交联聚乙烯电缆绝缘中局部放电测试方法.doc

PAGE PAGE 6 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(Tanaka 1986)，水树枝(Steennis and Kreuger 1990)，电化学树枝（水树的一种小分类(Ku and Liepins 1987)）和化学（指硫化物）树枝(Gherardi and Metra 19831)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ELKEN 2003-10，ELKA Zagreb，实验数量)；②无填充材料，蒸汽交联的交联聚乙烯(型号HFDM 4201 BP)；③无填充材料，热氮交联得到的交联聚乙烯(HFDM 4201 BP)。 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（ELKEN 2003-10）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 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 介电常数（50Hz，20℃） 2.38 2.30 2.30 损耗角正切tgδ×10-4（50Hz，20℃） 25.10 6.30 5.10 电阻率×1015（20℃）Ωm 0.82 2.20 3.20 Weibull率为63.2%时的击穿强度kV/mm* 55.20 70.50 -- -- 在NaCl溶液中老化后，Weibull率为63.2%时的击穿强度kV/mm** 43.90 32.90 -- -- 寿命曲线系数n t = k x U –n 15±3 12±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0.01N NaCl溶液中浸泡同时暴露在电压（13 KV，50Hz）和热循环（16 h/65℃至8 h/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（Tanaka 1986）。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 当树状结构在高压电极针的顶端形成时，根据已知的方法(Mc Mahon 1978)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