直流電壓下交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝的生長特性研究

劉英,曹曉瓏

(西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室, 710049, 西安)

直流電壓下交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝的生長特性研究

劉英,曹曉瓏

(西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室, 710049, 西安)

為了研究交聯聚乙烯電纜絕緣材料中直流電樹枝的生長速率、形態特征及通道特性,利用樹枝化試驗及顯微觀察系統,在針尖半徑為5 μm、針-板電極間距為2 mm、周期性施加的間斷直流電壓下,對試樣進行了分組試驗。試驗結果顯示:電樹枝由細單枝逐漸發展為稀疏叢狀結構,樹枝通道為非導電型;電樹枝生長緩慢,生長速率不超過1.0μm/min;樹枝長度主要取決于加壓周期數及直流電壓幅值,電壓持續時間在高壓下影響增大;針極意外接地情況下,電樹枝將瞬間引發或快速生長。理論分析表明,電樹枝生長規律可以由文中所建立的非導電樹枝模型及等效電路進行合理解釋,而空間電荷效應是產生直流接地樹現象的根本原因。

交聯聚乙烯電纜絕緣;直流電樹枝;生長速率;形態特征;通道特性

交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜由于具有一系列顯著優點,近年來發展十分迅速,尤其在長距離海底電力傳輸領域,XLPE電纜幾乎是目前擠出絕緣電纜的唯一形式[1]。研究發現,對高壓、超高壓XLPE電纜,電樹枝化是導致絕緣失效的主要因素[2-3]。針對固體絕緣在交流電壓下電樹枝特性的研究開展較廣,主要涉及溫度、電壓幅值、升壓速率、頻率、殘余機械應力等對電樹枝引發概率、生長速度、結構形態等的影響,各種電樹枝通道的痕量分析,以及電樹枝劣化狀態與局部放電量的對應關系等[4-7]。直流電壓下XLPE絕緣的老化特性與交流下顯著不同,直流電樹枝引發困難,生長速度慢,這可能是導致該領域研究報道不多的原因。

近年來,對固體絕緣材料中直流電樹枝的研究包括直流樹、直流接地樹、直流電壓極性反轉樹、直流疊加沖擊樹以及直流預壓沖擊樹等,主要針對樹枝的引發特性展開,這些試驗獲得的結論包括:直流電壓下針電極處發生了同極性電荷注入,這些電荷在微秒級時間內達到穩態分布,有效改善了針極附近的極不均勻電場,使得直流樹枝引發電壓遠高于交流和沖擊,針極處的視在最大場強可達到材料本征擊穿場強的數倍[8-11]。Masahiro以低密度聚乙烯(LDPE)為對象,利用熱刺激電流法測量電荷透入針電極的深度,發現電樹枝通道的長度近似等于空間電荷的透入深度[12]。Kitani對直流接地樹的研究表明,負極性下引發的電樹枝多而細,正極性下少而粗[13]。Fujii對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中直流樹的測試顯示,低壓下正針引發電樹的分形維數為1.0,高壓下無論針極正負,電樹枝分形維數均為約1.5[14]。

目前,關于XLPE絕緣材料中直流電樹枝生長特性的報道還很少,除上述幾篇涉及電樹枝形態以外,對直流電樹枝生長速率、通道特性的研究尚屬空白,未見公開發表的資料。本文采用顯微觀察及拍照系統,詳細記錄外加周期性間斷直流電壓下XLPE電纜絕緣中電樹枝的生長過程,研究其形態變化和通道特性,重點討論電樹枝長度生長規律及其主要影響因素,并對其生長機理進行探索。

1 試 驗

1.1 試樣

110kV交流XLPE成品電纜絕緣線芯,絕緣厚度為15.5 mm,內屏蔽厚度為0.5 mm,將纜芯抽出后,切割成5 mm厚的空心圓盤或半圓試片。以人為插入的鋼針和電纜自身內半導電層構成典型針-板電極系統,制得樹枝化測試試樣。針電極表面光滑,直徑Φ=1 mm,針尖曲率半徑r=(5±1) μm,圓錐角度θ=30°,用特制模具扎入XLPE電纜絕緣試片中距平板電極(2±0.2) mm處。制樣過程采取針電極清洗及表面預涂LDPE、溫度控制、退火處理等措施,以避免針極插入后形成氣隙或殘留機械應力。試樣與電極的結構尺寸見圖1。

圖1 試樣與電極的結構與尺寸示意圖

1.2 試驗系統

試驗系統如圖2所示,試樣固定在測試容器內并浸于硅油中,防止高壓沿面閃絡并增加試樣透明度。針電極上施加高壓,平板電極接地。顯微觀察及拍照系統用于對加壓后試樣中電樹枝引發及生長特性的實時觀察和拍照記錄。透射光從試樣底部射入,可增加電樹枝圖像的清晰度,反射光用于對電樹枝通道顏色的觀察。本試驗中使用的高壓直流發生裝置最高可輸出190kV的電壓,升降壓速率為1 kV/s,并帶有自斷電保護功能,當電流過大時,控制箱將自動切斷電源。

圖2 電樹枝試驗的顯微觀察及拍照系統

1.3 試驗方案

本試驗旨在研究XLPE電纜絕緣材料中的電樹枝在直流電壓下的生長特性。為了避免引發條件不同可能導致的生長差異,試樣在統一條件(1.2/50μs,50kV單次標準雷電沖擊)下進行電樹枝引發,并在引發后集中放置兩個星期,消除殘余電荷的影響。

試探性試驗發現,當直流電壓低于50kV時,電樹枝生長極其緩慢,當電壓為70kV或以上時,電樹枝生長很快,在幾分鐘之內就會由針電極生長至對面電極而導致試樣擊穿。基于以上觀察,本試驗設置測試電壓為50kV和60kV。

在工頻電壓下試驗時,硅油液面相對靜止,可對試樣進行實時觀察和1 s間隔的定時拍照。但是,在直流電壓下,電泳效應極為顯著,硅油分子沿電場方向運動并與容器壁碰撞,導致液面劇烈晃動,無法在加壓時對試樣進行實時觀察或清晰拍照。因此,試驗中采用周期性間斷加壓的方式,在每次電壓降為0、液面平靜后對試樣進行觀察和拍照。

試驗在室溫、常壓下進行,電壓施加方式如圖3所示,電壓升高到預設值Ud并持續時間td,之后降到0并保持時間tr,此為一個加壓周期T。重復若干個加壓周期,直到設定時間,試驗終止。在每個tr時間內,對試樣進行觀察和拍照,此時試樣處于開路狀態。根據所加直流電壓的幅值及持續時間將試樣分組,如表1所示,每組3個試樣。

圖3 直流電壓的周期性間斷加壓方式示意圖

表1 試樣按照加壓方式的分組

在外加電壓作用下,記錄試樣中電樹枝的生長特性,觀察其形態變化,并測量電樹枝長度。電樹枝長度為從針尖到電樹枝尖端沿電場方向的最長距離。

2 試驗結果

2.1 直流電樹枝的形態特性

電樹枝生長過程的形態變化如圖4所示,剛引發時通常為顏色較淺、通道較細的單枝,在外加直流電壓的作用下,逐漸向縱、橫方向發展,長度及密度增加,整體呈現為稀疏叢狀,樹枝通道很細。

(a)電樹枝剛引發 (b)加壓10個周期

(c)加壓20個周期 (d)加壓30個周期

(e)加壓40個周期 (f)加壓49個周期

2.2 直流電樹枝的長度特性

按照表1中的加壓方式,在試驗終止時,各組試樣中電樹枝形態基本相同,只是在長度及密度上有所差異。以3個試樣中電樹枝長度平均值作為該組的電樹枝長度,則電樹枝長度隨累計加壓時間的變化關系如圖5所示。

圖5 各組試樣中電樹枝長度隨累計加壓時間的變化

由圖5可見,電樹枝生長均為先快后慢,在慢速生長期內,其速度基本恒定在0.2～1.0μm/min之間。在相同的加壓方式下,電壓越高,電樹枝生長越快,即C組快于A組,D組快于B組。在相同的電壓幅值下比較時,雖然B組試樣在19個周期內累計耐壓1 140min,大于A組在49個周期內累計的735 min,其電樹枝長度反而較短,類似的有D組小于C組。這說明決定電樹枝生長速率的因素除直流電壓幅值外,加壓周期數也是一個重要因素。

以加壓周期數為變量時,電樹枝長度的變化規律如圖6所示,電樹枝長度隨加壓周期數單調增加。在相同周期數的外加電壓下,50kV下的A、B兩組試樣中電樹枝長度接近,60kV下電樹枝生長速度顯著高于50kV,且D組試樣電樹枝生長快于C組。

2.3 直流電樹枝的通道特性

根據文獻[15-16]的研究結果:導電型電樹枝通道內存在導電性碳化物質,故在反射光下觀察時,電樹枝通道呈黑色;非導電型電樹枝通道由于沒有或者僅有少量的導電性物質,在反射光下呈白色。本試驗所得電樹枝的反射光照片如圖7所示,電樹枝通道為白色,屬于非導電樹。

圖6 各組試樣中電樹枝長度隨加壓周期數的變化

圖7 直流電樹枝的反射光照片

3 直流電樹枝的生長機理分析

3.1 電樹枝引發

在本文試驗條件下,雷電沖擊50%的電樹枝引發電壓為35 kV,而持續10h的70kV和-60kV直流電壓,以及累計加壓時間達10h的70kV間斷直流電壓,均未能在試樣中引發電樹枝。

不考慮空間電荷,利用Mason公式對35 kV電壓下針尖處視在最大場強Emax進行估算,如下所示

(1)

式中:U為外加電壓,35 kV;r為針尖曲率半徑,5 μm;d為針-板電極間距,2 mm。由此確定的針電極尖端視在場強最大值約為1.9×106V/mm,這與文獻中相同條件下2×106V/mm的試驗數據基本一致[17]。

文獻[18-19]顯示,XLPE絕緣材料的本征擊穿場強約為5×105V/mm。本試驗中,35 kV雷電沖擊電壓下1.9×106V/mm的電樹枝引發場強接近該值的4倍,而70kV直流電壓在針尖處形成的場強理論上比這還要高,但仍未觀察到電樹枝引發的現象。

XLPE材料中發生空間電荷注入的臨界場強為1×105V/mm[20-21]。本文中沖擊和直流電壓在針尖處所產生的場強均顯著高于1×105V/mm,因此可以推測,針尖電極處必然發生了電荷注入,這些注入的同極性電荷逐漸遠離電極,在針尖前端的介質中入陷并達到穩態分布,極大地改善了不均勻電場,使電樹枝起始電壓大大提高。在本文試驗條件下,進行電樹枝引發需要施加35 kV雷電沖擊電壓,而相同條件下,9 kV交流電壓即足以在試樣中引發電樹枝[6,16]。

空間電荷的累積與分布是需要時間的,文獻[8]顯示,該空間電荷形成過程所需要的時間約為30～80μs。對上升速率為1 kV/s的直流電壓,有足夠的時間形成空間電荷,繼而能最大程度地均勻針尖周圍的電場。然而,對1.2 μs上升沿的雷電沖擊電壓,因為電壓上升快,注入電荷來不及遠離電極并達到穩態分布,在極不均勻場中,空間電荷使電場均勻化的程度較直流電壓下的低,這就是雷電沖擊下電樹枝能在35 kV引發,而直流下70kV仍不能引發的原因。

3.2 電樹枝生長

文獻[22]研究指出,電樹枝生長總是比引發容易,這是由于缺陷尖端所產生的空洞在沿電場方向必須達到一個最小長度,以維持足夠能量的局部放電,使樹枝向前發展。本試驗中,在外加70kV直流電壓下,不能引發電樹枝,但已引發的電樹枝卻能在幾分鐘內就生長至對面電極,擊穿試樣。

經驗定性法是根據區域的地貌特征、氣候差異特點、水資源分布狀況等客觀存在的區域表現，主要考慮的是自然因素，常用來進行高級分區。本研究在用該方法時，主要考慮上述干旱分區指標體系中的地貌、降雨量和受災率等3個自然因素，同時兼顧流域內干旱指數的因素，由于海拔較高的山區和丘陵區蓄水能力較弱，降雨量可能不能準確地反映當地的干旱程度，因此在這些地區以受災率指標為主，降雨量指標為輔，而在海拔較低的丘陵和平原地區則以降雨量因素為主，受災率指標為輔助指標，最后完成區域的一級干旱分區。

直流電壓下的電樹枝通道是非導電型的,其生長特性可以利用介質內部的局部放電機理來解釋,將樹枝通道看作充滿氣體的小氣隙,如圖8a所示,圖中E及箭頭給出了介質中的電場及其方向。模型的等效電路如圖8b所示,其中ua為外加電壓,Cc、Rc為通道氣隙的等效電容和電阻,Cb、Rb為與氣隙串聯部分介質的等效電容和電阻。

氣隙兩端的電壓uc(t)在開始升壓時按電容分配,有uc(0)=uaCb/(Cb+Cc),當達到穩定狀態時按電阻分配,有uc(∞)=uaRc/(Rb+Rc)。由于uc(∞)大于uc(0),所以uc(t)隨著時間t是逐漸上升的。

(a)電樹枝模型 (b)等效電路

在升壓階段,氣隙兩端的電壓uc(t)隨著外加電壓的升高而線性上升,一旦uc(t)達到氣隙的擊穿電壓uCB,氣隙中將發生放電,使大量中性氣體分子電離,由此形成的空間電荷在外加電場作用下遷移到氣隙壁上,形成與外加電壓方向相反的內部電壓-Δuc,氣隙上的實際電壓變為ur(ur=uCB-Δuc),于是放電暫停。氣隙上的電壓又隨外加電壓而上升,直到再次達到uCB,出現第二次放電。兩次放電的時間間隔估算如下。

uCB=uc(∞)-[uc(∞)-ur]e-tB/τ

(2)

通常情況下uc(∞)?ur,在uc(∞)?uCB條件下,由式(2)可推出

(3)

外加電壓ua升高(對應的uc(∞)增大),氣隙的擊穿電壓uCB降低,都會使放電的時間間隔tB減小,放電重復率增加。另外,所有影響時間常數τ的因素都會影響放電重復率,如電壓升高、溫度升高都會使材料電導率增加,τ變小,放電重復率增加。

由于在試樣上施加的直流電壓非常高,因此升壓過程就會發生多次放電。假定放電產生的電荷不泄漏,當放電n次后,如果滿足uc(∞)-nΔuc

本試驗中,直流電壓下電樹枝的生長動力主要來自于通道中發生的放電。由圖6可見,50kV下兩組試樣雖然每周期內承受電壓的時間不同,但在加壓19個周期時電樹枝長度基本相等,表明放電主要在升、降壓過程中發生,而在電壓持續時間內幾乎沒有或僅有微弱放電。60kV下兩組試樣的電樹枝明顯長于50kV的,這是由于更高的電壓導致了更多、更強烈的放電,促進了電樹枝的向前生長。一方面,在60kV電壓下,由于高電壓、局部溫升使材料電導率增加,時間常數τ減小,放電重復率增加,同時高電壓下試樣對電荷的吸收、電荷的耗散及電荷沿氣隙通道的復合變得更強,使得電荷更容易泄漏。因此,在電壓達到穩態后仍會發生放電,且每周期內電壓持續的時間越長放電次數越多,這是D組試樣中電樹枝比C組長的原因。

目前,局部放電測試已經被成功應用于交流電樹枝特性的研究,為探索其引發及生長機理提供了大量有用信息[6,16]。由于直流電樹枝試驗要求的精度更高,以及數據采集及處理模式的差異,現有交流局部放電測試系統不能直接用于直流電壓下的測量,相關研究工作已在進行。

3.3 電樹枝擊穿

在電樹枝試驗中,由于硅油中漂浮的纖維擊穿引發試驗用變壓器保護動作而瞬間接地,將會使完好試樣針電極尖端瞬間引發出細長的電樹枝,而已有的電樹枝則會迅速生長,甚至貫穿兩電極導致試樣擊穿。由此產生的電樹枝引發及樹枝擊穿通道如圖9所示。

(a)電樹枝引發 (b)電樹枝擊穿

這種瞬間接地造成的電樹枝生長速度遠高于正常情況,其原因可能是在外加直流電壓下,試樣中積累了大量的空間電荷,這些電荷引起材料內部電場畸變,局部電場可達原外加電場的數倍[23]。在發生針極突然接地時,電荷瞬間釋放產生大量的電機械能量,使得XLPE材料中分子鏈斷裂,引發電樹枝,并使已有的電樹枝通道快速向對面電極發展,電樹枝形態為細長的單枝,側枝很少。在電樹枝通道生長至對面電極后,瞬間有大電流從中通過,嚴重的燒蝕效應使得擊穿通道中碳化程度很高,通道壁表面光滑,并有大量氣體和碳化顆粒析出。

文獻[24]對PMMA的試驗發現,電子束輻照過程雖然在試樣中引入了大量空間電荷,但并沒有對樣品造成明顯破壞。當陷阱電荷在接地針尖的刺激下被誘發脫陷時,樣品中呈現出樹枝狀的破壞痕跡,即空間電荷脫陷導致的樹枝引發。文獻[9,13]所進行的直流接地樹研究均證明直流電壓下針電極處發生了電荷注入,以及電荷快速釋放將導致的材料破壞。本試驗中針極意外接地所產生的電樹枝引發及擊穿現象與上述試驗結果一致,顯示了空間電荷對直流電壓下的材料破壞作用。

4 結 論

本文利用自行搭建的電樹枝化試驗系統,在間斷施加的直流電壓下,對XLPE電纜絕緣材料中的電樹枝進行觀察,獲得了電樹枝生長不同階段的清晰照片,確定了其結構特征和通道特性。研究表面,電樹枝生長的主要動力是通道中發生的局部放電,因此電壓變換將促進直流電樹枝的生長,極性反轉對于直流XLPE絕緣更是一項嚴酷考驗。材料中發生的電荷注入現象,導致了直流接地樹的快速引發和生長,顯示瞬間接地對直流絕緣具有致命性的破壞作用。

本文對直流電樹枝生長特性的觀察及其生長機理的分析,為高壓直流XLPE電纜絕緣的破壞機理研究提供了重要的理論支持。

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(編輯 杜秀杰)

GrowthCharacteristicsofElectricalTreesinXLPECableInsulationunderDCVoltage

LIU Ying,CAO Xiaolong

(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The growth, shape and channel characteristics of electrical trees in XLPE cable insulation under DC voltages are investigated by combination of treeing test with microscopic observation system.In the experiment, the tip radius of the needle electrode is taken as 5 μm, the pin-plane distance as 2 mm, and the intermittent DC voltages are applied on grouped samples periodically.The experiments show that the electrical trees develop gradually from a single slender branch to a sparse bush-like structure, and the tree channels are non-conductive.The trees grow very slowly, with a growth rate no more than 1.0μm/min.The tree length increases with the increasing number of cycles and amplitude of DC voltage, and it is also proportional to the voltage duration in each cycle at 60kV.Under the condition of an unexpected grounding of the needle electrode, a new tree initiates instantly from the needle tip, while an existing tree grow very rapidly.The tree growth pattern can be theoretically explained by the equivalent circuit according to a non-conductive tree model, and the space charge effect is the essential reason for grounded DC tree.

XLPE cable insulation; DC electrical tree; growth rate; shape feature; channel characteristics

2013-08-13。

劉英(1976—),女,博士,講師;曹曉瓏(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(51307131)。

時間:2013-12-25

10.7652/xjtuxb201404008

TM215.1;TM247

:A

:0253-987X(2014)04-0041-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131225.1701.001.html