您的当前位置:首页正文

基于介损频谱的XLPE电缆抗水树性能检测方法研究

2021-12-17 来源:客趣旅游网
绝缘材料 20 1 3,46(2) 朱晓辉等:基于介损频谱的xLPE电缆抗水树性能检测方法研究 57 基于介损频谱的XLPE电缆抗水树 性能检测方法研究 朱晓辉 ,胡文佳 ,孟峥峥 ,高 宇2,杜伯学 (1.天津电力科学研究院,天津300384;2.天津大学电气与白动化工程学院,天津300072) 摘要:通过建立水树老化试验装置,模拟实际运行中电力电缆绝缘层的水树老化情况,分析了水树老化试验前 后交联聚乙烯(XLPE)和抗水树老化交联聚乙烯(TR—XLPE)的介质损耗频率谱,提出了一种基于介损频谱的 XLPE电缆抗水树性能检测方法,用以快速判断TR—XLPE电力电缆与常规XLPE电力电缆的抗水树性能。 关键词:水树老化;TR.XLPE;抗水树性能检测;介损频谱 中图分类号:TM855. ̄2;TQ325.1 2 文献标志码:A 文章编号:1009—9239(2013)02—0057—04 ter Tree Resistance Detection Method for XLPE Power Cables Based on Frequency Spectrum of Dielectric Loss Zhu Xiaohui ,Hu Wenjia ,Meng Zhengzheng ,Gao Yu ,Du Boxue ( .Tianjin Electric Power Research Institute,Tianjin 300384,China; 2.School of Electrical Engineering and Automation.Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstract:A test device for water-treeing was built to simulate the water treeing situation of the insula— tion layer in power cables,and the frequency spectrum of dielectric loss before and after the aging test of cross—linked po1yethylene(XLPE)and water tree resistance cross-linked polyethy1ene(TR—XLPE)were an— alyzed.Finally,a detection method based on the frequency spectrum of dielectric loss was proposed to quickly distinguish the TR—XLPE power cables from the normal XLPE power cables. Key words:water-treeing;TR—XLPE;water-tree resistance detection;frequency spectrum of dielectric loss 0 引 言 影响 删。在运行过程中一旦生成水树枝,其在生长 过程中会随着其尖部场强的不断集中而转化为电 树枝,电树枝则可能使电缆绝缘层在短期内被击 穿,从而发生事故。水树枝转变成电树枝是运行 随着城市和现代工业的迅速发展,交联聚乙烯 (XLPE)电力电缆由于其优异的电气性能和传输容 量大、耐热性好、易于弯曲、附件接头简单、安装敷 设方便等优点被广泛应用于城市输电线路和配电 网中。在干燥环境中电缆绝缘的电气性能十分优 越,然而电缆投入运行后,必将受到电、热、潮湿、机 械、化学等因素的作用发生老化。研究表明,水树 枝老化是聚烯烃电力电缆在潮湿环境下发生绝缘 击穿的主要诱因 。。1。水树的形成与诸多因素有关, 外因主要是电场和潮气的共同影响,实质是由材料 本身的特性决定的。在实际情况下还与电缆的诸 多使用条件密不可分,如水树形成受电场的大小及 15~2O年后的XLPE绝缘电力电缆线路发生电缆本 体击穿运行故障的主要原因u 。 水树枝是聚乙烯(PE)类绝缘材料在长时间与 水共存状态下因电场作用产生的,形状为充满了水 的各种树枝状的细微通道或气隙” 。聚乙烯是一种 由结晶相和无定形相组成的半结晶高聚物。结晶 相结构紧凑,晶界缺陷弱;结晶相与无定形相界面 会产生微孔聚集。XLPE分子结构中存在同样的问 题,同时XLPE中有较多的交联副产物充当杂质,在 作用时间、温度、水压以及水中可溶离子等因素的 收稿日期:2012—08—09 基金项目:教育部博士点基金新教师类(20l00032l20082) 交变电场下有较大的吸水率 。交联聚乙烯和聚乙 烯绝缘吸水后,在电场作用下形成水树枝,绝缘晶 相与无定形相界面成为水树枝优先发展的通道。 虽然水树枝老化是一个较为漫长的过程,但 XLPE介质中因存在杂质、微孑L等缺陷,运行3 ̄9年 作者简介:朱晓辉(1963一),男,高级工程师,博士,主要从事电力电 缆老化机理及局部放电在线监测研究丁作。 58 朱晓辉等:基于介损频谱的xLPE电缆抗水树性能检测方法研究 绝缘材料 20 1 3,46(2) 后XLPE绝缘电力电缆介质中均会有不同程度的水 树枝形成U 5]。绝缘内外一旦出现“水树枝”,绝缘的 击穿将从“水树枝”尖端开始发展,从而减薄绝缘厚 度,降低绝缘水平,运行3~7年后,击穿强度可能下 降至18%~27.5%。有的“水树枝”在2~4年内便可达 到0.5 mm左右,当发展到1.5 mm时,绝缘强度将显 著下降 。对于运行电缆,电缆的设计运行寿命大 于30年,为延长电缆的使用寿命、提高使用过程中 的安全性,使用具有抗水树老化性能的XLPE电缆 十分必要。 目前国内外用于识别XLPE电缆抗水树性能的 方法主要有两种:一种是比对电缆原材料生产厂商 提供的相关抗水树电缆原材料的标准红外光谱,该 方法存在明显的局限性;另一种为ASTM D 6097—01a(2008)推荐的方式” ,通过针电极在电缆 绝缘试样上直接培养水树枝并用显微镜观察、测试 水树枝生长的长度,但该方法不便应用于在工程上 检测和评估XLPE绝缘材料的抗水树性能。因此, 寻找XLPE绝缘材料的抗水树性能的工程评价方法 成为绝缘材料领域和电缆行业关注的重要课题。 提出了一种基于检测绝缘材料介质损耗频谱 的方法,可以有效判断XLPE电缆的抗水树性能,该 方法能够满足抗水树老化XLPE电缆性能的快速检 测要求,还可用于指导抗水树电缆材料的研发和抗 水树电缆的验收检测工作。 1 实验 1.1试样制备 试验试样取自A厂和B厂提供的(1土0.1)mm厚 的常规交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘材料和抗水树 老化交联聚乙烯(TR-XLPE)电缆绝缘材料。从A 厂提供的XLPE和TR.XLPE薄板中分别制取9片表 面平整、厚度均匀的直径为25 mill的圆盘状试样, 对每片试样依次用清水和无水乙醇清洗,去除表面 杂质。分别将9片试样分成3组,每组3片试样,进 行水树老化试验。对B厂提供的XLPE和TR—XLPE 试样做相同处理。 1.2水树老化试验 对上述准备好的一组试样进行lO天的水树老 化试验,另一组试样进行5天的水树老化试验,剩余 一组试样不做任何老化处理,用作对比。 水树老化试验线路如图1(a)所示,其中高压电 源由调压器 和高压试验变压器 构成, 为试验 变压器 自带的保护电阻,试验变压器 的变比为 1:100,试验杯如图1(b)所示。 220V 50Hz (a)水树老化试验线路原理图 接地黄铜电极  ̄25mm (b)水树枝试验杯 图1水树老化试验装置 水树老化试验在室温下进行,室温保持为(21i 2)℃,电源频率为50 Hz,实验电压为10 kV,场强约 为10 kV/mm。试验杯中充满氯化钠(NaC1)溶液, 以构成高压水针电极,使试样在电解液和电的共同 作用下加速水树枝生长。试验所用氯化钠溶液的 配制参考标准《固体绝缘材料中生长发射状水树的 相对阻力的标准试验方法》中推荐的1.ON NaC1导 电溶液,所用的水为蒸馏去离子水。 1-3宽频介电频谱测试 将水树老化前后的各试样在无水乙醇中清洗, 再进行超声清洗处理,最后在50℃恒温箱内干燥 2 h后取出,在试样上下表面涂上导电银胶,待导电 银胶干固后进行测试。采用德国进口的Novo Con. trol宽频介电阻抗谱分析仪测试频率在5×10-2 10 Hz范围内试样的介质损耗因数,测试在室温、真空 条件下进行,测试电压为1 kV交流电压。 2结果与讨论 2.1老化程度对试样tanOfltJ影响 图2为A厂生产的常规XLPE和抗水树交联聚 乙烯(TR—XLPE)电缆绝缘料的介质损耗频谱。 绝缘材料 20 1 3,46(2) 1 朱晓辉等:基于介损频谱的xLPE电缆抗水树性能检测方法研究 59 测试分析B厂生产的常规XLPE和TR—XLPE 电缆绝缘料经5天、10天水树老化后的介质损耗因 数,结果得到类似的试验结果。说明在相同水树老 1 l 莹1 l 量 化条件下,XLPE试样比TR—XLPE试样更容易生长 水树枝,即TR—XLPE的抗水树老化性能明显优于 XLPE电缆绝缘材料。 。1 O 1 lgf 2 2.2频率对试样tan3的影响 老化前后XLPE和TR—XLPE试样的介损频谱 (a)XLPE试样的介损频谱 l8 16 , 14 12 1o 均表明,当外施电压的频率很小(5×10。Hz)时, XLPE和TR.XLPE试样的tanO值很大;频率逐渐升 高XLPE和TR—XLPE试样的tan5值急剧下降;当频 率增大到10 Hz附近,试样的tanc ̄值不再减小,试样 的tanO值开始随着频率的继续增大而升高,其中 TR—XLPE试样的介损增幅较大。图3为相同老化 量8 6 4 2 0 1 lgf 2 程度下B厂提供的XLPE电缆绝缘料和TR.XLPE 电缆绝缘料的介质损耗频谱比较。 聚乙烯是一种由结晶相和无定形相组成的非 极性聚合物,因此XLPE和TR—XLPE中会因晶区和 非晶区共存而产生界面,又有交联副产物和未反应 完全的抗水树添加剂充当杂质,加之材料内部同有 的和因生长水树枝产生的缺陷,当外施电场频率很 小(10。。~10 Hz)时,在电场作用下介质中的自由电荷 (b)TR—XLPE试样的介损频谱 图2水树老化前后XLPE和TR.XLPE试样的 介损频谱(A厂) 由图2可知,水树老化时间增加,XLPE试样的 介质损耗因数tanO明显增大。通常水树发生的概率 越大,水树越长,tan8值越大[2o1。由此可知,水树老 化后在XLPE内部产生了水树,而且水树老化10天 后XLPE内部水树枝的生长情况明显比水树老化5 天后的复杂。与XLPE试样相比,TR—XLPE试样的 tanc ̄值随老化时间的增加变化很小,其中水树老化5 天后的TR.XLPE试样的介损几乎没有增加,但是水 树老化10天后试样的介损有微小的增长,其增幅小 于5天水树老化的XLPE试样的介损增幅。这是因 为TR—XLPE绝缘材料只是阻碍水树枝的生长,并不 能阻止其生长 ”。 载流子在界面和缺陷处聚集,形成空间电荷的局部 积累,从而产生界面极化,且随电场频率的增大而 下降。当电场频率在10。Hz附近时,绝缘介质有足 够的时间来完成偶极子转向极化并且达到稳定状 态,此时不存在转向极化滞后电场变化的现象。当 电场频率逐渐增大,转向极化开始滞后于电场变 化,这时电介质放出的能量小于吸收的能量,能量 差消耗于克服偶极子转向时所受的摩擦阻力,从而 产生介质损耗,但由于其值很小可以忽略。因此, 低频率(10~~10 Hz)下介质极化以界面极化为主,偶 极子转向极化为辅,相应的介质损耗也主要由界面 极化产生,且随外施交变电场频率的增大而下降。 3 2 q-,2 宝 × 2 2 × 量 虽1 量 .1 O 1 lgf 2 3 .1 O l lgf 2 3 .1 O 1 lgf 2 3 (a)未老化 (b)老化5天 图3相同老化程度XLPE与TR—XLPE介损频谱比较(B厂) (c)老化10天 朱晓辉等:基于介损频谱的XLPE电缆抗水树性能检测方法研究 绝缘材料2013,46(2) 观察图3发现,低频率(10~~10 Hz)下,未老化 的XLPE和TR—XLPE的介损基本一致,甚至 TR.XLPE的介损略大,这可能是TR—XLPE中存在 剩余的抗水树添加剂充当杂质的原因。水树老化5 天和10天后,XLPE的介损明显大于TR.XLPE的介 损,说明XLPE更易生长水树枝,使XLPE内部缺陷 更多,界面极化产生的损耗更大。 当电场频率大于10 Hz时,随交变电场频率的 增大,偶极的转向越来越跟不上电场变化,此后介 质极化以偶极子转向极化为主,相应的介质损耗也 主要由转向极化产生。在一定温度下,交变电场中 德拜(Debye)色散方程为: s s + 意 s + 1+co2r2一ico 坠1 4 O)2T2(1)上,) 式(1)中:f=r S 十 南此可得介质损耗tanfi: tan = 式(2)表达了介电性能的频率依赖性。由式 (2)可知,此时随交变电场频率的增大,介质损耗会 逐渐增大。相对于XLPE而言,TR.XLPE内部由于 抗水树添加剂的影响材料本身就具有固定的偶极 矩,一旦加上外电场,偶极矩沿电场方向排列的概 率更大,偶极子转动受到周同分子的阻碍作用更 大,因此在此频率段TR—XLPE的介质损耗随频率的 增幅较XLPE试样更明显。 3结论 (1)XLPE试样的介质损耗因数tanO随水树老化 时间的增加明显增大,而TR—XLPE试样的tan6值随 老化时间的增加有微小的增长趋势,但变化很小; (2)在低频段,XLPE和TR XLPE试样的tanfi值 都随着频率的增大而减小;当频率增大到某定值 时,tana值不再减小;外施电场频率继续增大,试样 的tanfi值随之增大,其中TR.XLPE试样的tanfi值增 幅较明显; (3)选取1~10 Hz频段的介质损耗频谱用来标 定XLPE绝缘材料的抗水树性能是一种可行并有效 的方法 参考文献: 【1] Shaw M T,Shaw S H.Water Treeing in Solid Dielectrics IJJ.IEEE Transactions on Electrical Insulation,1984,l9(5): 4l9—452. [2] Steennis E Kreuger F H. Water Treeing in Polyethylene Cables[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation,1 990, 25(5):989-1 028. 『3]Auckland D、 Varlow B R,Syamsuar M.Mechanical As— pects of Water Treeing[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation,1991,26(4):790—796 f41 Patsch R.Electrical and Water Treeing:A Chairman’s View 『J].IEEE Transactions on Electrical Insulation,1992,27(3): 532—542. [5] Castellani L,Peruzzotti Zaopo A,et a1.Water Treeing Retardant Materials for Cable Insulat0rs[C】//1 997 IEEE An— nual Repo ̄一conference on Electrical Insulation and Dielec。 tric Phenomena 1 997:3 1 2-3 l 6. [6] Ross R.Inception and Propagation Mechanisms of Water Treeing[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1 998,5(5):660—680. [7]王金锋,刘志民,李彦雄,等.化学交联方式对聚乙烯水树枝老 化特性的影响 .高电压技术,201 1,37(10):2477—2483. [8】Tanaka,Fukuda,Suzuki.Water Tree Formation and Lifetime Estimation in 3.3kV and 6.6kV XLPE and PE Power Cables Ⅲ.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1976,95(2):1892・1900. [9]Filippini J C,Meyer C T.Water Treeing Test Using the Wa— ter Needle Method:the Influence of the Magnitude of the Electric Field at the Needle Tip[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1 988,23(2):275—278. [10]豆朋,文习山,龚瑛.几种因素对水树枝生长影响的研究[J]l绝 缘材料,2005,38(1):33.36. [11]王乐西颖,汪辉平,等.绝缘材料水树产生及发展机理的研究 现状 .电线电缆,2006(6):5—8. [12]郑晓泉.在绝缘诊断试验技术的发展中了解水树机理[J].电 线电缆 2001(5):26—31. [13】党智敏,亢婕,屠德民.聚合物巾水树的研究现状[J].电线电 缆,2001(4):30—33. [14]何军,屠德民.XLPE电缆绝缘中水树的形成机理和抑制方法 分析Ⅲ.绝缘材料,2008,41(6):54,62. [15]史济康,朱海钢,徐永铭,等.35kV及以FXLPE绝缘电力电缆 品质分析lJ].高电压技术,2005,31(1 1):48—51. [16]徐德明,徐瑜.交联聚乙烯电缆绝缘老化及其诊断技术[J].惠 州学院学报:自然科学版 2004,24(6):46.50. [17]党智敏,亢婕,屠德民.聚烯烃巾水树枝和吸水规律的研究[J]l 电线电缆,2001(3):28.30. [18]罗贵鹏.交联聚乙烯电缆“水树枝”现象及进水后的处理[JJ .中国电力,1983(5):23—26. 【19】ASTM D6097—01a,Standard Test Method for Relative Re— sistance to Vented Water-tree Growth in Solid Dielectric In— sulating Materials[S]. [20]赵健康,欧阳本红,赵学童,等.水树对XLPE电缆绝缘材料性 能和微观结构影响的研究进展【J].绝缘材料,2010,43(5): 50—56. [2 1]Steven A Boggs.Mechanisms for Degradation of TR-XLPE Impulse Strength During Service Aging[J].IEEE Transac- tions on Power Delivery,2002.1 4(2):308-3 1 2. 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容