直流電壓對XLPE絕緣電纜介電性能的影響

1、第十屆全國工程電介質(zhì)學術(shù)會議論文集 直流電壓對絕緣電纜介電性能的影響 胡慶娟，胡春秀，高俊國，張曉虹 （哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院哈爾濱）摘要：運行一年的交聯(lián)聚乙烯電纜試樣（試樣）和未經(jīng)使用過的交聯(lián)聚乙烯電纜試樣（試樣）在高電場下進行電樹引發(fā)，用掃描電子顯微鏡（）和光學顯檄鏡觀察它們的微觀結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)試樣上的電樹在長度和維數(shù)上比試樣更大和更多，用觀察到試樣上出現(xiàn)一些特別的痕跡，可以認為是添加劑的微粒在高場強下從中分離出來試樣的介質(zhì)損耗比試樣大在試樣中沒有發(fā)現(xiàn)試樣的絕緣電阻降低，這與運行中試樣的監(jiān)測結(jié)果不一樣關(guān)鍵詞：絕緣電纜，電樹枝，微觀結(jié)構(gòu)，介電性能 ， ， ， （ ， ， ，）： ?螅幔

2、恚穡歟? （、 （） ， ） ， 地 ， 撕 （） ： ； ： ； 絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計更多的是考慮其力學性能，而對引言 其介電性能的問題并沒有給予更多關(guān)注。 由于聚乙烯具有良好的機械性能和電性能， 本文針對一段運行一年的交聯(lián)聚乙烯電纜因此，被廣泛的應(yīng)用于電力電纜絕緣。在電能傳 （運行條件：交流、的直流監(jiān)測電送時聚乙烯絕緣能夠承受暫達的場 壓），出現(xiàn)絕緣電阻降低近一個數(shù)量級的問題，強“。在這樣高的場強作用下，電荷可能從電極 利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（）等微注入或者通過聚合物電離而產(chǎn)生。由于聚乙烯具 觀檢測手段，分析了原始電纜試樣、電樹引發(fā)后有較高的絕緣電阻率，因此，這些電荷不能及時 電纜試樣的

3、微觀變化，并對比研究了新、舊電纜 的遷移，進而在材料體內(nèi)逐漸集聚而形成空間電 試櫸的介質(zhì)損耗、體積電阻率如隨溫度的變荷。空間電荷的存在將引起聚乙烯絕緣體內(nèi)電場 化規(guī)律等。以此，探討產(chǎn)生絕緣電阻降低可能的畸變，造成場強分布不均。當局部場強超過絕 原因。緣體的介電強度時，就會過旱引起絕緣的破壞。 試驗部分 因此，關(guān)于聚乙烯中空間電荷問題的研究引起了 人們的廣泛興趣”“。然而在低壓電纜中使用 試樣的制備 的聚乙烯絕緣，由于其運行場強不高，因此，其 在測量和仉時，從電纜上截取一段作 為試樣。剝?nèi)ル娎|試樣的外半導電層。在試樣上 國家自然科學基金項目（） 介電性能試驗與測量技術(shù)粘上鋁箔，以形成洌量極和保護

4、極。試驗電壓施 將針電極和外屏蔽層之間的距離控制在加在電纜試樣的導體和測量極之間，如圖所 左右。為防止電暈放電，將樣品放在硅示。電纜試樣長度大于測量電極的長 油中，在針電極和接地金屬板之間施加工頻度為。 的交流電壓。根據(jù)梅森公式，可以計算山針尖附 近最大的電場強度為，鼴察電樹生 ，一 景護攝塑！墮 ， 廠 懾護投 硪撅 長的時間規(guī)定為分鐘。 缸蛙盎導體蛔撩 廠 電纜試樣微觀結(jié)構(gòu)分析 將染色后韻薄片和引發(fā)電樹后的試樣分剮 利用光學顯微鏡進行觀察，并且用計算機進行圖 罨目，一 像采集。將引發(fā)電樹后的試樣沿著針尖方向切 圜測試 和絕緣電阻舉的電纜試樣剖面示意圈 開，利用掃描電子顯微鏡（）進行觀察。

5、為了觀察在電纜中可能存在缺陷、氣隙或雜 結(jié)果與討論質(zhì)等，將電纜的絕緣層和導線剝開，切成 介質(zhì)損耗的溫度曲線厚的薄片，然后將這些薄片在的 介?仕鷙囊蚴簦幔歟歟端嫖露缺浠那呷繽跡澄露認攏菰冢埃埃福募諄既芤褐校罰殘薄?所示。從這組的溫度曲線圖中能夠看出：兩引發(fā)電樹試驗的試樣，是將與導線分離的絕緣部 種電纜試樣的變化規(guī)律基本相同。當試驗溫度為分切成厚的試片。將曲率半徑為” 時，兩個試樣的值基本相等。但是，隨的針，沿著徑向插入到切好的試樣中。如圖所 著溫度的提高，舊電纜試樣（試樣）的值示。 比新電纜試樣（試樣）的值提高很多。從 曲線形狀上看，兩試樣的介質(zhì)損耗都以電導損耗 為主。因此，可以認為：在試樣中導

6、電離子濃 度高于試樣的離子濃度，或者在試樣中載流 子遷移率高于試樣中的遷移率。 圖電樹日發(fā)試驗的試樣示意圖介質(zhì)損耗 和絕緣電阻率 的測量 利用型高壓西林電橋測試不同電纜試樣的介質(zhì)損耗角正切隨溫度的變化規(guī)律。在 電纜試樣的導線和測量電極的鋁箔之間施如工頻的交流電壓，將試樣的兩個保護電極接 圖介電損耗隨溫度變化的曲線地。試樣放置在恒溫干燥箱內(nèi)，測試溫度從 現(xiàn)場電纜試樣。卜新電纜試樣 到。 絕緣電阻率隨場強的變化 利用型高阻計，測量不同電纜試樣的 在室溫下測得的不同場強下兩組電纜試樣 絕緣電阻率口，。由于溫度升高后，電纜試 的絕緣電阻率如表所示。從表中數(shù)據(jù)可以看 樣的漏導電流十分不穩(wěn)定，因此，在室溫

7、（） 出：盡管試樣的值略高于試樣的值，但 下測試不同場強下電纜試樣的體積電阻率肼。試 是，他們都在同數(shù)量級內(nèi)。這與電纜在現(xiàn)場測 驗電壓為直流到。 量的結(jié)果不同。對比介質(zhì)損耗的測試結(jié)果，應(yīng)該 電樹引發(fā)試驗 說兩個電纜試樣絕緣電阻的差異主要表現(xiàn)在較 第。屆全國工程電介質(zhì)學術(shù)會議論文集高溫度的時候。 文獻指出；由于存在空間電荷效應(yīng)， 電纜的直流耐壓試驗是有害的?？臻g電荷造成絕表不同場強下電纜試樣的絕緣電阻率（“） 緣內(nèi)電場分布畸變，使得局部電場可能升高幾 試樣 試樣 試樣 倍。試樣在運行中要承受直流和交流電壓的 聯(lián)合作用，因此，其實際承受的電場強度已經(jīng)超 場強， 溢 出了它的額定值。由于電壓波形在正

8、負半周是非 對稱的，因此，長期運行的電纜絕緣中，載流子 就可能在遷移過程中受陷于界面或微晶缺陷處 而形成空間電荷。如果承受交流電場的電 纜敷設(shè)于潮濕的環(huán)境中，那么絕緣部分就會吸 潮，即使交流電壓不是很高，絕緣吸潮的速度也 （注：表中每組數(shù)據(jù)均為個試樣測量的平均值） 會隨時間的延長而增長。一旦潮氣在絕緣層中擴 散，那么含水的微孔就會因為溫度的變化而逐漸 為了找出在使用過程中引起絕緣電 膨脹。于是，載流子的遷移和累積就變得更加容阻降低的原因，我們又對電纜試樣的微觀結(jié)構(gòu)進 易。行了觀測和電樹引發(fā)實驗。 為了找到絕緣體中存在空間電荷或含水微不同試樣的微觀結(jié)構(gòu)特征 孔的證據(jù)，我們又進行了電樹引發(fā)試驗。

9、利用光學顯微鏡觀察試樣和試樣的染色 我們首先利用光學顯微鏡來觀察電樹的生薄切片，其微觀特征如圖所示。最初染色切片 長情況。電樹引發(fā)條件是：施加的是用于絕緣中水樹的研究。雖然在低壓運行環(huán)境 電場強度，然后在光學顯微鏡下觀測并通下電纜內(nèi)出現(xiàn)水樹的概率幾乎不可能。但 過計算機的圖形采集系統(tǒng)記錄電樹的圖像，試驗是，利用這種研究水樹的方法可以觀察小范圍內(nèi) 結(jié)果如圖所示。從圖中可以觀察到；試樣的絕緣缺陷。 中的電樹比試樣中的電樹生長要快。為了便 從圖中可以看出：在試樣的外半導電 于比較出試樣與試樣微觀結(jié)構(gòu)的差別，我層附近出現(xiàn)了一些“斑點”，這些“斑點”實際 們將觀測過的試樣沿著針尖的方向切開，然后將上不能

10、認為是水樹，但它確實是電纜絕緣的微觀 剖開的試樣在掃描電子顯微鏡下進行觀察與記缺陷。與試樣相比試樣的顯微照片上就沒 錄。有明顯的缺陷樣痕跡。 （） （） （） 圖不同電纜試樣的電樹照片 圖不同電纜切片的顯微鏡照片 （）現(xiàn)場電纜試樣， （）新電纜試樣 （）現(xiàn)場電纜試樣，（）新電纜試樣 堂史絲壁這墅量型星堇查 圖示出了掃描電子顯微鏡在針尖附近不同放大倍數(shù)觀測到的微觀圖像（庀側(cè)圖像的放大倍數(shù)為，右側(cè)圖象的放大倍數(shù)為）。 參考文獻從圖（）中我們可以觀察到：在現(xiàn)場試樣的 ，“ 針電極附近區(qū)域，不僅存在著由于電場作用而形 ” ， ，成的微裂紋，而且從放大的右圖中清晰可見樹枝 狀圖形。盡管這不是水樹或電樹的

11、典型形貌。但 【 ， 是，如果分析其化學成分，應(yīng)該是含水的微孔排 ， 列而成。這些水分子形成的微滴在電場作用下， ” ） 聚集而成的圖形。形成圖（）中微晶圖案的 ，（）， ， 另外一個原因可能是：在直流電場的作用下，與 ，聚合物分子沒有完全交聯(lián)的交聯(lián)劑或抗氧劑等 ， ， ，“ 添加劑，在電場作用下從基體中析出 血” 而形成分散在中聚合物體內(nèi)的微晶。圖（） ，（）， ，的針電極附近雖然也有電場作用下產(chǎn)生的微裂 ，紋，但放大后基本觀察不到類似于圖（）中 【】，那樣清晰可見的異質(zhì)。 ，“ ” ￥ ， ，一， ， “ ”， ，（）（ ， （） ， 】 ，工， ，“ ” ”， ， ），。， ， 【】， ， （） ， 幽引發(fā)電樹后針尖附近的照片