乙丙橡膠絕緣中氣隙引起的局部放電研究

門汝佳

(山西省化工設(shè)計(jì)院，太原 030024)

三元乙丙橡膠(ethylene propylene diene monomer，EPDM)作為一種功能性材料，以其優(yōu)異的抗氧化、耐候、電絕緣性和柔韌性，被廣泛用作煤礦、海底、石油和軌道交通用擠包電線電纜的絕緣材料[1-3]。然而在生產(chǎn)和運(yùn)行過程成中，三元乙丙橡膠絕緣中不可避免的會出現(xiàn)一些缺陷，影響其絕緣性能。氣隙是典型的造成礦用三元乙丙橡膠電纜絕緣電老化的缺陷之一[4-6]。這是因?yàn)楫?dāng)存在氣隙時，受電場作用，氣隙內(nèi)部將產(chǎn)生局部放電，腐蝕絕緣，并會引起電樹枝生成，造成絕緣劣化[7-8]。氣隙形成放電的主要原因是，受電場作用，氣隙內(nèi)部的空氣中承受的電場強(qiáng)度將高于三元乙丙橡膠中的電場強(qiáng)度，并且空氣的介電強(qiáng)度低于三元乙丙橡膠的介電強(qiáng)度，因此，氣隙有可能被擊穿形成放電。部分學(xué)者在環(huán)氧樹脂或交聯(lián)聚乙烯中制作圓柱形氣隙，試驗(yàn)研究氣隙形成的放電現(xiàn)象，分析了不同電壓下作用下氣隙放電譜圖的變化規(guī)律，及氣隙放電機(jī)理。這些研究表明，氣隙引起的局部放電與氣隙的形狀、尺寸和位置有關(guān)[9-12]。然而少見針對三元乙丙橡膠中存在氣隙缺陷時引起的放電現(xiàn)象，及放電對三元乙丙橡膠影響的研究，特別是不同頻率電壓下三元乙丙橡膠中氣隙放電的變化規(guī)律仍然不清楚。

為了進(jìn)一步理解三元乙丙橡膠電纜中氣隙引起的局部放電現(xiàn)象，本文在三元乙丙橡膠中制作了兩種典型氣隙缺陷，使用脈沖電流法測量了兩種氣隙缺陷在不同頻率正弦電壓作用下的局部放電譜圖，分析了不同頻率下局部放電的起始放電量和起始放電電場強(qiáng)度，研究了兩種氣隙造成的局部放電分布譜圖區(qū)別，為判斷礦用三元乙丙橡膠電纜中由于氣隙缺陷形成的局部放電提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試樣及試驗(yàn)設(shè)置

1.1 氣隙缺陷試樣制作

本文使用已經(jīng)密煉和濾橡的三元乙丙橡膠膠片制作含氣隙缺陷的試樣。該三元乙丙橡膠膠片推薦硫化溫度約為165 ℃，硫化時間約為15 min.硫化后的三元乙丙橡膠標(biāo)稱電阻率為4.1×1013Ω/cm，介電強(qiáng)度為26 kV/mm.試樣制作時將未硫化的三元乙丙橡膠膠片加入平板硫化機(jī)中，并在100 ℃下預(yù)熱不超過2 min，使三元乙丙橡膠變得柔軟。然后在兩片三元乙丙橡膠膠片中加入鋼珠，并在165 ℃和14 MPa下硫化約15 min.硫化時間到后，將試樣盡快從模具中取出，以防過硫化。最后將試樣從中間撕開，并取出鋼珠，形成氣隙缺陷。在局部放電試驗(yàn)過程中，為避免因?yàn)樗洪_試樣形成的界面對放電產(chǎn)生影響，應(yīng)盡量保證三元乙丙橡膠試樣被壓緊。制作好的兩種試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示，分別為被絕緣包圍氣隙和與電極相連氣隙。試驗(yàn)分別制作直徑為1.2，1.5，2.0 mm的氣隙，試樣厚度約為2.2 mm.

圖1 氣隙缺陷試樣結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of EPDM sample with a cavity

1.2 實(shí)驗(yàn)電路

局部放電試驗(yàn)電路如圖2所示。試驗(yàn)使用TREK 20/20C高壓電源放大器分別輸出頻率為20，50，200 Hz的正弦波。保護(hù)電阻用于限制由于擊穿形成的過電流，以防損壞儀器。外施電壓幅值通過1 000∶1的分壓器分壓后輸入局放儀。試驗(yàn)時，試樣夾在兩個直徑為25 mm的黃銅圓柱電極中間。為避免電極邊緣產(chǎn)生局部放電，電極使用環(huán)氧樹脂澆注。局部放電脈沖使用高頻電流傳感器測量。

圖2 局部放電試驗(yàn)電路圖Fig.2 Schematic diagram of partial discharge test system

試驗(yàn)中，首先采用慢速升壓法，逐漸將電壓升高，當(dāng)出現(xiàn)局部放電且放電量大于10 pC時的外施電壓幅值記為局部放電起始電壓Ui；然后分別將電壓升高至1.25Ui，1.5Ui，2Ui，分析不同頻率下的局部放電分布譜圖。每個電壓下，放電分布譜圖至少采集30 s.

2 正弦波下的局部放電

2.1 絕緣包圍氣隙的局部放電

圖3為乙丙橡膠中含有一個不同直徑被絕緣包圍氣隙起始放電電場強(qiáng)度(虛線)和起始放電量(實(shí)線)與正弦電壓頻率的關(guān)系。從圖3中可以看出，隨著外施電壓頻率逐漸升高，起始放電電場強(qiáng)度逐漸升高。對比不同直徑氣隙可以發(fā)現(xiàn)，較大氣隙的起始放電電場強(qiáng)度低于較小直徑氣隙的起始放電電場強(qiáng)度。然而，被絕緣包圍氣隙的起始放電量與氣隙直徑并沒有明顯的關(guān)系，僅是當(dāng)氣隙直徑為2.0 mm時，其起始放電量明顯大于1.2 mm和1.5 mm氣隙的放電量。

圖3 不同頻率正弦波下被絕緣包圍氣隙的起始放電電場強(qiáng)度和起始放電量Fig.3 Inception electric field and inception partial discharge amplitude of EPDM with different dielectric bounded cavities under sinusoidal voltage with different frequency

由于不同頻率下的被絕緣包圍氣隙的局部放電分布圖類似，這里僅以50 Hz時的局部放電分布圖為例。如圖4所示，在50 Hz正弦電壓作用下，不同電壓幅值的被絕緣包圍氣隙的局部放電分布圖變化規(guī)律。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同電壓幅值下，氣隙的正負(fù)半周放電分布譜圖呈對稱分布。在起始放電電壓作用下(約7 kV)，由于正負(fù)半周各有一個放電脈沖，且該脈沖的幅值變化不大，因此在放電分布圖中，正負(fù)半周各有一個深色的放電集中區(qū)域。隨著外施電壓升高，起始放電相位向左移動，并逐漸超過外施電壓過零點(diǎn)。當(dāng)電壓達(dá)到約10 kV時，出現(xiàn)兔耳形放電分布圖，其中較多的放電脈沖仍集中在約100 pC左右，一些出現(xiàn)次數(shù)較少的大幅值脈沖形成放電分布圖中的兔耳形狀。隨著放電時間的增加，氣隙中的氣體成分、電荷分布、壓力和溫度等逐漸趨于穩(wěn)定，兔耳形放電分布圖逐漸變?yōu)閳D4(c)所示的形狀。此后，即使在一定程度上升高外施電壓，放電分布譜圖也沒有太大的變化，如電壓從10 kV升高至15 kV.如圖4(d)所示，當(dāng)電壓升高到約20 kV以后，氣隙內(nèi)部原有平衡被高電場強(qiáng)度打破，兔耳形放電分布圖再次出現(xiàn)，并逐漸變?yōu)辇敱承?。此時，氣隙有可能擊穿。

圖4 被絕緣包圍氣隙的典型局部放電分布圖Fig.4 Partial discharge distribution of EPDM with a dielectric bounded cavity

2.2 與電極相連氣隙的局部放電

如圖5所示，乙丙橡膠中含有一個不同直徑與電極相連氣隙起始放電電場強(qiáng)度(虛線)和起始放電量(實(shí)線)與正弦電壓頻率的關(guān)系。從圖中可以看出與電極相連氣隙的起始放電電場強(qiáng)度及放電量與被絕緣包圍氣隙的變化規(guī)律類似。其起始放電電場強(qiáng)度與氣隙直徑成反比，直徑2.0 mm氣隙的起始放電量明顯大于其他兩種尺寸的氣隙。

如圖6所示，不同電壓的幅值與電極相連氣隙的局部放電分布圖。從圖中可以看出，與被絕緣包圍氣隙不同，與電極相連氣隙的局部放電分布圖正負(fù)半周的形狀僅在放電發(fā)生的相位上對稱分布，放電幅值正半周高于負(fù)半周，如圖6(a)和(b)所示。這是因?yàn)闅庀杜c高壓電極相連，導(dǎo)致外施電壓正半周時放電形成的自由電子會被高壓電極吸收，此時沒有能夠削弱氣隙內(nèi)部空間電荷的因素存在；而負(fù)半周時，放電形成的自由電子會在不與電極相接觸的氣隙下部積聚，形成與氣隙中空間電荷電場相反的電場，抵消一部分電場，所以正半周的放電量大于負(fù)半周。此外，與被絕緣包圍氣隙的局部放電分布譜圖的另一種不同點(diǎn)在于，與電極相連氣隙的局部放電分布圖始終為兔耳形狀，即使增加電壓也不會變化，僅是耳朵部分的形狀變成豎直的，不再彎曲。

圖5 不同頻率正弦波下與電極相連氣隙的起始放電電場超強(qiáng)度和起始放電量Fig.5 Inception electric field and inception partial discharge amplitude of EPDM with different electrode bounded cavities under sinusoidal voltage with different frequency

圖6 與電極相連氣隙的典型局部放電分布圖Fig.6 Partial discharge distribution of EPDM with an electrode bounded cavity

3 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)?zāi)M乙丙橡膠電纜絕緣存在的氣隙缺陷，制作了兩種氣隙缺陷試樣，分析了不同頻率的正弦波作用下氣隙中局部放電的起始放電電場強(qiáng)度和起始放電量及放電分布圖。由此得出，氣隙起始放電電場強(qiáng)度與氣隙直徑成反比。被絕緣包圍氣隙的局部放電分布圖在正負(fù)半周呈完全對稱的形狀，且隨著外施電壓幅值的升高，先出現(xiàn)兔耳形放電分布圖，隨后兔耳形放電消失；當(dāng)電壓升到較高值后，再次出現(xiàn)兔耳形放電分布圖，并逐漸變?yōu)辇敱承?，此時氣隙有可能擊穿。對與電極相連氣隙的局部放電在正負(fù)半周發(fā)生的相位相互對稱，而正半周放電幅值大于負(fù)半周，且放電分布圖始終為兔耳形。

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