交联聚乙烯电缆绝缘中局部放电测试方法

1交联聚乙烯电缆绝缘中局部放电和电树枝的测试方法摘要：本文介绍了一种在几何学上从点到平面的测试交联聚乙烯(XLPE)中压电缆绝缘模型局部放电和电树枝的方法。基于该法，如今已经能够对绝缘中电树枝和局部放电性进行一种相对的评价。XLPE通过用不同的方法（蒸汽介质和热氮介质）交联，用不同含量的无机填充剂高岭土进行了试验研究。通过一种具有显微镜特性的脉冲高度分析仪来测试局部放电的特性。对数据进行了统计分析。关键字：电树枝；局部放电；交联聚乙烯电缆绝缘1.引言为了达到最佳的应用性能，通过不同交联方法，用不同种的添加剂和填充材料生产交联聚乙烯(XLPE)绝缘中压电缆。电树枝(Tanaka1986)，水树枝(SteennisandKreuger1990)，电化学树枝（水树的一种小分类(KuandLiepins1987)）和化学（指硫化物）树枝(GherardiandMetra19831)引起聚合物电缆绝缘介质长期的电学性质的失效。这些失效的统计反映了不同材料和电缆结构抗上述树枝的性能。本文的目的是制定一种以耐局部放电和电树性为基础的对其绝缘性进行评估的方法。为了这个目的，构造了交联聚乙烯中压电缆绝缘模型，使模型尽可能可行地接近实际电缆。2.实验部分测试了三种类型的电缆绝缘：①高岭土填充，蒸汽交联的交联聚乙烯(型号ELKEN2003-10，ELKAZagreb，实验数量)；②无填充材料，蒸汽交联的交联聚乙烯(型号HFDM4201BP)；③无填充材料，热氮交联得到的交联聚乙烯(HFDM4201BP)。绝缘体：①由低密度的交联聚乙烯组成，无机高岭土填充，添加剂（抗氧化剂，过氧化氢）总体比例为100：20：5。紧随电缆制造，相对于其他电缆标本，具有填料的绝缘电缆具有较高的损耗角正切（tgδ）值为（6.5×10-3）（见表1）。电缆样品经过热处理（90℃/60h），低分子量的添加剂与绝缘体分离且损耗角正切（tgδ）降低至2.5×10-4。室温储存期为一年的电缆样品也发现tgδ值同样的减少。此外，在一般情况下，主要是由于填料的存在，无填料的电缆其他的电性能2甚至比有填料的电缆（如表1）更好一些。然而，填料却常常用于交联聚乙烯（ELKEN2003-10）以降低成本，并且提高了电缆绝缘在其工作温度下的机械性能（Shintic1986）。表1被测绝缘的电气性能性能电缆样品ⅠⅡⅢ介电常数（50Hz，20℃）2.382.302.30损耗角正切tgδ×10-4（50Hz，20℃）25.106.305.10电阻率×1015（20℃）Ωm0.822.203.20Weibull率为63.2%时的击穿强度kV/mm*55.2070.50----在NaCl溶液中老化后，Weibull率为63.2%时的击穿强度kV/mm**43.9032.90----寿命曲线系数nt=kxU–n15±312±2----*为0.9毫米绝缘介质厚度的中压电缆模型，试件有效长度为1.5米，电压的升高速度为1千伏/秒的情况下测得的电击穿强度。**为样品在0.01NNaCl溶液中浸泡同时暴露在电压（13KV，50Hz）和热循环（16h/65℃至8h/20℃）超过1000小时时的电击穿强度。从生产的电缆上切下绝缘电介质组成样品，研究电树枝的生长过程（如图1）。电树枝的交流励磁是由于在在高电场作用下聚合物内部局部放电引起的。电树随局部放电产生，导致材料分解，并产生小型空心通道（Tanaka1986）。化学分解的能量来源来自气体（加速带电粒子轰击，热传导）和静电场的能量释放的能量。电树形成的整个过程可以分为两个不同的阶段：①生成阶段②增长阶段。每个阶段的相对持续时间因情况不同而不同，在每一种情况下形成的树的形状是由相对时间差确定的（Ku和Liepins1987年）。图1试棒（XLPE电缆绝缘切棒）1.高压钨针电极，2.第一半导层，3.绝缘层，4.第二半导层（接地电极）XLPE电缆绝缘电阻的测量方法3当树状结构在高压电极针的顶端形成时，根据已知的方法(McMahon1978)进行测试。按以下步骤准备表1中的测试用试样：将一个针尖半径为r=5+0.5μm的钨针插入厚度为3.4mm的电缆电介质切片中到固定的深度。针尖到第二半导层的距离为2mm。测试前，在10%的KOH电解质溶液中对针除痣并用电子显微镜对针尖进行测定，使针尖保持尖锐。为了剔除掉那些在尖端附近有空洞或杂质的试验样品，必须通过显微镜对所有备用样品进行观测。然后，将样品放入一个特殊的容器中并津在脱气硅油中。十组样品同时进行测试并对每组分别进行局部放电测试。钨针代表高压电极，第二半导层代表接地电极。抗电树性能标准常用到以下几条：局部放电的最初电压记作Ui，电树最大长度记作l，树状结构生长过程中局部放电所表现出的特性（表层最大放电量记作Qm，局部放电频率记作N）。在10-13C的环境下，用多道脉冲幅度分析仪对局部放电的特性进行测量。上述测试在50Hz的交流电和室温情况下完成。取局部放电稳定时，试验（局部放电频率记作N≥10s-1，表层最大放电量记作Qm≥10-12C）获得的电压平均值作为Ui。通过一步步升高测试电压来确定Ui的值，每次电压升高值为1kV，每一步的持续时间为1min。Ui值可通过一下公式计算：Ui=(Un+Un-1)/2（1）式中：Un为在Qm≥10-12C，N≥10s-1的情况下第n步所测的的局部放电量。在实验确定的Ui值的基础上，选择试验用电压值和Qm的时间间隔，N以及被测量。3.结果与讨论在局部放电的基础上，可确定有填充的电缆（Ⅰ）比无填充的电缆（Ⅱ和Ⅲ）具有更低的Ui值，他们Ui比值为2.5：6.5：12.5（kV）。然而，填充交联聚乙烯（Ⅰ）局部放电强度Ui相当低（相对于电缆Ⅱ400—500s-1和电缆Ⅲ100—200s-1的局部放电的频率，电缆Ⅰ的局部放电频率为10—15s-1）。很明显填充交联聚乙烯样品所表现出的偏低的Ui值主要是因为其非均相结构，也因此出现微孔局部放电，并且均相的非填充电缆在高强度压力下收卷在针尖周围时表现出一种放电活性。针尖周围介质薄板的显微观察表明，未填充的交联聚乙烯试样的Ui值对应于最初的树形，而对于填充过的交联聚乙烯，树状结构局部放电的最初电压并非Ui，而是需要一个更高的测试电压来满足要求。很明显，高岭土颗粒形成了绝缘电介质屏蔽，是树状结构的生长减速。在测试样品暴露于6kV的电压下3h后，获得的实验结论可以证明上述情况（如表2）。通过显微镜观察200μm厚的薄切片来测量和判定树状结构的长度和形状。可以确定电树发生概率最小的是试样Ⅰ4（如表2）。相比于其他试样，高岭土填充的交联聚乙烯具有更高的抵抗树状结构形成和生长的能力。试样Ⅰ中树状结构的长度大约为试样Ⅲ的一半，几乎比试样Ⅱ短将近十倍（如图2）。表2测试样品暴露于6kV的电压下3h后，电树发生的可能性绝缘试样ⅠⅡⅢ在此期间试样中的树状结构的个数（%）3110075在此期间试样在电极间发生故障的次数（%）0250图2电缆试样Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ中电树枝长度的分布通过显微镜观测可以发现，试样Ⅲ中的电树枝有支化结构，而试样Ⅰ和Ⅱ中的电树结构为短而粗的从状结构。这种树状结构很可能是由于在树形通道中聚乙烯分解产生的气体的扩散率造成的。如果气体的产生非常剧烈而扩散率很低，那么由于气体压强放电会暂时停止，这将导致树状通道多而短，就会产生短粗型的从状结构。如果气体扩散率上升，树形则为分支结构(Sazhinetal1986)。很可能，由于处于球晶（具有高的分子密度）之间的界面（此处分子密度较低）上的填充物颗粒的存在阻碍了气体扩散，使的试样Ⅰ中气体的扩散率更低。试样Ⅱ中的从状结构树型和较低的气体扩散率可能是由于剧烈的局部放电和因此产生的剧烈的气体扩散而引起的。电极之间产生的故障主要出现在试样Ⅱ中。在这些试样中我们也测得了树状结构的最高值（如表2）。测试开始1h后进行测量，对未填充蒸汽交联的XLPE进行观测，得到图3中较高的Qm值，而对填充过得XLPE观测得到较低的值。绝缘试样Ⅱ中的Qm和N值均比试样Ⅲ中的高，很可能是由于在蒸汽交联的绝缘电介质中有大量的气体微孔(Booneetal1984)。试样Ⅱ和Ⅲ中Qm的实验分布接近于Weibull分布，因此：P(Qm)=1－exp[-(Qm×Qm0)/1]（2）5至于填充交联聚乙烯的分布则符合另外两个Weibull分布所呈现出的分布规律：P(Qm)=P1{1-exp[-(Qm/Qm0)ß]}+(1-P1){1-exp[-(Qm/Q’m0)/ß’}（3）分布参数如表三中示。这种属性的分布一般会在树状结构开始生长的地方和测试具有添加剂的聚乙烯的介电强度（即绝缘强度）的时候出现(Marceketal1973:Eberhardetal1984)。公式（3）中的分布或许可以根据电子注入机理和无机填充剂作用机理进行解释。根据电子注入机理(KuandLiepins1987)，电树的生长初期就像是异族注入和从导电点（如针尖）上游离出来的电子射入绝缘电介质所引起的结果。通过一段最大距离约为20μm的平行电场射入绝缘电介质后，一部分电子将被困于基体中，有的则会飘逸出电场范围，其他的则被吸引回电极上参与下以个循环。在这些电子返回期间，它们将会有一个很高的电场强度将至较低的电场强度，即电子会由激发态回到基态，并把电势能转化为能量储存起来。任何电子在无碰撞的情况下于1000kV/mm的电场中运动0.1μm都将积累10ev的能量，这些能量足以使有机电介质离子化。当材料吸收了足够的能量并分解后，绝缘电介质的内部将出现一个孔洞，在这样的空洞中就会发生局部放电，并且沿着隧道故障就会传播，最终会形成一个树状结构。如果最初形成的缝隙中能够使足够的氧源通过，那么有电或化学（指氧化）腐蚀引起的树状结构的生长将会被持续下去。1973年Singh等人根据对部分结晶的无机填充XLPE晶区与非晶区的精细化分，提出了填充XLPE抗树状结构机理，在以上划分中，晶区具有高分子密度，而镶嵌于晶区间的非晶区分子密度较低。填充材料的分子将会处于无定形区间，那里有足够的自由体积供它们作用。因为结晶区间的无定形区原本是供电树正常那个生长的，如今却接收了填充物粒子，所以这种绝缘电介质的抗故障性能增强了。基体材料中的小通道被堵上以后，材料抗局部放电引起的故障的性能会非常强。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）认为填充剂的极化分子能够吸收部分从高压电极上射出的加速电子的运动能量。因此，带有足够使XLPE分子离子化能量的注入电子的几率上升。结果，绝缘材料剧烈的退化，剧烈的局部放电和最大放电量Qm的发生几率减小。表3Weibull分布系数和测Qm线性回归的相关系数绝缘试样Qm0/CßγQm0’/Cß’Γ’Ⅰ2.26×10-111.2450.9774.47×10-110.5750.982Ⅱ1.83×10-101.2630.990------------Ⅲ4.43×10-110.8990.941------------6图3试样（Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ）的最大表面放电量分布4.结论用从点到面的几何方法对XLPE中压电缆绝缘模型的局部放电进行测试，这种方法的发展使我们能够在很短的时间下，对于测试绝缘体（用不同方法生产和含不同含量的添加成分）的抗电树枝性能，做出一个相对准确的评估。在电树枝的形成和生长时期，测得的Ui、N、Qm和l结果反映了与XLPE的生产方法和添加成分相关的工艺差异。相对于无填充的XLPE，无机填充的XLPE具有更低的局部放电初始电压，更高的抗局部放电性和更好的抑制电树增长的性能。很有趣的是，在电树枝结构的生长过程中，由于XLPE中无机填充剂的存在，我们获得了Qm值的Weibull分布特性。这种分布以Weibull分布的其他两种形式出现。一般情况下，Qm的分布（如图3）表明未填充的XLPE的Qm值较低，至于较高的几率则可以解释较高的数据传播（Weibull分布的形态参数ß’降低）。参考文献[1]