CN112989596A - 基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法，从能量的角度解释机械应力作用下电树枝的劣化机理；包括以下步骤：计算机械应力与电场联合作用下的聚合物应变能密度(Wm)和静电能密度(We)的总能量密度；计算未受到机械应力时，电树枝生长所需克服的表面能(Ws)和塑性形变能(Wf)；计算受到机械应力作用时，塑性形变能(Wf’)的表达式；得到以机械应力σ为自变量的驱动电树枝生长能量的函数表达式；根据函数图像，得到机械应力与聚合物电树枝劣化的作用关系。

Description

基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法
技术领域
本发明属于高压设备领域，涉及聚合物电树枝的劣化状态评估，特别涉及一种基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法。
背景技术
随着电网规模不断增大，传输容量逐步提升，对绝缘材料的可靠性和安全性要求也越来越高。绝缘材料在运行过程中会发生绝缘劣化现象，电树枝作为典型的绝缘劣化形式，受到了国内外学者的广泛关注。聚合物的绝缘劣化形式分为内部击穿和沿面击穿两种，内部击穿即电树枝击穿，是绝缘内部劣化的唯一形式。沿面击穿为电痕击穿，多发生于固体-气体或固体-液体的结合部位。电树枝是由于杂质、气泡等缺陷导致的局部电场集中所引起的局部放电现象，最终可贯穿高压电极与地电极，造成绝缘击穿。电树枝为树枝状放电通道，是制约电力系统安全可靠运行的瓶颈。
电树枝的引发和生长与其驱动能量密切相关。当聚合物受到电场作用时，静电场中储存着能量，我们称之为静电能。应变能是外力对聚合物作用过程中储存在聚合物内部的能量。应变能与静电能同时驱动电树枝生长。当聚合物内部的能量超过电树枝的生长阈值时，会造成分子链损伤或打断分子链，释放自由基。在氧的参与下，自由基发生链式反应，造成更大范围的裂解，最终形成低密度区。低密度区的局部放电阈值远低于纯介质，因此，当局部电场达到低密度区的击穿场强时，发生局部放电，数次的局部放电累积可形成空心的电树枝通道。当电树枝的驱动能量增大时，会加速电树枝的生长。
电缆在长期运行过程中，要承受机械应力(如重力、挤压力、拉伸力)和电压的同时作用。机械应力可改变分子链构象，从而影响电荷输运行为与内部电场分布，最终改变绝缘材料的电气性能。聚合物绝缘本体击穿与其承受的机械应力情况密切相关，承受较大机械应力时，局部分子链交联结构遭到破坏甚至发生断裂而形成裂纹等缺陷，电场强度较低时即可诱发电树枝生长。但是，目前机械应力下聚合物电树枝劣化研究尚停留在实验阶段，未从能量的角度给出机械应力作用下电树枝的劣化机理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法。
本发明提出的技术方案是：基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法，包括以下步骤：
1)计算机械应力与电场联合作用下的聚合物应变能密度(Wm)和静电能密度(We)的总能量密度：
Figure BDA0002967877670000021
Figure BDA0002967877670000022
式中，σ是机械应力，Y是弹性模量，εr是绝缘介质的相对介电常数，E是局部电场强度，其中π是常数，r和l分别是圆柱形电树枝通道的半径和长度；
2)计算未受到机械应力时，电树枝生长所需克服的表面能(Ws)和塑性形变能(Wf)：
Ws＝2πrγdl Wf＝πr2aδydl
式中，γ是表面张力，a是几何修正系数，δy是屈服应力；
3)计算受到机械应力作用时，塑性形变能(Wf’)的表达式：
W′f＝Wf±0.5πr2σedl
式中，e为应变水平，+σ为拉应力，-σ为压应力；
4)得到以机械应力σ为自变量的驱动电树枝生长能量的函数表达式：
Figure BDA0002967877670000023
式中，D为恒定常量；
5)得到机械应力与聚合物电树枝劣化的作用关系。
进一步地，随着拉应力+σ的增加，驱动电树枝生长能量增加，促进电树枝的生长。
进一步地，在压应力-σ增加的情况下，电树枝生长呈现非线性趋势，出现压应力-σ驱动电树枝生长能量最低，其耐电树枝能力最强。
进一步地，在电场不足以产生电树枝时，增加机械应力，也会促进电树枝的生长。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明计算机械应力作用下电树枝的驱动能量，得到了机械应力与聚合物电树枝劣化的作用关系，从能量的角度解释了机械应力作用下电树枝的劣化机理，达到满足聚合物绝缘机械应力设计需求的目的。因此，本发明对电力系统整体安全性、可靠性有重要的价值和意义。
附图说明
图1是本发明的机械应力与驱动能量的函数图像：
实线代表电场足够大时的表现；
虚线代表电场不足够大时的表现。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明的基于驱动能量的机械应力作用下聚合物电树枝劣化分析方法是如何实现的。
本发明的目的是提供从能量的角度解释机械应力作用下电树枝的劣化机理，提出一种基于驱动能量的机械应力作用下聚合物电树枝劣化分析方法，具体实施步骤如下：
首先，计算机械应力与电场联合作用下的聚合物应变能密度(Wm)和静电能密度(We)的总能量密度；
Figure BDA0002967877670000031
Figure BDA0002967877670000032
式中，σ是机械应力，Y是弹性模量，εr是绝缘介质的相对介电常数，E是局部电场强度，其中π是常数，r和l分别是圆柱形电树枝通道的半径和长度。
其次，计算未受到机械应力时，电树枝生长所需克服的表面能(Ws)和塑性形变能(Wf)；
Ws＝2πrγdl Wf＝πr2aδydl
式中，γ是表面张力，a是几何修正系数，δy是屈服应力。
然后，计算受到机械应力作用时，塑性形变能(Wf’)的表达式；
W′f＝Wf±0.5πr2σedl
式中，e为应变水平，+σ为拉应力，-σ为压应力。
然后，得到以机械应力σ为自变量的驱动电树枝生长能量的函数表达式；
Figure BDA0002967877670000033
Figure BDA0002967877670000034
式中，D为恒定常量；
最后，根据函数图像，得到机械应力与聚合物电树枝劣化的作用关系，如图1所示：
(1)随着拉伸应力的增加，驱动电树枝生长能量增加，促进电树枝的生长；
(2)在压缩应力增加的情况下，树木生长呈现非线性趋势，在一定压缩应力时，驱动电树枝生长能量最低，其耐电树枝能力最强；
(3)在电场不足以产生电树枝时，增加机械应力，也会促进电树枝的生长。

Claims (4)

1.基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)计算机械应力与电场联合作用下的聚合物应变能密度(Wm)和静电能密度(We)的总能量密度：
Figure FDA0002967877660000011
Figure FDA0002967877660000012
式中，σ是机械应力，Y是弹性模量，εr是绝缘介质的相对介电常数，E是局部电场强度，其中π是常数，r和l分别是圆柱形电树枝通道的半径和长度；
2)计算未受到机械应力时，电树枝生长所需克服的表面能(Ws)和塑性形变能(Wf)：
Ws＝2πrγdl Wf＝πr2aδydl
式中，γ是表面张力，a是几何修正系数，δy是屈服应力；
3)计算受到机械应力作用时，塑性形变能(Wf’)的表达式：
Wf'＝Wf±0.5πr2σedl
式中，e为应变水平，+σ为拉应力，-σ为压应力；
4)得到以机械应力σ为自变量的驱动电树枝生长能量的函数表达式：
Figure FDA0002967877660000013
式中，D为恒定常量；
5)得到机械应力与聚合物电树枝劣化的作用关系。
2.根据权利要求1所述的基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法，其特征在于，随着拉应力+σ的增加，驱动电树枝生长能量增加，促进电树枝的生长。
3.根据权利要求1所述的基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法，其特征在于，在压应力-σ增加的情况下，电树枝生长呈现非线性趋势，出现压应力-σ驱动电树枝生长能量最低，其耐电树枝能力最强。
4.根据权利要求1所述的基于驱动能量的机械应力作用下电树枝劣化分析方法，其特征在于，在电场不足以产生电树枝时，增加机械应力，也会促进电树枝的生长。
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