擠包絕緣高壓直流電纜及附件絕緣性能的研究

吳葉平， 顧 金， 吳建東， 蘭 莉， 尹 毅

(1.浙江球冠集團(tuán)有限公司，浙江寧波315823;2.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海200240)

0 引言

擠包絕緣高壓直流電纜和附件是直流輸電中的關(guān)鍵設(shè)備之一，在研究和開(kāi)發(fā)直流電纜及附件絕緣的過(guò)程中，空間電荷的形成機(jī)制以及對(duì)綜合絕緣性能的影響一直是科學(xué)和工程界共同關(guān)心的問(wèn)題。自從20世紀(jì)80年代以來(lái)，有很多的論文報(bào)道了在電纜絕緣方面的最新研究成果，其中多數(shù)的研究者都聚焦在如何抑制電纜絕緣中的空間電荷，而關(guān)于附件絕緣的介電特性的研究則少得多［1-3］。根據(jù)Maxwell-Wagner的雙層介質(zhì)模型，如果電纜絕緣和附件絕緣的電導(dǎo)率比值與介電常數(shù)比值兩者相差越大，則雙層介質(zhì)的界面極化越顯著，在界面處形成的空間電荷越多，界面處的電場(chǎng)更為集中。而界面處的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比電纜和附件本體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低得多，最終導(dǎo)致電纜和附件界面處發(fā)生閃絡(luò)甚至擊穿;此外，界面處的空間電荷即使不會(huì)引起界面的瞬時(shí)擊穿，也會(huì)在空間電荷的入陷和脫陷過(guò)程中，加速界面處的老化，引起界面擊穿場(chǎng)強(qiáng)的降低。由于隨著溫度和電場(chǎng)的變化，聚合物絕緣材料電導(dǎo)率的變化較其介電常數(shù)的變化更加明顯［4］，因此降低電纜及附件絕緣材料電導(dǎo)率隨溫度和電場(chǎng)變化的敏感性是降低界面極化、抑制界面處空間電荷積累的重要途徑之一。

基于上述思想，采用兩種常用的電纜附件絕緣材料三元乙丙橡膠(EPDM)和硅橡膠(SIR)為基料，在添加了相同質(zhì)量份數(shù)的納米氧化鋁(Al2O3)后，研究了兩者在不同溫度和電場(chǎng)下的電導(dǎo)率的變化特性。另外為了說(shuō)明附件和電纜絕緣料電導(dǎo)率和介電常數(shù)的匹配性，還以三種商用電纜絕緣材料為例(分別是A、B和C)，研究了兩種橡膠絕緣與三種電纜絕緣料之間的電導(dǎo)率的匹配情況，研究表明三元乙丙橡膠和A型電纜絕緣料的配合情況最佳。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

三種型號(hào)的低密度聚乙烯(LDPE)，分別為A、B和C，各加入質(zhì)量份數(shù)2.3%的過(guò)氧化二異丙苯(DCP)后在密煉機(jī)中110°C下密煉10 min，隨后在平板硫化機(jī)上成型和交聯(lián)，交聯(lián)溫度和時(shí)間分別是185°C和15 min，交聯(lián)時(shí)平板硫化機(jī)的壓力為25MPa，隨后試樣冷卻至室溫，試樣的厚度為150 μm左右。

質(zhì)量份數(shù)為2.0%的納米Al2O3(南京納米高科技有限公司，粒徑30 nm)與質(zhì)量份數(shù)為2.3%的DCP在密煉機(jī)中分別與EPDM和SIR密煉共混15 min，其中EPDM的密煉溫度為60°C，SIR的密煉溫度為90°C。共混后的EPDM和SIR分別在平板硫化機(jī)上硫化成型，EPDM和SIR的硫化溫度分別是170°C和140°C，硫化時(shí)間為20 min。硫化后的EPDM和SIR在真空烘箱中進(jìn)行二次硫化，硫化溫度分別是80°C和150°C，硫化時(shí)間為24 h，真空烘箱的壓力為100 Pa。EPDM和SIR的厚度為300 μm左右。

1.2 直流電導(dǎo)率的測(cè)量

在直流電導(dǎo)率的測(cè)量前，所有樣品均在真空烘箱中短路24 h，真空烘箱的壓力為100 Pa，短路溫度為80°C。采用三電極系統(tǒng)測(cè)量電導(dǎo)率［5］，測(cè)量極、保護(hù)極和高壓極分別濺射金，保證樣品與電極的良好接觸，測(cè)量?jī)x器采用Keithley 6517A。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1分別是三種電纜絕緣材料A、B、C和EPDM、SIR在不同溫度和電場(chǎng)下的電導(dǎo)率。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，所有試樣的電導(dǎo)率隨著溫度和電場(chǎng)的增加而增加，這符合聚合物絕緣材料的一般規(guī)律。

為了定量分析電導(dǎo)率隨溫度和電場(chǎng)變化的敏感性，在本文中定義兩個(gè)參數(shù)，分別是P1和P2。其中P1是指樣品在同一溫度下，電場(chǎng)分別為30 kV/mm和1 kV/mm時(shí)電導(dǎo)率的比值;P2是指樣品在同一電場(chǎng)強(qiáng)度下，溫度分別為80°C和30°C時(shí)電導(dǎo)率的比值。

按圖1測(cè)試的數(shù)據(jù)計(jì)算P1和P2，分別如表1和表2所示。成如圖2所示的曲線。

圖1 不同試樣的電導(dǎo)率與溫度和電場(chǎng)的關(guān)系

表1 同一溫度下不同樣品的P1值

表2 同一電場(chǎng)下不同樣品的P2值

圖2 兩種橡膠絕緣與三種電纜絕緣分別組成的雙層介質(zhì)在不同溫度下的電導(dǎo)率比值與基線的關(guān)系

由表1可見(jiàn)，三種電纜絕緣料中，A樣品P1值最小;EPDM的P1值比SIR的更小。

從表2中可見(jiàn)，電纜絕緣樣品的P2隨電場(chǎng)的敏感性比附件樣品高;不同樣品在相同電場(chǎng)下隨溫度的變化敏感性較低。然而考慮到電纜絕緣中電場(chǎng)的梯度小于溫度梯度的客觀事實(shí)，溫度梯度對(duì)電導(dǎo)率的影響不可忽視。

本文實(shí)驗(yàn)用電纜絕緣的介電常數(shù)(εXLPE)約為2.25，而EPDM 和SIR的介電常數(shù)(分別用 εEPDM和εSIR表示)分別為 2.75 和 3.15，因?yàn)榫酆衔锏慕殡姵?shù)隨溫度和電場(chǎng)的變化較小，因此在本文研究的溫度和電場(chǎng)范圍內(nèi)認(rèn)為介電常數(shù)基本保持恒定。如果以上述三種電纜絕緣之一作為直流電纜的絕緣，而兩種橡膠之一作為附件絕緣，則有εEPDM/εXLPE=1.22，εSIR/εXLPE=1.4。為了抑制電纜絕緣和附件絕緣之間的界面空間電荷，必須使電纜絕緣和附件絕緣的電導(dǎo)率之比 σEPDM/σXLPE和 σSIR/σXLPE分別接近1.22和1.4。一般來(lái)說(shuō)，直流電纜和附件絕緣中的平均工作場(chǎng)強(qiáng)分別低于15 kV/mm和5 kV/mm。如果設(shè)定電纜的工作場(chǎng)強(qiáng)為10 kV/mm，附件的工作場(chǎng)強(qiáng)為3 kV/mm，則可以將圖1中的數(shù)據(jù)重新繪制

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)研究的溫度范圍內(nèi)，EPDM與樣品A組成的雙層介質(zhì)的電導(dǎo)率之比隨溫度的變化最接近基線;EPDM和樣品A組成的雙層介質(zhì)的電導(dǎo)率之比隨溫度的變化在低溫側(cè)(低于Tc=54°C)時(shí)的比值高于基線，而在高溫側(cè)時(shí)的比值低于基線，呈現(xiàn)出一種交叉和“呼吸”現(xiàn)象。而對(duì)于SIR，當(dāng)溫度高于40°C時(shí)，它與三種電纜絕緣樣品的電導(dǎo)率之比均大大偏離基線，隨著溫度升高，SIR與電纜絕緣界面之間的空間電荷將大大增加。

假設(shè)提高電纜絕緣和附件的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)，如電纜絕緣的工作場(chǎng)強(qiáng)為15 kV/mm，附件絕緣的工作場(chǎng)強(qiáng)為5 kV/mm，那么可以從圖1的數(shù)據(jù)中重新繪制附件絕緣和電纜絕緣電導(dǎo)率之比在不同溫度下與基線的關(guān)系，如圖3所示。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，EPDM與電纜絕緣樣品A的電導(dǎo)率之比與基線最接近，并且交叉和“呼吸”現(xiàn)象依然存在，但是臨界溫度Tc變成了40°C。

盡管通過(guò)電導(dǎo)率測(cè)量無(wú)法定量評(píng)估電纜絕緣與附件絕緣之間的界面極化空間電荷，但是它可以用于研究電纜絕緣和附件絕緣在常規(guī)溫度范圍內(nèi)的電導(dǎo)率變化比值，從而更加直觀地分析電纜絕緣和附件絕緣之間介電參數(shù)的匹配程度。

圖3 兩種橡膠絕緣與三種電纜絕緣分別組成的雙層介質(zhì)不同溫度下的電導(dǎo)率比值與基線的關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了三種電纜絕緣材料與兩種橡膠絕緣料在不同溫度和電場(chǎng)下的電導(dǎo)率，分別取三種電纜絕緣料和兩種橡膠絕緣料組成雙層介質(zhì)，分析了電導(dǎo)率在不同溫度和電場(chǎng)下的匹配情況。研究表明，以納米Al2O3改性的EPDM與A型電纜絕緣之間的配合情況最佳，因此認(rèn)為EPDM比SIR更適合用于高壓直流電纜附件絕緣。

［1］Hanley T L，Burford R P，F(xiàn)leming R J.General review of polymeric insulation for use in HVDC cables［J］.Electrical Insulation Magazine，IEEE，2003，19(1):13-24.

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［3］Takada T，Hayase Y，Tanaka Y.Space charge trapping in electrical potential well caused by permanent and induced dipoles for LDPE/MgO nanocomposite［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15(1);152-160.

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［5］IEC 60093:1980 Methods of test for volume resistivity and surface resistivity of solid electrical insulating materials［S］.