尖端及气隙联合缺陷下XLPE材料电树枝起始特性及其影响因素研究

周恒逸, 万 代, 齐 飞, 周 湶, 赵 邈, 陈 伟

(1. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院, 湖南 长沙 410000;2. 输变电装备技术全国重点实验室(重庆大学), 重庆 400044; 3. 湖南省湘电试验研究院有限公司, 湖南 长沙 410000)

交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆由于优良的电气绝缘性能、安全可靠的运行特点被广泛运用于中、低压电网中,并随着城市电网入地计划的提出,更进一步扩大了交联聚乙烯电缆的运用。然而,由于目前生产及安装工艺的不足,电缆绝缘中不可避免会出现一些缺陷或杂质,其加速了电缆绝缘劣化并导致电树枝的产生,进一步引发电缆整体击穿失效,从而影响整个输电系统的可靠性[1]。因此,探究电缆缺陷对电树枝起始的影响规律,提出阻碍电树枝产生的高效方法及措施,具有较高的工业及工程价值。

对于不同缺陷下XLPE电缆中电树枝引发及发展规律的分析,国内外学者分别从实际工程、实验模拟及理论建模等角度开展相关研究。文献[2-4]中,J.H.MASON将针-板电极模型中极不均匀电场的最大场强公式引入到有机聚合物的树枝放电研究中,揭示了实验针尖曲率与树枝发展电压的关系,但其未分析实际材料特性对电树枝起始的影响规律;文献[5]构建了针-板电极缺陷模拟的实验平台,基于模拟实验结果,探究出XLPE电缆缺陷尺寸对耐电树枝起始可靠性的影响规律,但并未作出相应的机理解释;文献[6]开展了硅橡胶材料在不同针尖曲率半径下电树枝老化实验,测量了不同电树枝的起始电树电压及其形态,分析了不同针尖曲率对电树枝起始的影响特性;文献[7]运用ANSYS软件对XLPE电缆内部主要缺陷进行模拟仿真和理论分析,并与现场所测得电缆耐压强度进行了对比。目前大多数研究都集中于电树枝结构及生长特性、特定影响因素等[8-11],有关XLPE电缆内部缺陷对电树枝引发、生长影响规律的研究较少,现有研究所选用的对象单一,未充分、系统地考虑不同缺陷特征对于电树枝起始的影响。

因此,本文利用实际工程短电缆为对象,搭建了针-电极短电缆实验平台以模拟缺陷下电树枝引发及生长,并构建出电树枝起始电压与缺陷特征的解析式模型,进一步明确了各缺陷特征对电树枝引发的影响规律及机理,为降低电树枝老化、提高绝缘性能提出指导性建议。

由于实际电缆中电树枝引发主要与内部气隙及内外半导体层凸起缺陷有关,两者从局部放电损伤、局部电场畸变等方面诱导了电树枝的产生及发展。

本文为了模拟半导体层上凸起及气隙联合缺陷,使用将针电极重复插入短电缆绝缘层的方式引入了尖端及气隙缺陷,所搭建的模拟实验平台如图1所示。实验样品选用YJV22-3×95型、XLPE 8.7/15 kV中压电缆,以更准确地反映实际电缆特性并避免了自制样品时工艺不足所带来的实验影响。实验样品制作具体步骤:首先揭开电缆外护套及屏蔽铜带;沿电缆径向将曲率半径为2 μm、5 μm、10 μm、15 μm的不锈钢针插入绝缘层中,剩余绝缘厚度为2.0 mm,插入过程中选择重复插入的方式,促使钢针前端气隙的产生,以构建出不同尺寸的半导体层上凸起及气隙联合缺陷模型。

图1 实验样品结构Fig.1 Test sample structure

由于电树枝产生及发展过程中都伴随着强局部放电信号,并且在不同阶段呈现出一定差异性。基于电树枝的局部放电信号特征,确定电树枝的引发时间及发展情况位于5～7.5 MHz区间时可表征为电树枝的初始引发阶段。利用罗式线圈和LeCroyWavepro7100示波器观测、采集局部放电信号,整体实验原理图如图2所示。

图2 实验接线图Fig.2 Experimental writing diagram

本实验在温度为25～26 ℃的实验环境下以5 kV/min的升压速度进行连续升压作用,分析所采集稳定局部放电的频率情况并进行切片观察电树枝情况。其中,电树枝的起始形貌主要以丝状碳化为主(见图3(a))并逐步发展为集中式碳化通道形状(见图3(b))。

图3 电树枝起始形貌及通道化发展Fig.3 Initial morphology and channelization development of electrical tree branches

确定电树枝引发的时间节点并记录对应时刻所升至的电压值,即为电缆的电树枝起始电压。

通过整理多次电树枝起始实验的数据,确定了针尖的曲率半径对交联聚乙烯电缆起始电树电压之间的关系,相应不同针尖曲率下起始电压均值及误差如图4中曲线所示。

图4 针尖曲率与起始电树电压的关系图Fig.4 Relationship between tip curvature and initial tree voltage

根据实验结果可知,针尖曲率半径与电树枝引发的电压之间呈正相关关系,即随着针尖曲率的增加(减少)电树枝起始电压发生递增(递减)。

4.1 电缆缺陷的数值模型

为了更好地确定出针尖曲率与电树枝起始电压之间的数值化关系,并分析各因素对电树枝产生的影响规律,本文构建了针电极曲率半径与电树枝引发电压之间数值分析模型。

根据交流电场下材料内部电场分布规律可知,电压分布与材料介质常数成反比关系,即介电常数越小,所承受的电压较大。当电缆内部气隙引入后,由于其介电常数相对于交联聚乙烯较小,微孔内所承受的电压较大。根据球形微孔下电磁分布模型[4]可知:

(1)

式中,Ev为微孔内电场强度;E0为XLPE中的电场强度。由于交联聚乙烯介电常数ε近似为2.2,因此式(1)可化简为:

Ev=1.2E0

(2)

由式(2)可知,微孔中的电场强度约为交联聚乙烯内的1.2倍。随着电场强度的增加,气隙内将引发局部击穿放电,微孔缺陷将进一步劣化。

根据电子碰撞理论,电场加速作用下带电粒子所获取能量为:

(3)

由于电树枝引发与注入聚合物中粒子所具有的能量有关,高能粒子作用下聚合物将发生分子断裂及电腐蚀反应,并以多碳化路径的形式进一步发展。设定交联聚乙烯材料在单电子冲击下最大耐受能量阈值为ΔW0,其与交联聚乙烯性能等因素有关。当带电粒子能量大于最大耐受能量阈值时,即ΔW≥ΔW0时,可以判断电树枝已经引发并进一步发展劣化。

由于所构建的半导体层上凸起及气隙联合缺陷模型可近似等效为针-板电极模型,根据针-板电极模型下最大场强Mason公式,可以推导出交联聚乙烯层中最大场强为:

(4)

式中,r为针电极曲率半径;U0为实验电压;d为针-板电极之间距离。

当气隙前端交联聚乙烯发生碳化时,即电树枝的产生,所对应的电压Ui可认定为电树枝的起始电压,其与材料内部电场强度的关系如下所示:

(5)

由于气隙前端小空间内电场连续,可假定初始阶段针尖区域内电场强度E0保持一致,带电粒子在该电场进行加速运动,并冲击气隙-交联聚乙烯界面。结合式(2)、式(3)、式(5)可得如下联立方程:

(6)

对式(6)进行转换,电树枝的起始电压Ui为:

(7)

由于同一类材料中,可认定最大耐受能量ΔW0为常数,构建出系数A为:

(8)

则电树枝的起始电压Ui可以表示为:

(9)

当微孔内部空间一定时,带电粒子的平均自由程可以表述为:

(10)

式中,T为绝对温度;K为玻尔兹曼常数;P为微孔内压力;re为带电粒子半径;B为化简后的参数,与绝对温度和带电粒子半径有关。相同电场作用下,带电粒子所获取的速度几乎保持一致,平均自由程时间将与粒子平均自由程保持正相关关系,因此平均自由行程可以表述为:

(11)

式中,C为常数。把式(8)、式(11)代入式(7)中,可得:

(12)

由式(12)可知,电树枝起始电压受针尖曲率半径、电树枝初始引发能量、碰撞粒子类型及微孔压力等因素影响。当假定实验中微孔压力与电树枝碰撞粒子不变的条件下,电树枝初始化电压是关于针曲率变化的函数。

利用实验测试及文献查阅的方式[12,13]确定式(12)中参数大小,即针-板电极间距离d为2 mm、微孔内压力P为5 MPa、带电粒子质量m为4.655 6×10-26kg。并将所得函数图像与实验结果图像进行对比,如图5所示,可知实验及数值研究结果上具有一致性,从而证明了所建立数值化模型的实际适用性,针尖曲率与电树枝起始电压满足一定正相关性。

图5 数值模拟曲线与实际测量曲线对比Fig.5 Comparison between numerical simulation curve and actual measurement curve

根据所建立的数值化模型,当保持针尖曲率不变及材料不变的条件下,电树枝的初始化电压与微孔压强有关,且同样呈现为正相关性,随着微孔压强的增加(减少),电树枝起始电压越高(降低)。由于实验及实际温度未超过交联聚乙烯的玻璃化转变温度,材料特性保持不变,玻璃态下交联聚乙烯弹性模量较大,气压所带来的机械应力的作用微小,气压主要通过影响局部放电过程进一步影响电树枝的起始电压。

针对模型中ΔW0值,其主要反映引发电树枝所需的能量阈值,该参量与材料特性、结构、微孔界面有关。当保持针尖曲率及制造工艺不变的条件下,电树枝的初始化电压与ΔW0呈现为正相关性,其值越大说明引发电树枝所需要的能量越高,进而产生电树枝所需要的起始电压也越大。

4.2 机理性研究与分析

电树枝的引发涉及到复杂的物理、化学作用过程,该过程既受外部作用因素的影响,同时与绝缘材料自身复杂特性有关。交联聚乙烯作为半结晶的高聚物,其定形区与不定形区存在着高度分散性,并且由于实际生产工艺中所产生的局部拉应力、微孔及不均匀结晶的出现,使得电树枝特性具有较高的分散性。本文通过实验模拟及数值化模型分析的方式,分析了不同缺陷特征对电树枝起始电压的影响规律,相应的影响机理分别如下:

电树枝的产生涉及了多种物理、化学现象,包括了电荷碰撞、物理性机械作用及化学氧化分解,该过程主导因素主要为局部电场集中及电荷的注入、抽出。由于局部较高的电应力及带电粒子碰撞,材料内部发生物理及化学性的变化,作用强度超过绝缘材料的耐受程度时则引发一定的放电通道,即宏观上表现为电树枝的形成。按照所建立的改进Mason缺陷曲率半径模型,尖端上电场的畸变程度有所加深,增强了局部电应力。

根据缺陷模型可知,外加电压主要作用于XLPE和气隙两者之上,气体分子在强电场作用下将会发生强电离并加速,所产生的高能粒子将冲击材料表面,首先造成材料非定形区劣化,并进一步向前发展,如图6所示。当外施电场强度未能达到绝缘材料的本征击穿场强时,当局部电应力达到一定程度时,将引起材料与缺陷交界面处引发裂纹[13],且由于碰撞所产生的高温将进一步引起绝缘热分解,从而加快了电树枝的引发,降低了电树枝起始的电压值。因此,实际中可以通过改善半导体层突起的曲率和减少突起的数量来增加电树枝的起始电压,如针对实际电缆挤出工艺,以物料特性为基准设定最优的螺杆转速来改善电缆绝缘层及半导体层的挤出方式,可避免预交联引起物料表面粗糙、挤出不稳定等问题,从而产生较小凸起及绝缘气隙。

图6 局部电场集中下热电子加速及材料损伤Fig.6 Thermal electron acceleration and material damage under local electric field concentration

从机理上分析,微孔压强对于电树枝引发的影响主要体现在机械力拉伸和带电粒子的自由程两个方面。针尖气压的作用使得交联聚乙烯层界面上承受着径向机械应力F1的作用,其作用示意图如图7所示。径向机械力作用将导致材料弱区(图7中细微裂缝处)往内部压缩,进一步将引起切向应力fτ的产生,从而造成交联聚乙烯中切向拉伸损伤,裂纹将向前发展。但由于实际中电缆正常运行温度都低于90 ℃[14,15],即该温度低于交联聚乙烯玻璃化转变温度,交联聚乙烯链段运动空间极小,自身拉伸强度较大,对外表现为坚硬的塑料。气隙压强所带来的压力并不能对绝缘内壁造成较大形变,应力所带来的拉伸损伤较小,即微孔压强所带来的机械拉升可忽略不计。

图7 气隙的应力作用Fig.7 Stress action of air gap

从粒子碰撞角度分析,由于电缆微孔间隙较小且压强较大,粒子间间距较小,即使在局部强电场的作用下,仍然无法完成能量的累积,从而未能产生内部的足够电应力,绝缘内部未产生内部放电和材料分解、分子链断裂[16-18]。而通过改变微孔缺陷内部压强以提高电树枝起始电压,主要从减少微孔体积和减少绝缘厚度两个方面的三个手段进行:①由于材料自身的热膨胀特性、不均匀结晶度及材料的交联方式等影响,电缆绝缘中充满了较多的微孔,微孔较多主要反映加工过程中微孔内部压强未达标准值,无法将气体挤出,改善挤压方式以减少微孔体积,并提高剩余微孔的压强,以提高电树枝起始电压[19-21];②绝缘厚度越薄使得在加压过程中,材料受力更为均匀集中,且微孔的数量将会降低,增大了内部压强;③选用干式法交联替代湿式法进行聚乙烯交联,避免了水分汽化过程中引发大量微孔,增强绝缘性能。

由于交联聚乙烯为结晶相与无定型相共存的高分子化合物。由于结晶区与非晶区在密度及结构上存在一定差异,两者对于高能粒子的耐受能力ΔW0及反作用方式也不同,并且考虑到晶区中大晶粒的排渣效应及其所引起晶区分布不均匀性,也影响着物料对电树枝的耐受程度。

在非晶区内,如图8(a)中所示,存在着一些杂质及小分子物质,粒子自由运动空间大及材料的束缚作用相对较小,高能粒子的碰撞更易对其造成损伤,高温下非定型结构破坏并沿着大晶区之间间隙持续发展,最终形成树枝状的碳化结构。微孔引入将增加不定形区域的比例,形成电树枝产生、发展的薄弱环节[22]。而在晶粒分布均匀条件下(如图8(b)所示),非定形区区域体积较小,电子主要碰撞于晶粒并引起界面的高温碳化,由于晶粒结构抗损伤性能强,阻碍了缺陷向下发展,从而提高耐受能力ΔW0。控制适度的交联温度及交联时间,获取分布均匀并且结晶度较高的结晶形态,以改善绝缘材料的抗电树能力,即提高了最大耐受能量值ΔW0,进而提高了电树枝起始电压强度。

图8 交联聚乙烯均匀与非均匀结晶下电树生长Fig.8 Electric tree growth of XLPE under uniform and non-uniform crystallization

当微孔中气体为惰性气体时,可减少微孔中的电离程度,局部高能带电粒子的数量将会降低,局部放电所带来的局部过热现象将会减弱,增加了电树枝起始的难度。同时,在制造电缆时,需要控制交联过程不会过早发生,防止早期交联时的聚合物氧化后出现烧焦而产生的杂质,影响其与正常绝缘界面的结合从而形成气泡,降低了XLPE的产品质量[23-25]。因此,改变绝缘材料的结晶形态、采用惰性气体填充微孔及控制最佳交联时间等可提高ΔW0的大小,进一步增加了电树枝的起始电压。具体工程实现可在XLPE电缆中均匀布置导气管与挤压条,在导气管内部进行惰性气体微填充。

本文从模拟实验及数值化模型展开分析,探究出了不同XLPE电缆缺陷特征对电树枝起始电压的影响规律,并提出工程实践中阻碍交联聚乙烯电树枝老化的措施及方法。

(1)对比模拟实验结果与数值模型结果可知,交联聚乙烯半导体层缺陷最大电场分布可采用针-板电极的最大场强Mason模型进行表征,所获取的电树枝起始电压解析式为分析不同缺陷特征对于电树枝起始的影响规律提供理论依据。

(2)根据实验模拟及数值化模型的分析结果可知,针尖的曲率、微孔压强及引发电树枝所需能量ΔW0与电树枝起始电压之间都呈现正相关关系,改变以上缺陷特征可进一步阻碍电缆的电树枝老化。

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