交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中局部放電和電樹(shù)枝的測(cè)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(shù)枝的測(cè)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(diǎn)到平面的測(cè)試交聯(lián)聚乙烯(XLPE)中壓電纜絕緣模型局部放電和電樹(shù)枝的方法?；谠摲?，如今已經(jīng)能夠?qū)^緣中電樹(shù)枝和局部放電性進(jìn)行一種相對(duì)的評(píng)價(jià)。XLPE通過(guò)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(wú)機(jī)填充劑高嶺土進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)一種具有顯微鏡特性的脈沖高度分析儀來(lái)測(cè)試局部放電的特性。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。關(guān)鍵字：電樹(shù)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(guò)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(shù)枝(Tanaka 1986)，水樹(shù)枝(Steennis and Kreuger 1990)，電化學(xué)樹(shù)枝（水樹(shù)的一種小分類(lèi)(Ku and Liepins 1987)）和化學(xué)（指硫化物）樹(shù)枝(Gherardi and Metra 19831)引起聚合物電纜絕緣介質(zhì)長(zhǎng)期的電學(xué)性質(zhì)的失效。這些失效的統(tǒng)計(jì)反映了不同材料和電纜結(jié)構(gòu)抗上述樹(shù)枝的性能。本文的目的是制定一種以耐局部放電和電樹(shù)性為基礎(chǔ)的對(duì)其絕緣性進(jìn)行評(píng)估的方法。為了這個(gè)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(shí)際電纜。2.實(shí)驗(yàn)部分測(cè)試了三種類(lèi)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(hào)ELKEN 2003-10，ELKA Zagreb，實(shí)驗(yàn)數(shù)量)；無(wú)填充材料，蒸汽交聯(lián)的交聯(lián)聚乙烯(型號(hào)HFDM 4201 BP)；無(wú)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(wú)機(jī)高嶺土填充，添加劑（抗氧化劑，過(guò)氧化氫）總體比例為100：20：5。緊隨電纜制造，相對(duì)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(jiàn)表1）。電纜樣品經(jīng)過(guò)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(chǔ)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(wú)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(cè)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(shí)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(shí)的擊穿強(qiáng)度kV/mm*43.9032.90- -壽命曲線(xiàn)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(zhǎng)度為1.5米，電壓的升高速度為1千伏/秒的情況下測(cè)得的電擊穿強(qiáng)度。*為樣品在0.01N NaCl溶液中浸泡同時(shí)暴露在電壓（13 KV，50Hz）和熱循環(huán)（16 h/65至8 h/20）超過(guò)1000小時(shí)時(shí)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(shù)枝的生長(zhǎng)過(guò)程（如圖1）。電樹(shù)枝的交流勵(lì)磁是由于在在高電場(chǎng)作用下聚合物內(nèi)部局部放電引起的。電樹(shù)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(lái)源來(lái)自氣體（加速帶電粒子轟擊，熱傳導(dǎo)）和靜電場(chǎng)的能量釋放的能量。電樹(shù)形成的整個(gè)過(guò)程可以分為兩個(gè)不同的階段：生成階段增長(zhǎng)階段。每個(gè)階段的相對(duì)持續(xù)時(shí)間因情況不同而不同，在每一種情況下形成的樹(shù)的形狀是由相對(duì)時(shí)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(cè)量方法當(dāng)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)在高壓電極針的頂端形成時(shí)，根據(jù)已知的方法(Mc Mahon 1978)進(jìn)行測(cè)試。按以下步驟準(zhǔn)備表1中的測(cè)試用試樣：將一個(gè)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(cè)試前，在10%的KOH電解質(zhì)溶液中對(duì)針除痣并用電子顯微鏡對(duì)針尖進(jìn)行測(cè)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(yàn)樣品，必須通過(guò)顯微鏡對(duì)所有備用樣品進(jìn)行觀測(cè)。然后，將樣品放入一個(gè)特殊的容器中并津在脫氣硅油中。十組樣品同時(shí)進(jìn)行測(cè)試并對(duì)每組分別進(jìn)行局部放電測(cè)試。鎢針代表高壓電極，第二半導(dǎo)層代表接地電極?？闺姌?shù)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(shù)最大長(zhǎng)度記作l，樹(shù)狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過(guò)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(duì)局部放電的特性進(jìn)行測(cè)量。上述測(cè)試在50Hz的交流電和室溫情況下完成。取局部放電穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)（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(guò)一步步升高測(cè)試電壓來(lái)確定Ui的值，每次電壓升高值為1kV，每一步的持續(xù)時(shí)間為1min。Ui值可通過(guò)一下公式計(jì)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(cè)的的局部放電量。在實(shí)驗(yàn)確定的Ui值的基礎(chǔ)上，選擇試驗(yàn)用電壓值和Qm的時(shí)間間隔，N以及被測(cè)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(wú)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?duì)于電纜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?yàn)槠浞蔷嘟Y(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?chē)鷷r(shí)表現(xiàn)出一種放電活性。針尖周?chē)橘|(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(duì)應(yīng)于最初的樹(shù)形，而對(duì)于填充過(guò)的交聯(lián)聚乙烯，樹(shù)狀結(jié)構(gòu)局部放電的最初電壓并非Ui，而是需要一個(gè)更高的測(cè)試電壓來(lái)滿(mǎn)足要求。很明顯，高嶺土顆粒形成了絕緣電介質(zhì)屏蔽，是樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)減速。在測(cè)試樣品暴露于6kV的電壓下3h后，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以證明上述情況（如表2）。通過(guò)顯微鏡觀察200m厚的薄切片來(lái)測(cè)量和判定樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和形狀。可以確定電樹(shù)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(shù)狀結(jié)構(gòu)形成和生長(zhǎng)的能力。試樣中樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)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(cè)試樣品暴露于6kV的電壓下3h后，電樹(shù)發(fā)生的可能性絕緣試樣在此期間試樣中的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的個(gè)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(shù)枝長(zhǎng)度的分布通過(guò)顯微鏡觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，試樣中的電樹(shù)枝有支化結(jié)構(gòu)，而試樣和中的電樹(shù)結(jié)構(gòu)為短而粗的從狀結(jié)構(gòu)。這種樹(shù)狀結(jié)構(gòu)很可能是由于在樹(shù)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(huì)暫時(shí)停止，這將導(dǎo)致樹(shù)狀通道多而短，就會(huì)產(chǎn)生短粗型的從狀結(jié)構(gòu)。如果氣體擴(kuò)散率上升，樹(shù)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(shù)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(cè)得了樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的最高值（如表2）。測(cè)試開(kāi)始1h后進(jìn)行測(cè)量，對(duì)未填充蒸汽交聯(lián)的XLPE進(jìn)行觀測(cè)，得到圖3中較高的Qm值，而對(duì)填充過(guò)得XLPE觀測(cè)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(huì)在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始生長(zhǎng)的地方和測(cè)試具有添加劑的聚乙烯的介電強(qiáng)度（即絕緣強(qiáng)度）的時(shí)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(wú)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(shù)的生長(zhǎng)初期就像是異族注入和從導(dǎo)電點(diǎn)（如針尖）上游離出來(lái)的電子射入絕緣電介質(zhì)所引起的結(jié)果。通過(guò)一段最大距離約為20m的平行電場(chǎng)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(huì)飄逸出電場(chǎng)范圍，其他的則被吸引回電極上參與下以個(gè)循環(huán)。在這些電子返回期間，它們將會(huì)有一個(gè)很高的電場(chǎng)強(qiáng)度將至較低的電場(chǎng)強(qiáng)度，即電子會(huì)由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，并把電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。任何電子在無(wú)碰撞的情況下于1000kV/mm的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)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(gè)孔洞，在這樣的空洞中就會(huì)發(fā)生局部放電，并且沿著隧道故障就會(huì)傳播，最終會(huì)形成一個(gè)樹(shù)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(guò)，那么有電或化學(xué)（指氧化）腐蝕引起的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)將會(huì)被持續(xù)下去。1973年Singh等人根據(jù)對(duì)部分結(jié)晶的無(wú)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(shù)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(huì)處于無(wú)定形區(qū)間，那里有足夠的自由體積供它們作用。因?yàn)榻Y(jié)晶區(qū)間的無(wú)定形區(qū)原本是供電樹(shù)正常那個(gè)生長(zhǎng)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。基體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(huì)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(dòng)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(cè)Qm線(xiàn)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(diǎn)到面的幾何方法對(duì)XLPE中壓電纜絕緣模型的局部放電進(jìn)行測(cè)試，這種方法的發(fā)展使我們能夠在很短的時(shí)間下，對(duì)于測(cè)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(shù)枝性能，做出一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)估。在電樹(shù)枝的形成和生長(zhǎng)時(shí)期，測(cè)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(duì)于無(wú)填充的XLPE，無(wú)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(shù)增長(zhǎng)的性能。很有趣的是，在電樹(shù)枝結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)過(guò)程中，由于XLPE中無(wú)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 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