尖端及氣隙聯合缺陷下XLPE材料電樹枝起始特性及其影響因素研究

周恒逸, 萬 代, 齊 飛, 周 湶, 趙 邈, 陳 偉

(1. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院, 湖南 長沙 410000;2. 輸變電裝備技術全國重點實驗室(重慶大學), 重慶 400044; 3. 湖南省湘電試驗研究院有限公司, 湖南 長沙 410000)

1 引言

交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜由于優良的電氣絕緣性能、安全可靠的運行特點被廣泛運用于中、低壓電網中,并隨著城市電網入地計劃的提出,更進一步擴大了交聯聚乙烯電纜的運用。然而,由于目前生產及安裝工藝的不足,電纜絕緣中不可避免會出現一些缺陷或雜質,其加速了電纜絕緣劣化并導致電樹枝的產生,進一步引發電纜整體擊穿失效,從而影響整個輸電系統的可靠性[1]。因此,探究電纜缺陷對電樹枝起始的影響規律,提出阻礙電樹枝產生的高效方法及措施,具有較高的工業及工程價值。

對于不同缺陷下XLPE電纜中電樹枝引發及發展規律的分析,國內外學者分別從實際工程、實驗模擬及理論建模等角度開展相關研究。文獻[2-4]中,J.H.MASON將針-板電極模型中極不均勻電場的最大場強公式引入到有機聚合物的樹枝放電研究中,揭示了實驗針尖曲率與樹枝發展電壓的關系,但其未分析實際材料特性對電樹枝起始的影響規律;文獻[5]構建了針-板電極缺陷模擬的實驗平臺,基于模擬實驗結果,探究出XLPE電纜缺陷尺寸對耐電樹枝起始可靠性的影響規律,但并未作出相應的機理解釋;文獻[6]開展了硅橡膠材料在不同針尖曲率半徑下電樹枝老化實驗,測量了不同電樹枝的起始電樹電壓及其形態,分析了不同針尖曲率對電樹枝起始的影響特性;文獻[7]運用ANSYS軟件對XLPE電纜內部主要缺陷進行模擬仿真和理論分析,并與現場所測得電纜耐壓強度進行了對比。目前大多數研究都集中于電樹枝結構及生長特性、特定影響因素等[8-11],有關XLPE電纜內部缺陷對電樹枝引發、生長影響規律的研究較少,現有研究所選用的對象單一,未充分、系統地考慮不同缺陷特征對于電樹枝起始的影響。

因此,本文利用實際工程短電纜為對象,搭建了針-電極短電纜實驗平臺以模擬缺陷下電樹枝引發及生長,并構建出電樹枝起始電壓與缺陷特征的解析式模型,進一步明確了各缺陷特征對電樹枝引發的影響規律及機理,為降低電樹枝老化、提高絕緣性能提出指導性建議。

2 實驗樣品及平臺

由于實際電纜中電樹枝引發主要與內部氣隙及內外半導體層凸起缺陷有關,兩者從局部放電損傷、局部電場畸變等方面誘導了電樹枝的產生及發展。

本文為了模擬半導體層上凸起及氣隙聯合缺陷,使用將針電極重復插入短電纜絕緣層的方式引入了尖端及氣隙缺陷,所搭建的模擬實驗平臺如圖1所示。實驗樣品選用YJV22-3×95型、XLPE 8.7/15 kV中壓電纜,以更準確地反映實際電纜特性并避免了自制樣品時工藝不足所帶來的實驗影響。實驗樣品制作具體步驟:首先揭開電纜外護套及屏蔽銅帶;沿電纜徑向將曲率半徑為2 μm、5 μm、10 μm、15 μm的不銹鋼針插入絕緣層中,剩余絕緣厚度為2.0 mm,插入過程中選擇重復插入的方式,促使鋼針前端氣隙的產生,以構建出不同尺寸的半導體層上凸起及氣隙聯合缺陷模型。

圖1 實驗樣品結構Fig.1 Test sample structure

由于電樹枝產生及發展過程中都伴隨著強局部放電信號,并且在不同階段呈現出一定差異性?；陔姌渲Φ木植糠烹娦盘柼卣?確定電樹枝的引發時間及發展情況位于5～7.5 MHz區間時可表征為電樹枝的初始引發階段。利用羅式線圈和LeCroyWavepro7100示波器觀測、采集局部放電信號,整體實驗原理圖如圖2所示。

圖2 實驗接線圖Fig.2 Experimental writing diagram

3 實驗結果

本實驗在溫度為25～26 ℃的實驗環境下以5 kV/min的升壓速度進行連續升壓作用,分析所采集穩定局部放電的頻率情況并進行切片觀察電樹枝情況。其中,電樹枝的起始形貌主要以絲狀碳化為主(見圖3(a))并逐步發展為集中式碳化通道形狀(見圖3(b))。

圖3 電樹枝起始形貌及通道化發展Fig.3 Initial morphology and channelization development of electrical tree branches

確定電樹枝引發的時間節點并記錄對應時刻所升至的電壓值,即為電纜的電樹枝起始電壓。

通過整理多次電樹枝起始實驗的數據,確定了針尖的曲率半徑對交聯聚乙烯電纜起始電樹電壓之間的關系,相應不同針尖曲率下起始電壓均值及誤差如圖4中曲線所示。

圖4 針尖曲率與起始電樹電壓的關系圖Fig.4 Relationship between tip curvature and initial tree voltage

根據實驗結果可知,針尖曲率半徑與電樹枝引發的電壓之間呈正相關關系,即隨著針尖曲率的增加(減少)電樹枝起始電壓發生遞增(遞減)。

4 模型及機理解釋

4.1 電纜缺陷的數值模型

為了更好地確定出針尖曲率與電樹枝起始電壓之間的數值化關系,并分析各因素對電樹枝產生的影響規律,本文構建了針電極曲率半徑與電樹枝引發電壓之間數值分析模型。

根據交流電場下材料內部電場分布規律可知,電壓分布與材料介質常數成反比關系,即介電常數越小,所承受的電壓較大。當電纜內部氣隙引入后,由于其介電常數相對于交聯聚乙烯較小,微孔內所承受的電壓較大。根據球形微孔下電磁分布模型[4]可知:

(1)

式中,Ev為微孔內電場強度;E0為XLPE中的電場強度。由于交聯聚乙烯介電常數ε近似為2.2,因此式(1)可化簡為:

Ev=1.2E0

(2)

由式(2)可知,微孔中的電場強度約為交聯聚乙烯內的1.2倍。隨著電場強度的增加,氣隙內將引發局部擊穿放電,微孔缺陷將進一步劣化。

根據電子碰撞理論,電場加速作用下帶電粒子所獲取能量為:

(3)

由于電樹枝引發與注入聚合物中粒子所具有的能量有關,高能粒子作用下聚合物將發生分子斷裂及電腐蝕反應,并以多碳化路徑的形式進一步發展。設定交聯聚乙烯材料在單電子沖擊下最大耐受能量閾值為ΔW0,其與交聯聚乙烯性能等因素有關。當帶電粒子能量大于最大耐受能量閾值時,即ΔW≥ΔW0時,可以判斷電樹枝已經引發并進一步發展劣化。

由于所構建的半導體層上凸起及氣隙聯合缺陷模型可近似等效為針-板電極模型,根據針-板電極模型下最大場強Mason公式,可以推導出交聯聚乙烯層中最大場強為:

(4)

式中,r為針電極曲率半徑;U0為實驗電壓;d為針-板電極之間距離。

當氣隙前端交聯聚乙烯發生碳化時,即電樹枝的產生,所對應的電壓Ui可認定為電樹枝的起始電壓,其與材料內部電場強度的關系如下所示:

(5)

由于氣隙前端小空間內電場連續,可假定初始階段針尖區域內電場強度E0保持一致,帶電粒子在該電場進行加速運動,并沖擊氣隙-交聯聚乙烯界面。結合式(2)、式(3)、式(5)可得如下聯立方程:

(6)

對式(6)進行轉換,電樹枝的起始電壓Ui為:

(7)

由于同一類材料中,可認定最大耐受能量ΔW0為常數,構建出系數A為:

(8)

則電樹枝的起始電壓Ui可以表示為:

(9)

當微孔內部空間一定時,帶電粒子的平均自由程可以表述為:

(10)

式中,T為絕對溫度;K為玻爾茲曼常數;P為微孔內壓力;re為帶電粒子半徑;B為化簡后的參數,與絕對溫度和帶電粒子半徑有關。相同電場作用下,帶電粒子所獲取的速度幾乎保持一致,平均自由程時間將與粒子平均自由程保持正相關關系,因此平均自由行程可以表述為:

(11)

式中,C為常數。把式(8)、式(11)代入式(7)中,可得:

(12)

由式(12)可知,電樹枝起始電壓受針尖曲率半徑、電樹枝初始引發能量、碰撞粒子類型及微孔壓力等因素影響。當假定實驗中微孔壓力與電樹枝碰撞粒子不變的條件下,電樹枝初始化電壓是關于針曲率變化的函數。

利用實驗測試及文獻查閱的方式[12,13]確定式(12)中參數大小,即針-板電極間距離d為2 mm、微孔內壓力P為5 MPa、帶電粒子質量m為4.655 6×10-26kg。并將所得函數圖像與實驗結果圖像進行對比,如圖5所示,可知實驗及數值研究結果上具有一致性,從而證明了所建立數值化模型的實際適用性,針尖曲率與電樹枝起始電壓滿足一定正相關性。

圖5 數值模擬曲線與實際測量曲線對比Fig.5 Comparison between numerical simulation curve and actual measurement curve

根據所建立的數值化模型,當保持針尖曲率不變及材料不變的條件下,電樹枝的初始化電壓與微孔壓強有關,且同樣呈現為正相關性,隨著微孔壓強的增加(減少),電樹枝起始電壓越高(降低)。由于實驗及實際溫度未超過交聯聚乙烯的玻璃化轉變溫度,材料特性保持不變,玻璃態下交聯聚乙烯彈性模量較大,氣壓所帶來的機械應力的作用微小,氣壓主要通過影響局部放電過程進一步影響電樹枝的起始電壓。

針對模型中ΔW0值,其主要反映引發電樹枝所需的能量閾值,該參量與材料特性、結構、微孔界面有關。當保持針尖曲率及制造工藝不變的條件下,電樹枝的初始化電壓與ΔW0呈現為正相關性,其值越大說明引發電樹枝所需要的能量越高,進而產生電樹枝所需要的起始電壓也越大。

4.2 機理性研究與分析

電樹枝的引發涉及到復雜的物理、化學作用過程,該過程既受外部作用因素的影響,同時與絕緣材料自身復雜特性有關。交聯聚乙烯作為半結晶的高聚物,其定形區與不定形區存在著高度分散性,并且由于實際生產工藝中所產生的局部拉應力、微孔及不均勻結晶的出現,使得電樹枝特性具有較高的分散性。本文通過實驗模擬及數值化模型分析的方式,分析了不同缺陷特征對電樹枝起始電壓的影響規律,相應的影響機理分別如下:

電樹枝的產生涉及了多種物理、化學現象,包括了電荷碰撞、物理性機械作用及化學氧化分解,該過程主導因素主要為局部電場集中及電荷的注入、抽出。由于局部較高的電應力及帶電粒子碰撞,材料內部發生物理及化學性的變化,作用強度超過絕緣材料的耐受程度時則引發一定的放電通道,即宏觀上表現為電樹枝的形成。按照所建立的改進Mason缺陷曲率半徑模型,尖端上電場的畸變程度有所加深,增強了局部電應力。

根據缺陷模型可知,外加電壓主要作用于XLPE和氣隙兩者之上,氣體分子在強電場作用下將會發生強電離并加速,所產生的高能粒子將沖擊材料表面,首先造成材料非定形區劣化,并進一步向前發展,如圖6所示。當外施電場強度未能達到絕緣材料的本征擊穿場強時,當局部電應力達到一定程度時,將引起材料與缺陷交界面處引發裂紋[13],且由于碰撞所產生的高溫將進一步引起絕緣熱分解,從而加快了電樹枝的引發,降低了電樹枝起始的電壓值。因此,實際中可以通過改善半導體層突起的曲率和減少突起的數量來增加電樹枝的起始電壓,如針對實際電纜擠出工藝,以物料特性為基準設定最優的螺桿轉速來改善電纜絕緣層及半導體層的擠出方式,可避免預交聯引起物料表面粗糙、擠出不穩定等問題,從而產生較小凸起及絕緣氣隙。

圖6 局部電場集中下熱電子加速及材料損傷Fig.6 Thermal electron acceleration and material damage under local electric field concentration

從機理上分析,微孔壓強對于電樹枝引發的影響主要體現在機械力拉伸和帶電粒子的自由程兩個方面。針尖氣壓的作用使得交聯聚乙烯層界面上承受著徑向機械應力F1的作用,其作用示意圖如圖7所示。徑向機械力作用將導致材料弱區(圖7中細微裂縫處)往內部壓縮,進一步將引起切向應力fτ的產生,從而造成交聯聚乙烯中切向拉伸損傷,裂紋將向前發展。但由于實際中電纜正常運行溫度都低于90 ℃[14,15],即該溫度低于交聯聚乙烯玻璃化轉變溫度,交聯聚乙烯鏈段運動空間極小,自身拉伸強度較大,對外表現為堅硬的塑料。氣隙壓強所帶來的壓力并不能對絕緣內壁造成較大形變,應力所帶來的拉伸損傷較小,即微孔壓強所帶來的機械拉升可忽略不計。

圖7 氣隙的應力作用Fig.7 Stress action of air gap

從粒子碰撞角度分析,由于電纜微孔間隙較小且壓強較大,粒子間間距較小,即使在局部強電場的作用下,仍然無法完成能量的累積,從而未能產生內部的足夠電應力,絕緣內部未產生內部放電和材料分解、分子鏈斷裂[16-18]。而通過改變微孔缺陷內部壓強以提高電樹枝起始電壓,主要從減少微孔體積和減少絕緣厚度兩個方面的三個手段進行:①由于材料自身的熱膨脹特性、不均勻結晶度及材料的交聯方式等影響,電纜絕緣中充滿了較多的微孔,微孔較多主要反映加工過程中微孔內部壓強未達標準值,無法將氣體擠出,改善擠壓方式以減少微孔體積,并提高剩余微孔的壓強,以提高電樹枝起始電壓[19-21];②絕緣厚度越薄使得在加壓過程中,材料受力更為均勻集中,且微孔的數量將會降低,增大了內部壓強;③選用干式法交聯替代濕式法進行聚乙烯交聯,避免了水分汽化過程中引發大量微孔,增強絕緣性能。

由于交聯聚乙烯為結晶相與無定型相共存的高分子化合物。由于結晶區與非晶區在密度及結構上存在一定差異,兩者對于高能粒子的耐受能力ΔW0及反作用方式也不同,并且考慮到晶區中大晶粒的排渣效應及其所引起晶區分布不均勻性,也影響著物料對電樹枝的耐受程度。

在非晶區內,如圖8(a)中所示,存在著一些雜質及小分子物質,粒子自由運動空間大及材料的束縛作用相對較小,高能粒子的碰撞更易對其造成損傷,高溫下非定型結構破壞并沿著大晶區之間間隙持續發展,最終形成樹枝狀的碳化結構。微孔引入將增加不定形區域的比例,形成電樹枝產生、發展的薄弱環節[22]。而在晶粒分布均勻條件下(如圖8(b)所示),非定形區區域體積較小,電子主要碰撞于晶粒并引起界面的高溫碳化,由于晶粒結構抗損傷性能強,阻礙了缺陷向下發展,從而提高耐受能力ΔW0?？刂七m度的交聯溫度及交聯時間,獲取分布均勻并且結晶度較高的結晶形態,以改善絕緣材料的抗電樹能力,即提高了最大耐受能量值ΔW0,進而提高了電樹枝起始電壓強度。

圖8 交聯聚乙烯均勻與非均勻結晶下電樹生長Fig.8 Electric tree growth of XLPE under uniform and non-uniform crystallization

當微孔中氣體為惰性氣體時,可減少微孔中的電離程度,局部高能帶電粒子的數量將會降低,局部放電所帶來的局部過熱現象將會減弱,增加了電樹枝起始的難度。同時,在制造電纜時,需要控制交聯過程不會過早發生,防止早期交聯時的聚合物氧化后出現燒焦而產生的雜質,影響其與正常絕緣界面的結合從而形成氣泡,降低了XLPE的產品質量[23-25]。因此,改變絕緣材料的結晶形態、采用惰性氣體填充微孔及控制最佳交聯時間等可提高ΔW0的大小,進一步增加了電樹枝的起始電壓。具體工程實現可在XLPE電纜中均勻布置導氣管與擠壓條,在導氣管內部進行惰性氣體微填充。

5 結論

本文從模擬實驗及數值化模型展開分析,探究出了不同XLPE電纜缺陷特征對電樹枝起始電壓的影響規律,并提出工程實踐中阻礙交聯聚乙烯電樹枝老化的措施及方法。

(1)對比模擬實驗結果與數值模型結果可知,交聯聚乙烯半導體層缺陷最大電場分布可采用針-板電極的最大場強Mason模型進行表征,所獲取的電樹枝起始電壓解析式為分析不同缺陷特征對于電樹枝起始的影響規律提供理論依據。

(2)根據實驗模擬及數值化模型的分析結果可知,針尖的曲率、微孔壓強及引發電樹枝所需能量ΔW0與電樹枝起始電壓之間都呈現正相關關系,改變以上缺陷特征可進一步阻礙電纜的電樹枝老化。