無機納米顆粒抑制中壓電纜終端氣隙缺陷局部放電的有效性

周 凱 吳 科 萬 利 楊 滴 楊明亮

?

無機納米顆粒抑制中壓電纜終端氣隙缺陷局部放電的有效性

周 凱 吳 科 萬 利 楊 滴 楊明亮

（四川大學電氣信息學院 成都 610065）

針對中壓電纜終端氣隙缺陷中的局部放電（PD）導致終端絕緣迅速劣化的問題，提出了一種在氣隙缺陷處填充TiO2復合涂料抑制終端PD的方法，從終端PD特征及缺陷表面的微觀形貌特征兩方面研究了TiO2復合涂料填充對缺陷處絕緣的影響。通過在10kV電纜終端中設計典型的氣隙缺陷，并在缺陷處填充復合涂料進行電熱老化對比試驗，測試分析了不同老化時刻下終端的PD特征，并對老化后期缺陷的表面形貌特征進行分析。通過建立氣隙缺陷的有限元模型，結合電場仿真進一步闡述復合涂料填充對終端PD及缺陷表面形貌特征的影響機制。研究結果表明：填充TiO2復合涂料后終端PD放電能量得到大幅減小，隨著老化時間的增加，終端放電重復率及放電相位分布差異較小；氣隙缺陷表面較平整，填充后團聚物中碳含量降低了31%，驗證了氣隙缺陷處填充TiO2復合涂料可以抑制終端PD發展，并減緩終端絕緣的劣化。

電纜終端 氣隙缺陷 局部放電 復合涂料 放電能量

0 引言

電纜終端是電纜線路運行過程中的薄弱環節和故障多發部位。電纜線路運行故障統計數據表明，不計及外力破壞原因，中壓電纜由于安裝工藝導致的終端絕緣故障頻發[1-3]。電纜終端安裝過程中，外半導電層普遍采用刀具進行剖切剝離，由于刀具進刀深度不易控制，在實際剝離過程中往往會在主絕緣表面留下氣隙缺陷[3,4]。終端氣隙缺陷會引起氣隙缺陷內部電場畸變，畸變電場在短時間內不會對主絕緣造成損傷甚至往往能順利通過交接試驗。然而，隨著電纜終端投入運行時間的增加，氣隙缺陷處畸變電場導致的局部放電（Partial Discharge, PD）將加速終端絕緣有機物的劣化，最終導致絕緣擊穿。如能在中壓電纜終端安裝過程中通過改進安裝工藝，及時處理氣隙缺陷，抑制缺陷處PD發展，對于避免終端絕緣故障具有重要意義。

已有研究表明，將無機納米顆粒（MgO、Al2O3和SiO2等）作為填料添加到普通絕緣聚合物中對其進行改性，能夠表現出許多明顯區別于普通聚合物的特殊性能，特別是在介電[5,6]（如空間電荷駐留、擊穿性能及耐電壓能力等）、機械、導熱等方面性能[7,8]。此外，無機納米顆粒的粒徑及填充質量百分數[9,10]將直接影響納米復合電介質的介電性能[11,12]。然而已有的研究成果主要針對普通聚合物進行無機納米顆粒填充改性，并未涉及對中壓電纜終端絕緣結構中常有的氣隙缺陷進行無機納米復合涂料填充以改善終端PD特性的研究報道。利用TiO2復合涂料填充終端氣隙缺陷，改善終端氣隙缺陷處電場分布，抑制PD對有機絕緣材料的燒蝕破壞，可能有助于減少電纜終端屢屢發生的絕緣故障。

本文通過在10kV電纜終端氣隙缺陷處填充TiO2復合涂料，研究電纜終端在電-熱老化協同作用下的PD特征及缺陷表面形貌特征。最后，建立氣隙缺陷的有限元模型，結合電場仿真進一步闡述復合涂料填充對電纜終端局部放電的影響規律。

1 樣本及試驗

1.1 試樣制備

選取8.7/10kV交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜為試驗電纜，按終端安裝步驟制備試樣：①截取50～55cm長的電纜制作樣本，兩端各剝除15cm的外半導電層；②以終端主絕緣上的氣隙缺陷為研究對象，使用刀具自外半導電層截斷處沿電纜軸向制作長、寬、深分別為10cm、0.1mm和1mm的氣隙缺陷[3]；③無機TiO2與無水乙醇及硅烷偶聯劑配制成TiO2復合涂料（乙醇與偶聯劑分別保證TiO2的分布均勻性和涂料粘接性），通過注射器將TiO2復合涂料填充到氣隙缺陷處，如圖1所示，待乙醇蒸發后，重復填充過程直至氣隙缺陷填充平整，作為試驗終端（編號A1），另一組終端不作涂料填充處理的作為對照樣（編號A2）；④在主絕緣表面涂抹硅脂并加裝熱縮管，將外半導電層通過銅帶接地。終端及缺陷剖面結構如圖2所示。

圖1 氣隙缺陷處填充TiO2復合涂料

圖2 氣隙缺陷剖面及電纜終端結構

1.2 老化試驗和局部放電檢測

電纜終端通過電纜附件電熱老化平臺模擬真實運行工況[3,13]，電熱老化平臺接線如圖3所示。結合纜芯截面的通流能力，通過電流互感器及調壓設備在老化回路中引入320A的工作電流來模擬實際工頻負荷，同時通過試驗變壓器和限流電阻引入0～50kV工頻電壓。

圖3 電熱老化平臺與局部放電檢測接線

將羅氏線圈傳感器安裝在終端接地線上進行PD檢測[3]。為減小PD檢測過程中來自設備及接線端子等的影響，PD檢測時需將老化回路斷開，單獨提取A1、A2終端的PD參數。隨后恢復試驗回路繼續老化，循環進行終端的電熱老化與PD檢測試驗。

1.3 掃描電鏡觀測和X射線能量色散譜

為分析氣隙缺陷處填充TiO2復合涂料后，通過電熱老化氣隙缺陷的表面形貌及納米TiO2顆粒分布形態，從微觀角度闡述填充TiO2復合涂料對于電纜終端PD特征的影響。使用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分別對A1、A2終端試樣切片進行觀察。試樣經液氮淬斷處理，獲得整齊的氣隙缺陷斷面，并在試樣斷面噴涂一層金膜增加表面電導率，降低試樣表面電荷積累造成的影響。此外，在SEM觀測的基礎上，通過能譜分析儀（Energy Diffraction Spectrum，EDS）對測試區域的元素成分及質量組分進行定性、定量分析。

2 試驗結果

2.1 PD檢測結果

PD是評估電纜終端絕緣狀態的重要參數。在電纜附件電熱老化平臺上對A1、A2試驗終端進行約50h的電熱老化后檢測到PD信號，待老化至300h時，A1、A2試驗終端都表現出更加明顯的PD特征。由于在老化過程中50h和300h的測試數據特征差異較顯著，為便于對比分析，以下對終端老化50h和300h時的測試數據進行討論。

由于PD隨機性較強，通過統計的方式研究終端氣隙的放電特點，繪制終端電熱老化50h和300h后的PD統計結果分別如圖4和圖5所示。老化50h時A1終端放電統計如圖4a所示，可以發現Ⅰ象限放電幅值小，散點區域分布較寬；Ⅲ象限放電幅值較大，散點區域呈“△”且面積明顯增長；Ⅰ、Ⅲ象限放電重復率較高。正、負半周PD放電相位分布廣泛且放電極不對稱，經過校準，其平均放電量集中在5～10pC。A2終端放電統計如圖4b所示，Ⅰ象限放電幅值較小，散點區域分布較窄；Ⅲ象限放電幅值大，散點區域呈“□”；Ⅰ、Ⅲ象限放電重復率較低。正、負半周PD放電相位分布較窄，平均放電量集中在100～250pC。老化300h時，A1、A2終端放電統計分別如圖5a和圖5b所示，與老化50h時相比，A1、A2終端的PD強度均增加。其中，A1終端從20mV增長至100mV，平均放電量集中在50～150pC；A2終端從100mV增長至300mV，平均放電量集中在250～500pC。A2終端放電重復率較A1終端增長更迅速，正、負半周的放電呈現極不對稱性。

（a）A1終端(填充)

（b）A2終端（未填充）

圖4 終端老化50h的PD譜圖

Fig.4 PD spectrograms of cable termination after aging for 50 hours

（a）A1終端（填充）

（b）A2終端(未填充)

圖5 終端老化300h的PD譜圖

Fig.5 PD spectrograms of cable termination after aging for 300 hours

A1、A2終端老化50h、300h時放電特征參數分別見表1和表2，氣隙缺陷填充TiO2復合涂料的A1終端PD放電能量明顯低于A2終端，說明復合涂料可抑制氣隙缺陷PD。由于PD的燒蝕作用會改變氣隙缺陷表面形貌，而表面形貌特征又影響氣隙缺陷處PD。為此，對A1、A2終端氣隙缺陷的表面形貌特征作進一步測試分析。

表1 終端老化50h放電特征參數

Tab.1 Discharge characteristic parameters of the termination after aging for 50 hours

表2 終端老化300h放電特征參數

Tab.2 Discharge characteristic parameters of the termination after aging for 300 hours

2.2 掃描電鏡及能譜分析結果

將A1、A2試驗終端試樣進行切片，觀察氣隙缺陷位置的表面形貌，研究老化過程中PD對缺陷表面的燒蝕。選取放大40倍對缺陷表面總體情況進行觀察，再選取放大500倍進行局部細節觀察。放大40倍A1終端氣隙表面如圖6a所示，氣隙缺陷表面整體較平整，局部區域可以觀察到團聚物凸起。將圖6a所示矩形區域在放大500倍下觀察，如圖6b所示，可以發現氣隙缺陷表面團聚物凸起分布散亂，大小不一。A2終端氣隙表面放大40倍如圖7a所示，氣隙缺陷表面較粗糙，可以觀察到明顯的通道痕跡。將圖7a所示矩形區域在放大500倍下觀察，如圖7b所示，可以觀察到氣隙缺陷表面散落著大量顆粒物，顆粒物形態較統一，分布較均勻，顆粒表面圓潤光滑。進一步通過EDS分析A1、A2終端兩個試樣斷面上形態特征并不統一的團聚物及顆粒物元素構成，能譜分析結果見表3。從表3可以發現，團聚物主要為一些含Ti元素的顆粒，這與A1終端氣隙缺陷處填充了TiO2復合涂料吻合，推測這些為納米TiO2團聚顆粒；A1終端氣隙缺陷表面的團聚物中C元素質量占28.73%，A2端氣隙缺陷表面的碳化顆粒中C元素質量占59.3%，可見終端氣隙缺陷處TiO2復合涂料填充能有效降低PD對氣隙缺陷表面的燒蝕損傷，減緩終端絕緣劣化。

（a）放大40倍

（b）放大500倍

圖6 掃描電鏡下A1終端氣隙表面形態

Fig.6 Morphology of the air gap surface in cable termination A1observed by SEM

（a）放大40倍

（b）放大500倍

圖7 掃描電鏡下A2終端氣隙表面形態

Fig.7 Morphology of the air gap surface in cable termination of A2observed by SEM

表3 顆粒物主要元素能譜分析結果

Tab.3 EDS analysis results of the particles

A1終端缺陷表面經PD燒蝕后較平整，等面積區域內碳質量百分比明顯低于A2終端，PD對缺陷表面有機物燒蝕較輕。為避免偶然性，在35kV終端上進行了相同試驗并得到了類似結果。兩種電壓等級的終端是否填充涂料表現出的明顯差異主要與缺陷處PD特征有關，造成PD差異的原因在于缺陷處的電場分布及納米TiO2特殊性質。為此，建立電纜終端氣隙缺陷有限元模型，結合缺陷處電場分布特征及TiO2特殊性質進一步闡述終端氣隙缺陷處TiO2復合涂料填充對終端PD的影響機制。

3 結果分析

3.1 電場特征

氣隙缺陷處電場畸變使終端發生PD，導致終端絕緣迅速劣化，影響氣隙缺陷處場強的兩個重要因素是：①外施電場0；②氣隙缺陷內部的表面電荷積累構成的反向電場p[14,15]。氣隙內部電場構成如圖8所示，合成電場t＝0-p。

圖8 氣隙內部電場

針對氣隙缺陷處電場分布影響終端PD問題，依據10kV電纜終端實際參數建立如圖9所示的終端氣隙缺陷截面的有限元模型。為簡化分析，A1終端氣隙缺陷處填充介質設置為TiO2復合涂料，A2終端缺陷處填充介質設置為空氣。沿圖9b中虛線箭頭方向計算終端氣隙缺陷處的電場。仿真計算中，設空氣1=1、TiO2復合涂料2=10、XLPE主絕緣3=2.25，熱縮管4=2.8，A1、A2終端氣隙缺陷處的徑向電場分布如圖10所示。

（a）電纜終端剖面圖??（b）氣隙缺陷

圖10 氣隙缺陷處電場分布

圖10中，A1終端氣隙缺陷處填充TiO2復合涂料后氣隙缺陷處電場強度明顯下降，缺陷處周圍主絕緣電場雖有增強但其強度仍然較小，遠低于XLPE的擊穿場強。由于僅在終端氣隙缺陷處填充了TiO2復合涂料，而未對終端其余部分進行填充，涂料的填充將對缺陷處局部區域電場分布造成影響。而對于電纜終端整體而言，這種小尺寸氣隙缺陷TiO2復合涂料的填充對電纜終端電場的影響可以忽略，不會影響終端的正常運行。

反向電場p與氣隙缺陷表面電荷耗散速度有關，而氣隙缺陷的表面電導率s直接影響缺陷表面電荷耗散速度，s越大，電荷耗散速度越快，反向電場p則越弱[16-18]。結合圖6和圖7可以發現，A1、A2終端在老化300h時氣隙缺陷表面形態及結構因受PD燒蝕存在顯著差異，進而影響氣隙缺陷的表面電導率[19,20]。

為測試終端老化50h、300h時氣隙缺陷的s，以XLPE薄片為研究對象，通過在圖3中引入電極系統構成表面放電老化試驗平臺，電極系統包括柱電極、環氧樹脂板及接地電極。柱電極使用不銹鋼材料制作，直徑為5cm，邊緣曲率半徑1mm，接地電極為直徑10cm的銅板，XLPE薄片厚度為2mm。老化試驗前先用無水乙醇清洗薄片表面，并將薄片置入烘箱中烘干。薄片表面一組噴涂TiO2復合涂料，另一組清洗后不作任何處理的作為對照試樣。對XLPE薄片進行老化，放電區域及表面燒蝕區域如圖11所示。借助ZC36型高阻計對燒蝕區域的s進行測試，測試結果見表4。

圖11 試樣放電區域及燒蝕區域

表4 不同老化時刻下氣隙缺陷的表面電導率

Tab.4 Surface conductivity of the specimens at different aging time

表4中，A1、A2終端老化300h時氣隙缺陷的s較老化50h時得到顯著提高，缺陷表面電荷耗散加快，進一步削弱反向電場p。因此，老化300h時A1、A2終端氣隙缺陷處的合成電場t幅值更大，終端放電幅值進一步提高，這與實際的PD測試結果相吻合。

3.2 局部放電特征

圖8中，氣隙缺陷表面電荷在電場切向分量及電荷間相互作用下沿氣隙缺陷表面進行耗散，s越大，電荷耗散越快[19]。此外，異號電荷相互中和，會進一步減少缺陷表面電荷數量。

在納米TiO2顆粒與XLPE的界面作用下，納米粒子與高聚物構成的界面形成大量的淺陷阱[14,21,22]。影響PD的兩個重要因素：①電荷的駐留效應；②初始電子發射的難易程度，初始電子發射與陷阱的能級有關，陷阱能級越淺，電子越容易脫陷[14,22]。由于A1終端淺陷阱數量較多，初始電子較A2終端更易發射，從而導致A1終端放電重復率明顯高于A2終端。另外，無機納米TiO2耐PD燒蝕，納米粒子與聚合物構成的界面陷阱數量在終端老化300h時增加不明顯。表4中，A1終端氣隙缺陷的s在老化300h時得到明顯提高，降低了氣隙的表面電荷數量及反向電場強度p，增強了合成電場t，放電幅值進一步提高。這與圖4a、圖5a相吻合，即A1終端老化50h時PD譜圖表現出的放電重復率高、放電幅值小以及放電相位分布較廣；老化300h時，放電重復率和放電幅值得到進一步提高。

A2終端老化300h時放電重復率明顯提高，主要原因在于XLPE在PD燒蝕作用下發生降解和炭化，使缺陷表面淺陷阱數量增加，初始電子更易發射[21]。結合表4可以發現，表面放電老化試驗進行300h時，A2終端氣隙缺陷的s提高了3個數量級，從而導致缺陷表面電荷的耗散更加迅速與合成電場t的進一步增強，這與圖5b中A2終端放電重復率、放電幅值在終端老化300h時得到進一步提高的發展趨勢相吻合。

結合圖4和圖5可以發現，電纜終端在不同老化時刻下正、負半波的放電極不對稱。其原因在于氣隙缺陷位置靠近終端半導電層截斷處，接近地電位，當外施工頻電壓位于負半周時，初始電子更易獲取，負半波更容易產生放電。因此放電在正半波放電量大，放電次數少；負半波放電量小，放電次數多。此外，放電過程中，氣隙處絕緣燒蝕導致的結構與參數變化，使氣隙處的放電比較復雜，除了內部放電，在氣隙處仍然存在其他形式的放電，如沿氣隙內壁的表面放電和幅值較大的單極性放電，進一步增加了放電在正負半波的不對稱性[23]。

電纜終端氣隙缺陷處TiO2復合涂料的填充不僅對氣隙缺陷進行了填充修補，同時也改善了由于缺陷造成的電纜終端絕緣結構的不對稱性。此外，TiO2在氣隙缺陷表面形成一層無機保護層，能有效阻擋PD產生的帶電粒子及高能輻射線對有機物層的破壞，有利于電纜的長期運行[24,25]。

3.3 缺陷表面形貌特征

結合圖6和圖7可以發現，A1、A2終端氣隙缺陷表面形貌特征存在顯著差異。A1終端缺陷表面燒蝕程度明顯低于A2終端，其主要原因在于偶聯劑的引入使TiO2復合涂料與主絕緣之間具有一定的粘接性，納米級的TiO2因其特殊的表面效應，吸附能力強，有效消除了主絕緣與TiO2復合涂料之間的間隙，缺陷表面的無機TiO2能有效吸收高能射線（如紫外線）的能量，將高能射線阻擋在無機層之外，放電過程產生的高能粒子在撞擊納米TiO2粒子時，大部分能量耗散在與納米TiO2粒子碰撞的過程 中[24,25]。另外，無機TiO2的引入增加了氣隙缺陷的表面電導率，使氣隙表面電荷不容易累積，減小了反向電場的強度和放電量，這說明氣隙缺陷處TiO2復合涂料的填充有改善電場的作用。

A2終端缺陷表面受到嚴重燒蝕的原因在于高能粒子、紫外線和化學氧化等直接作用于XLPE材料。隨著放電燒蝕的進行，缺陷表面XLPE被逐漸炭化，表面的碳顆粒數量多并且分布也比較均勻，從而導致缺陷的s增加，這與表4的測試結果相 吻合。

由表3可以發現，終端填充TiO2復合涂料后，在氣隙缺陷表面等面積區域內碳元素質量含量由59.30%下降到28.73%，降低顯著。表明在電纜終端氣隙缺陷處填充TiO2復合涂料能夠有效抑制終端氣隙處PD對XLPE的燒蝕損傷，減緩終端絕緣的劣化速度。

4 結論

本文將有機-無機TiO2復合電介質涂料填充到電纜終端氣隙缺陷處，利用電纜附件電熱老化與檢測分析平臺對終端PD特征及氣隙缺陷表面形貌特征進行分析，結論如下。

1）在氣隙缺陷處填充TiO2復合涂料能有效降低終端放電幅值，放電重復率隨終端老化試驗的進行差異較小。

2）無機納米TiO2在終端氣隙缺陷表面發生團聚并形成無機保護層，不僅加速了缺陷表面電荷耗散，而且能有效阻止PD對XLPE的燒蝕損傷。

3）在電纜終端氣隙缺陷處填充TiO2復合涂料能有效降低電纜終端的PD放電能量，減緩終端絕緣有機物的劣化速度。

參考文獻：

[1] 高鵬路, 胡岳, 劉斌, 等. 傳感器并聯型局部放電監測與定位方法[J]. 電工技術學報, 2014, 29(2): 226-230.

Gao Penglu, Hu Yue, Liu Bin, et al. Partial discharge monitoring and locating in substation using multiple sensors in parallel[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2014, 29(2): 226-230.

[2] 楊志超, 范立新, 楊成順, 等. 基于GK模糊聚類和LS-SVC的GIS局部放電類型識別[J]. 電力系統保護與控制, 2014, 42(20): 38-45.

Yang Zhichao, Fan Lixin, Yang Chengshun, et al. Identification of partial discharge in gas insulated switchgears on GK fuzzy clustering & LS-SVM[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(20): 38-45.

[3] 周凱, 李旭濤, 黃華勇, 等. 電纜終端安裝刀痕缺陷的局部放電特性分析[J]. 電力系統保護與控制, 2013, 41(10): 104-110.

Zhou Kai, Li Xutao, Huang Huayong, et al. Analisis of partial discharge characteristics for installing cutting defects in cable termiantions[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(10): 104-110.

[4] 律方成, 金虎, 王子建, 等. 基于組合核多特征融合的GIS局部放電檢測與識別[J]. 電工技術學報, 2014, 29(10): 334-340.

Lü Fangcheng, Jin Hu, Wang Zijian, et al. GIS partial discharge detection and recognition based on the kernel combination and multiple feature fusion method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(10): 334-340.

[5] Takada T, Hayase Y, Tanaka Y. Space charge trapping in electrical potential well caused by permanent and induced dipoles for LDPE/MgO nanocomposite[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, 15(1): 152-160.

[6] Smith R C, Liang C, Landry M, et al. The mechanisms leading to the useful electrical properties of polymer nanodielectrics[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, 15(1): 187-196.

[7] Danikas M G, Tanaka T. Nanocomposites-a review of electrical treeing and breakdown[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2009, 25(4): 19-25.

[8] 黨智敏, 王海燕, 彭勃, 等. 高介電常數的聚合物基納米復合電介質材料[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(15): 100-104.

Dang Zhimin, Wang Haiyan, Peng Bo, et al. Polymer-based nanocomposite dielectric materials with high dielectric constant[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(15): 100-104.

[9] 蘭莉, 吳建東, 紀哲強, 等. 納米SiO2/低密度聚乙烯復合介質的擊穿特性[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(13): 138-143.

Lan Li, Wu Jiandong, Ji Zheqiang, et al. Breakdown properties of Nano-SiO2/LDPE composite[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2012, 32(13): 138-143.

[10] 吳建東, 蘭莉, 尹毅, 等. 納米顆粒填充對LDPE/ silica納米復合介質閾值電場的影響[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(22): 201-206.

Wu Jiandong, Lan Li, Yin Yi, et al. Influence of nano-filler on high field threshold property in LDPE/silica nanocomposites[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(22): 201-206.

[11] Calebrese C, Hui L, Schadler L S, et al. A review on the importance of nanocomposite processing to enhance electrical insulation[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2011, 18(4): 938-945.

[12] 雷清泉, 范勇, 王暄. 納米高聚物復合材料的結構特性、應用和發展趨勢及其思考[J]. 電工技術學報, 2006, 21(2): 1-7.

Lei Qingquan, Fan Yong, Wang Xuan. Structure property applications and developing trends of polymer nanocomposites[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006, 21(2): 1-7.

[13] 魏云冰, 王東暉, 韓立峰, 等. 一種基于MIA的油浸式變壓器放電性故障定位新方法[J]. 電力系統保護與控制, 2015, 43(21):41-47.

Wei Yunbing, Wang Donghui, Han Lifeng, et al. A novel method for discharging fault diagnosis and location of oil-immersed power transformers based on MIA[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(21): 41-47.

[14] Niemeyer L. A generalized approach to partial dis- charge modeling[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, 2(4): 510-528.

[15] McAllister I W. Decay of charge deposited on the wall of gaseous void[J]. IEEE Transactions on Elec- trical Insulation, 1992, 27(6): 1202-1207.

[16] Fabiani D, Montanari G C, Cavallini A, et al. Relation between space charge accumulation and partial discharge activity in enameled wires under PWM-like voltage waveforms[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2004, 11(3): 393-405.

[17] Cavallini A, Ciani R, Conti M, et al. Modeling memory phenomena for partial discharge processes in insulation cavities[C]//IEEE Conference on Annual Report, Electrical Insulation and Dielectric Pheno- mena, 2003: 723-727.

[18] Zhou K, Wan L, Li X. Aging characteristics of inter-turn insulation of form-wound stator windings of inverter-fed AC motors[J]. Electric Power Com- ponents and Systems, 2013, 41(13): 1280-1293.

[19] 廖瑞金, 嚴家明, 楊麗君, 等. 油浸絕緣紙損傷與局部放電相位分布模式演化的關系[J]. 電工技術學報, 2011, 26(6): 199-206.

Liao Ruijin, Yan Jiaming, Yang Lijun, et al. Relationship between damage of oil-immersed paper and evolution of phase-resolved partial discharge patterns[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(6): 199-206.

[20] 羅楊, 吳廣寧, 劉繼午, 等. 局部放電作用對變頻電機匝間納米復合絕緣的損傷機理研究[J]. 電工技術學報, 2014, 29(6): 303-310.

Luo Yang, Wu Guangning, Liu Jiwu, et al. Study on PD damage mechanism of nano-composite used as turn insulation in inverter-fed traction motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 303-310.

[21] Lewis T J. Nanometric dielectrics[J]. IEEE Transa- ctions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1994, 1(2): 812-825.

[22] 王霞, 陳少卿, 成霞, 等. 電聲脈沖法測量聚合物絕緣表面陷阱能級分布[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(1): 127-132.

Wang Xia, Chen Shaoqing, Cheng Xia, et al. Measuring energy distribution of surface trap in polymer insulation by pea method[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(1): 127-132.

[23] 萬利, 周凱, 李旭濤, 等. 以電場特征理解電纜終端氣隙的局部放電發展機理[J]. 高電壓技術, 2014, 40(12): 3709-3716.

Wan Li, Zhou Kai, Li Xutao, et al. Toward understanding development mechanism of partial discharge in air gap defects in cable termination by analysis of electric field characteristics[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(12): 3709-3716.

[24] 周凱, 陶霰韜, 趙威, 等. 在水樹通道內生成納米TiO2的電纜修復方法及其絕緣增強機制研究[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(7): 202-210.

Zhou Kai, Tao Xiantao, Zhao Wei, et al. A cable rejuvenation method based on formation of nano- TiO2inside water tree and its insulation enhancement mechanism[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(7): 202-210.

[25] 楊明亮, 周凱, 吳科, 等. 基于納米SiO2復合填充的交聯聚乙烯電纜水樹修復新技術[J]. 電工技術學報, 2015, 30(14):481-487.

Yang Mingliang, Zhou Kai, Wu Ke, et al. A new rejuvenation technology based on formation of nano-SiO2composite fillers for water tree aged XLPE cables[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 481-487.

Validity of Inorganic Nano-Particles on the Suppression of Partial Discharge in Air Gap Defects for Medium Voltage Cable Terminations

（School of Electrical Engineering and Information Sichuan University Chengdu 610065 China）

To avoid insulation deterioration caused by partial discharge (PD) in air gap defects of medium voltage cable terminations, a new method of suppressing PD was presented by filling nano-TiO2composite coatings into the defects. The influence on insulation was investigated by analyzing PD characteristics and surface morphology of the defect. The defects were designed and the electrical-thermal aging experiments were performed in a 10kV termination. PD characteristics and surface morphology were analyzed. Moreover, the finite element model of the defect was established to discuss the impact mechanism of the composite coatings to PD and surface morphology. The results show that PD energy reduces significantly after filling the composite coatings, and the discharge repetition rate and phase distribution difference are not obvious with the increasing of aging time. In addition, the surface of the defect is smooth and carbon content of the agglomerated particles decreases by 31%. It is also indicated that nano-TiO2composite coatings can suppress PD development and retard insulation deterioration.

Cable termination, air gap defect, partial discharge, composite coating, discharge energy

TM21

國家自然科學基金資助項目（51477106）。

2015-02-28 改稿日期 2015-09-22

周 凱 男，1975年生，教授，碩士生導師，研究方向為電力設備狀態監測與故障診斷。E-mail: zhoukai_scu@163.com

吳 科 男，1990年生，碩士，研究方向為電力設備狀態監測與故障診斷。E-mail: wukesc@163.com（通信作者）