CN103983902B - 一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法，包括交联聚乙烯电缆绝缘试片的制备、针电极的制备及预处理、电树枝试验用试样的制作、电树枝引发试验及数据处理，获得升压试验中的电树枝引发时间及电压，并在相同电压下进行恒压试验，测得电树枝引发时间，从而计算得交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数；本发明克服了传统击穿型加速电老化试验对设备要求高、操作困难、耗时费力、设计参数分散性大的缺点，所测得的高压交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数，数据稳定可靠、分散性小，能够真实有效的反映电缆绝缘的短时及长期耐电压性能，在针对新电缆进行绝缘设计、运行电缆进行剩余寿命评估都能采用，为电缆的长期稳定运行提供了有力保障。

Description

一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法

技术领域

本发明涉及电缆绝缘材料的电压耐受指数的确定方法，具体涉及一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法。

背景技术

近年来，在电压等级为150kV及以下的新安装交流线路中，交联聚乙烯绝缘电缆已成为首选，其使用量已大幅超过传统的油纸绝缘电缆；而在超高压输电领域，交联聚乙烯电缆的使用量也在不断攀升。早在十几年前，交流500kV交联聚乙烯电缆产品就已在日本通过试验检验并投入实际运行。相比而言，国内的电缆行业整体发展水平仍显落后，缺乏自主研究。

绝缘材料的电老化性能是进行绝缘结构设计和可靠性评估的基础，而电压耐受指数是其中的关键参数。研究发现，绝缘材料在高压、强场作用下满足电老化寿命定律，即场强E下的寿命τ满足关系式（1）

$\mathrm{\τ}=\frac{K}{E^{n_v}}---\left(1\right)$

式中，K和n_v均为常数，而n_v称为电压耐受指数或电老化寿命指数，描述材料耐受电压老化的性能。现有多种n_v值评定方法，包括传统评定法、恒定电压法、残存电压法、逐级升压累加法、近似简化法等，以及2007年IEC在《电气绝缘材料交流电压耐受性能评估的征求意见稿》中推荐的方法，但各种方法得到的n_v值一致性很差，即使用同一种方法得到的数据也可能相差十倍以上，甚至出现不合理的负值，无法满足实际应用需要。

电压耐受指数n_v反映绝缘材料的本征属性，通常由加速电老化试验中电压与寿命的关系求得，但试样制作、测试方法、电极尺寸、环境条件等均可能对其造成影响。在确定的结构下，n_v的大小将直接影响电缆的设计寿命，例如，n_v从10增大到15可能导致电缆的预期寿命从几十天变化到几百年。传统以击穿试验为主体的加速电老化寿命评估方法对设备要求高、操作困难、耗时费力、设计参数分散性大。发展更为简单有效的试验技术，提出分散性小、精确度高的表征参数，这已成为学术界和工业界共同呼吁的问题，也是对传统设计方法及参数测试技术的挑战。

近年来，一种广泛采用的研究方法是在块状聚合物中引入金属或半导体针极来模拟材料中的杂质，对这种树枝化测试试样进行相关的电树枝引发及生长试验，通过材料的耐电树枝特性反映其长期电老化性能。

研究发现，对高压交联聚乙烯电缆，电树枝化是导致绝缘失效的决定性因素，交联聚乙烯电缆击穿总是以绝缘中电树枝的出现为先导。一旦电树枝在交联聚乙烯绝缘中得以引发，电缆将在较短时间内被击穿而完全失效。特别是对于薄层绝缘或强场下应用的场合，介质击穿将完全由树枝引发所主导，树枝生长阶段的整体影响相对较小。因此，以电树枝的出现作为交联聚乙烯绝缘电缆寿命终结的标志是合理的，符合可靠性寿命设计的基本原则。

在针对500kV交联聚乙烯电缆所进行的绝缘开发试验中发现，总共23个击穿试样中，引发击穿的缺陷有17例是杂质，6例是凸起。而由杂质和凸起类缺陷所导致的绝缘中局部电场增强效应，可以通过电树枝试验中引入的针电极进行很好的模拟。研究者曾经利用交联聚乙烯电缆试样进行过对比试验，一种是从绝缘屏蔽处插入针电极，另一种在导体屏蔽上人为制造凸起，结果发现，两者的试验数据分布在同一条曲线上。而且，由电缆试样测得的电树枝引发场强与交联聚乙烯块状试样上测得的值几乎完全相等。此外，对带有嵌入式针极的聚乙烯试样所进行的研究还发现，电树枝引发时间随外加电压的变化特性与通过击穿试验获得的电老化寿命曲线具有完全类似的形状和变化趋势。

众所周知，交联聚乙烯电缆的击穿是发生在绝缘中弱点上的击穿，而电树枝化正是在针极附近所发生的局部微击穿现象，针极就代表了绝缘中的弱点。因此，两者之间必然存在对应性，这正是绝缘材料的短期击穿和长期电老化性能能够通过树枝化试验得以反映的理论基础；而如上述所述，绝缘材料的树枝化及击穿特性之间的相似性已获得广泛认同，这也为利用电树枝试验替代传统的击穿试验进行电压耐受指数的求取提供了有力的数据支持。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法，克服击穿试验对设备要求高、操作困难、耗时费力、设计参数分散性大的缺点，本发明所提出的方法需要的试样量少、操作简单，按照该方法所确定的电压耐受指数分散性小、精确度高，在针对新电缆进行绝缘设计开发、现役电缆进行剩余寿命评估时都能采用，为电缆的长期稳定运行提供了有力保障。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法，包括如下步骤：

步骤1：试片的制备：从交流电缆交联聚乙烯绝缘线芯上，将缆芯导体抽出后，剩余部分为包含导体屏蔽、绝缘以及绝缘屏蔽的同心圆柱体，利用高速车床将同心圆柱体沿径向切割，形成厚度为(5±0.5)mm的空心圆盘试片，或再将同心圆柱体切分为两片半圆形试片；切片过程要保证试片表面尽可能的平整光滑；

步骤2：针电极的制备及预处理：选用模具钢制作针电极，要求表面光滑，直径为(1±0.1)mm，针尖曲率半径为(10±1)mm，针尖圆锥角为30°；在显微镜下对针电极进行观察，将不满足要求的剔除，满足要求的针电极进行如下预处理：首先用无水乙醇清洗针电极，随后将其置于烘箱内，在60℃条件下进行烘干，半小时后取出；然后，将针电极置于加热至140℃的低密度聚乙烯和二甲苯的饱和溶液中，蘸上一层低密度聚乙烯涂层，将针电极倒置，在室温条件下自然冷却24小时；

步骤3：试样的制作：利用夹具将步骤1制备的圆形或半圆形试片进行有效固定，并将圆形或半圆形试片加热至125℃进行预热软化，将步骤2预处理后的针电极从绝缘屏蔽处缓慢匀速的插入圆形或半圆形试片中，控制针电极与导体屏蔽的距离为(2±0.2)mm；针电极插入至预设位置后保持10分钟，之后在105℃下将试样从夹具中取出置于平整的玻璃板上，在室温条件下自然冷却；试样的制作过程要尽量避免在针尖区域形成气隙或者残余机械应力；

步骤4：电树枝引发试验及数据处理：将试样固定在测试容器内并浸于硅油中，针电极上施加工频电压，导体屏蔽接地，对试样进行电树枝引发试验，方法如下：

首先进行升压试验：以开始加压的时刻作为时间零点，按照每30分钟升压1kV的速率，在试样的针电极上施加工频交流电压，并实时观察试样的针电极尖端，一旦观察到电树枝引发，即停止加压，记录此时的外加电压U_i，以及电树枝的引发时间t_i；对10个试样在相同条件下按照上述步骤进行试验，一共测得10组数据，即（U_ix,t_ix）（x=1…10）；利用二元Weibull分布分别对10个电压和时间数据进行统计处理，获得对应于63.2%电树枝引发概率的电树枝引发时间，记为t_p，以及对应于63.2%电树枝引发概率的外加电压，记为U_p；

接下来进行恒压试验：直接在试样的针电极上施加大小为U_p的工频交流电压，并实时观察试样的针电极尖端，一旦观察到电树枝引发，即停止加压，记录电树枝的引发时间t_h；对10个试样在相同条件下按照上述步骤进行试验，一共测得10个数据，即t_hx（x=1…10）；利用二元Weibull分布对10个时间数据进行统计处理，获得对应于63.2%电树枝引发概率的电树枝引发时间，记为t_o；

步骤5：电压耐受指数的计算：将从升压试验中测得的t_p和恒压试验中测得的t_o带入公式（2）中，

$n_v=\frac{t_p}{t_o}-1---\left(2\right)$

获得电压耐受指数n_v的值；

步骤4所述的利用二元Weibull分布对电树枝引发时间数据的统计处理过程如下：将测得的10个时间数据t_ix（x=1…10）按照从小到大的顺利进行排列，分别记为t_n（n=1…10），并对每个时间数据对应的电树枝引发概率F(n)（n=1…10）赋值，用式（3）计算，

$F\left(n\right)=\frac{n-0.44}{10.25}\×100\%---\left(3\right)$

以时间为横坐标，电树枝引发概率为纵坐标，在Weibull坐标纸上做出（t_n，F(n)）数据点，并利用直线进行最优拟和，确定对应于引发概率为63.2%时的电树枝引发时间。

本发明所提出的方法需要的试样量少、操作简单，按照该方法所确定的电压耐受指数分散性小、精确度高，在针对新电缆进行绝缘设计开发、现役电缆进行剩余寿命评估时都能采用，为电缆的长期稳定运行提供了有力保障。

附图说明

图1为本发明实施例制备的空心圆形试片示意图。

图2为本发明实施例制备的试样示意图。

图3为本发明实施例确定对应于引发概率为63.2%时的电树枝引发时间曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作更详细的说明。

利用本发明所提出的方法对110kV交流电缆的交联聚乙烯绝缘进行电树枝引发试验，确定其电压耐受指数，包括如下步骤：

步骤1：试片的制备。从110kV交联聚乙烯绝缘交流电缆的绝缘线芯上，将缆芯导体抽出，剩余包含导体屏蔽、绝缘以及绝缘屏蔽的同心圆柱体，利用高速车床将其沿径向切割，形成厚度为(5±0.5)mm的空心圆盘试片，或再将一片圆盘切分为两片半圆试片，如图1所示；

步骤2：针电极的制备及预处理。选用模具钢制作针电极，直径为(1±0.1)mm，针尖曲率半径为(10±1)μm，针尖圆锥角为30°。在显微镜下对钢针进行观察，选择满足要求的钢针进行下面的预处理。首先用无水乙醇清洗钢针，随后将其置于烘箱内，在60℃条件下进行烘干，半小时后取出。接下来，将钢针置于加热至140℃的低密度聚乙烯和二甲苯的饱和溶液中，蘸上一层薄薄的低密度聚乙烯涂层，将针倒置，在室温条件下自然冷却24小时；

步骤3：试样的制作。利用夹具将圆形或半圆形试片进行有效固定，并将试片加热至125℃进行预热软化，将钢针从绝缘屏蔽处缓慢匀速的插入试片中，控制钢针与导体屏蔽的距离为(2±0.2)mm。钢针插入至预设位置后保持10分钟，之后在105℃下将试样从夹具中取出置于平整的玻璃板上，在室温条件下自然冷却。制备好的试样如图2所示；

步骤4：电树枝引发试验及数据处理。将试样固定在测试容器内并浸于硅油中，防止高压沿面闪络并增加试样透明度；针电极上施加工频电压，导体屏蔽接地；

首先进行升压试验：以开始加压的时刻作为时间零点，按照每30分钟升压1kV的速率，在试样的针电极上施加工频交流电压，并实时观察试样的针电极尖端，一旦观察到电树枝引发，即停止加压，记录此时的外加电压U_i，以及电树枝的引发时间t_i。对10个试样在相同条件下按照上述步骤进行试验，一共测得10组数据，即（U_ix,t_ix）（x=1…10）；

利用二元Weibull分布对10个电树枝引发时间数据进行统计处理，步骤如下。将测得的10个时间数据t_ix（x=1…10）按照从小到大的顺利进行排列，分别记为t_n（n=1…10），并对每个时间数据对应的电树枝引发概率F(n)（n=1…10）赋值，用式（3）计算，结果列于表1中，

表1

以时间为横坐标，电树枝引发概率为纵坐标，在Weibull坐标纸上做出（t_n，F(n)）数据点，并以直线进行最佳拟和，确定对应于引发概率为63.2%时的电树枝引发时间，如图3所示，为288.6分钟；

按照类似步骤，可以确定电树枝引发概率为63.2%时所对应的外加电压为10.1kV；

接下来在10.1kV下对试样进行恒压试验。在试样的针电极上施加10.1kV的工频交流电压，并实时观察试样的针电极尖端，一旦观察到电树枝引发，即停止加压，记录电树枝的引发时间t_h。对10个试样在相同条件下按照上述步骤进行试验，一共测得10个数据，即t_hx（x=1…10）。利用二元Weibull分布对10个时间数据进行统计处理，获得对应于63.2%电树枝引发概率的电树枝引发时间，为19.5min；

步骤5：电压耐受指数的计算：将从升压试验中测得的t_p和恒压试验中测得的t_o带入公式（2）中，求得n_v的值，

$n_v=\frac{288.6}{19.5}-1\≈13.8---\left(2\right)$

最终确定110kV交流电缆交联聚乙烯绝缘的电压耐受指数为13.8。

Claims (2)

1.一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：试片的制备：从交流电缆交联聚乙烯绝缘线芯上，将缆芯导体抽出后，剩余部分为包含导体屏蔽、绝缘以及绝缘屏蔽的同心圆柱体，利用高速车床将同心圆柱体沿径向切割，形成厚度为4.5～5.5mm的空心圆盘试片，或再将同心圆柱体切分为两片半圆形试片；切片过程要保证试片表面尽可能的平整光滑；

步骤2：针电极的制备及预处理：选用模具钢制作针电极，要求表面光滑，直径为0.9～1.1mm，针尖曲率半径为9～11μm，针尖圆锥角为30°；在显微镜下对针电极进行观察，将不满足要求的剔除，满足要求的针电极进行如下预处理：首先用无水乙醇清洗针电极，随后将其置于烘箱内，在60℃条件下进行烘干，半小时后取出；然后，将针电极置于加热至140℃的低密度聚乙烯和二甲苯的饱和溶液中，蘸上一层低密度聚乙烯涂层，将针电极倒置，在室温条件下自然冷却24小时；

步骤3：试样的制作：利用夹具将步骤1制备的圆形或半圆形试片进行有效固定，并将圆形或半圆形试片加热至125℃进行预热软化，将步骤2预处理后的针电极从绝缘屏蔽处缓慢匀速的插入圆形或半圆形试片中，控制针电极与导体屏蔽的距离为1.8～2.2mm；针电极插入至预设位置后保持10分钟，之后在105℃下将试样从夹具中取出置于平整的玻璃板上，在室温条件下自然冷却；试样的制作过程要尽量避免在针尖区域形成气隙或者残余机械应力；

步骤4：电树枝引发试验及数据处理：将试样固定在测试容器内并浸于硅油中，针电极上施加工频电压，导体屏蔽接地，对试样进行电树枝引发试验，方法如下：

首先进行升压试验：以开始加压的时刻作为时间零点，按照每30分钟升压1kV的速率，在试样的针电极上施加工频交流电压，并实时观察试样的针电极尖端，一旦观察到电树枝引发，即停止加压，记录此时的外加电压U_i，以及电树枝的引发时间t_i；对10个试样在相同条件下按照上述步骤进行试验，一共测得10组数据，即(U_ix,t_ix),x＝1…10；利用二元Weibull分布分别对10个电压和时间数据进行统计处理，获得对应于63.2％电树枝引发概率的电树枝引发时间，记为t_p，以及对应于63.2％电树枝引发概率的外加电压，记为U_p；

接下来进行恒压试验：直接在试样的针电极上施加大小为U_p的工频交流电压，并实时观察试样的针电极尖端，一旦观察到电树枝引发，即停止加压，记录电树枝的引发时间t_h；对10个试样在相同条件下按照上述步骤进行试验，一共测得10个数据，即t_hx，x＝1…10；利用二元Weibull分布对10个时间数据进行统计处理，获得对应于63.2％电树枝引发概率的电树枝引发时间，记为t_o；

步骤5：电压耐受指数的计算：将从升压试验中测得的t_p和恒压试验中测得的t_o带入公式(2)中，

$n_v=\frac{t_p}{t_o}-1---\left(2\right)$

获得电压耐受指数n_v的值。

2.根据权利要求1所述的一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法，其特征在于：步骤4所述的利用二元Weibull分布对电树枝引发时间数据的统计处理过程如下：将测得的10个时间数据t_ix，x＝1…10，按照从小到大的顺利进行排列，分别记为t_n，n＝1…10，并对每个时间数据对应的电树枝引发概率F(n)赋值，n＝1…10，用式(3)计算，

$F\left(n\right)=\frac{n-0.44}{10.25}\×100\%---\left(3\right)$

以时间为横坐标，电树枝引发概率为纵坐标，在Weibull坐标纸上做出(t_n，F(n))数据点，并利用直线进行最优拟和，确定对应于引发概率为63.2％时的电树枝引发时间。