于晶區(qū)間的非晶區(qū)分子密度較低。填充材料的分子將會處于無定形區(qū)間，那里有足夠的自由體積供它們作用。因為結(jié)晶區(qū)間的無定形區(qū)原本是供電樹正常那個生長的，如今卻接收了填充物粒子，所以這種絕緣電介質(zhì)的抗故障性能增強(qiáng)了?；w材料中的小通道被堵上以后，材料抗局部放電引起的故障的性能會非常強(qiáng)。一些作者（Aschraft 等人于1976提出; Lobanov等人于1982提出; Eberhard等人于1984提出; Jevtic等人于1993提出）認(rèn)為填充劑的極化分子能夠吸收部分從高壓電極上射出的加速電子的運(yùn)動能量。因此，帶有足夠使XLPE分子離子化能量的注入電子的幾率上升。結(jié)果，絕緣材料劇烈的退化，劇烈的局部放電和最大放電量Qm的發(fā)生幾率減小。表3 Weibull分布系數(shù)和測Qm線性回歸的相關(guān)系數(shù)絕緣試樣Qm0/CQm0/C2.2610-111.2450.9774.4710-110.5750.9821.8310-101.2630.990-4.4310-110.8990.941-圖3 試樣（、和）的最大表面放電量分布4.結(jié)論用從點到面的幾何方法對XLPE中壓電纜絕緣模型的局部放電進(jìn)行測試，這種方法的發(fā)展使我們能夠在很短的時間下，對于測試絕緣體（用不同方法生產(chǎn)和含不同含量的添加成分）的抗電樹枝性能，做出一個相對準(zhǔn)確的評估。在電樹枝的形成和生長時期，測得的Ui、N、Qm和l結(jié)果反映了與XLPE的生產(chǎn)方法和添加成分相關(guān)的工藝差異。相對于無填充的XLPE，無機(jī)填充的XLPE具有更低的局部放電初始電壓，更高的抗局部放電性和更好的抑制電樹增長的性能。很有趣的是，在電樹枝結(jié)構(gòu)的生長過程中，由于XLPE中無機(jī)填充劑的存在，我們獲得了Qm值的Weibull分布特性。這種分布以Weibull分布的其他兩種形式出現(xiàn)。一般情況下，Qm的分布（如圖3）表明未填充的XLPE的Qm值較低，至于較高的幾率則可以解釋較高的數(shù)據(jù)傳播（Weibull分布的形態(tài)參數(shù)降低）。參考文獻(xiàn)1 Aschraft A C, Eichorn R M and Shaw R G 1976 IEEE int. symp. on electr, insul., Montreal, New York p. 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