直流电压对XLPE绝缘电缆介电性能的影响

1、第十届全国工程电介质学术会议论文集 直流电压对绝缘电缆介电性能的影响 胡庆娟，胡春秀，高俊国，张晓虹 （哈尔滨理工大学电气与电子工程学院哈尔滨）摘要：运行一年的交联聚乙烯电缆试样（试样）和未经使用过的交联聚乙烯电缆试样（试样）在高电场下进行电树引发，用扫描电子显微镜（）和光学显檄镜观察它们的微观结构。发现试样上的电树在长度和维数上比试样更大和更多，用观察到试样上出现一些特别的痕迹，可以认为是添加剂的微粒在高场强下从中分离出来试样的介质损耗比试样大在试样中没有发现试样的绝缘电阻降低，这与运行中试样的监测结果不一样关键词：绝缘电缆，电树枝，微观结构，介电性能 ， ， ， （ ， ， ，）： ?螅幔

2、恚穑欤? （、 （） ， ） ， 地 ， 撕 （） ： ； ： ； 绝缘结构的设计更多的是考虑其力学性能，而对引言 其介电性能的问题并没有给予更多关注。 由于聚乙烯具有良好的机械性能和电性能， 本文针对一段运行一年的交联聚乙烯电缆因此，被广泛的应用于电力电缆绝缘。在电能传 （运行条件：交流、的直流监测电送时聚乙烯绝缘能够承受暂达的场 压），出现绝缘电阻降低近一个数量级的问题，强“。在这样高的场强作用下，电荷可能从电极 利用光学显微镜、扫描电子显微镜（）等微注入或者通过聚合物电离而产生。由于聚乙烯具 观检测手段，分析了原始电缆试样、电树引发后有较高的绝缘电阻率，因此，这些电荷不能及时 电缆试样的

3、微观变化，并对比研究了新、旧电缆 的迁移，进而在材料体内逐渐集聚而形成空间电 试榉的介质损耗、体积电阻率如随温度的变荷。空间电荷的存在将引起聚乙烯绝缘体内电场 化规律等。以此，探讨产生绝缘电阻降低可能的畸变，造成场强分布不均。当局部场强超过绝 原因。缘体的介电强度时，就会过旱引起绝缘的破坏。 试验部分 因此，关于聚乙烯中空间电荷问题的研究引起了 人们的广泛兴趣”“。然而在低压电缆中使用 试样的制备 的聚乙烯绝缘，由于其运行场强不高，因此，其 在测量和仉时，从电缆上截取一段作 为试样。剥去电缆试样的外半导电层。在试样上 国家自然科学基金项目（） 介电性能试验与测量技术粘上铝箔，以形成洌量极和保护

4、极。试验电压施 将针电极和外屏蔽层之间的距离控制在加在电缆试样的导体和测量极之间，如图所 左右。为防止电晕放电，将样品放在硅示。电缆试样长度大于测量电极的长 油中，在针电极和接地金属板之间施加工频度为。 的交流电压。根据梅森公式，可以计算山针尖附 近最大的电场强度为，鼹察电树生 ，一 景护摄塑！堕 ， 厂 慑护投 硪撅 长的时间规定为分钟。 缸蛙盎导体蛔撩 厂 电缆试样微观结构分析 将染色后韵薄片和引发电树后的试样分剐 利用光学显微镜进行观察，并且用计算机进行图 罨目，一 像采集。将引发电树后的试样沿着针尖方向切 圜测试 和绝缘电阻举的电缆试样剖面示意圈 开，利用扫描电子显微镜（）进行观察。

5、为了观察在电缆中可能存在缺陷、气隙或杂 结果与讨论质等，将电缆的绝缘层和导线剥开，切成 介质损耗的温度曲线厚的薄片，然后将这些薄片在的 介?仕鸷囊蚴簦幔欤欤端嫖露缺浠那呷缤迹澄露认拢菰冢埃埃福募谆既芤褐校罚残薄?所示。从这组的温度曲线图中能够看出：两引发电树试验的试样，是将与导线分离的绝缘部 种电缆试样的变化规律基本相同。当试验温度为分切成厚的试片。将曲率半径为” 时，两个试样的值基本相等。但是，随的针，沿着径向插入到切好的试样中。如图所 着温度的提高，旧电缆试样（试样）的值示。 比新电缆试样（试样）的值提高很多。从 曲线形状上看，两试样的介质损耗都以电导损耗 为主。因此，可以认为：在试样中导

6、电离子浓 度高于试样的离子浓度，或者在试样中载流 子迁移率高于试样中的迁移率。 图电树日发试验的试样示意图介质损耗 和绝缘电阻率 的测量 利用型高压西林电桥测试不同电缆试样的介质损耗角正切随温度的变化规律。在 电缆试样的导线和测量电极的铝箔之间施如工频的交流电压，将试样的两个保护电极接 图介电损耗随温度变化的曲线地。试样放置在恒温干燥箱内，测试温度从 现场电缆试样。卜新电缆试样 到。 绝缘电阻率随场强的变化 利用型高阻计，测量不同电缆试样的 在室温下测得的不同场强下两组电缆试样 绝缘电阻率口，。由于温度升高后，电缆试 的绝缘电阻率如表所示。从表中数据可以看 样的漏导电流十分不稳定，因此，在室温

7、（） 出：尽管试样的值略高于试样的值，但 下测试不同场强下电缆试样的体积电阻率肼。试 是，他们都在同数量级内。这与电缆在现场测 验电压为直流到。 量的结果不同。对比介质损耗的测试结果，应该 电树引发试验 说两个电缆试样绝缘电阻的差异主要表现在较 第。届全国工程电介质学术会议论文集高温度的时候。 文献指出；由于存在空间电荷效应， 电缆的直流耐压试验是有害的。空间电荷造成绝表不同场强下电缆试样的绝缘电阻率（“） 缘内电场分布畸变，使得局部电场可能升高几 试样 试样 试样 倍。试样在运行中要承受直流和交流电压的 联合作用，因此，其实际承受的电场强度已经超 场强， 溢 出了它的额定值。由于电压波形在正

8、负半周是非 对称的，因此，长期运行的电缆绝缘中，载流子 就可能在迁移过程中受陷于界面或微晶缺陷处 而形成空间电荷。如果承受交流电场的电 缆敷设于潮湿的环境中，那么绝缘部分就会吸 潮，即使交流电压不是很高，绝缘吸潮的速度也 （注：表中每组数据均为个试样测量的平均值） 会随时间的延长而增长。一旦潮气在绝缘层中扩 散，那么含水的微孔就会因为温度的变化而逐渐 为了找出在使用过程中引起绝缘电 膨胀。于是，载流子的迁移和累积就变得更加容阻降低的原因，我们又对电缆试样的微观结构进 易。行了观测和电树引发实验。 为了找到绝缘体中存在空间电荷或含水微不同试样的微观结构特征 孔的证据，我们又进行了电树引发试验。

9、利用光学显微镜观察试样和试样的染色 我们首先利用光学显微镜来观察电树的生薄切片，其微观特征如图所示。最初染色切片 长情况。电树引发条件是：施加的是用于绝缘中水树的研究。虽然在低压运行环境 电场强度，然后在光学显微镜下观测并通下电缆内出现水树的概率几乎不可能。但 过计算机的图形采集系统记录电树的图像，试验是，利用这种研究水树的方法可以观察小范围内 结果如图所示。从图中可以观察到；试样的绝缘缺陷。 中的电树比试样中的电树生长要快。为了便 从图中可以看出：在试样的外半导电 于比较出试样与试样微观结构的差别，我层附近出现了一些“斑点”，这些“斑点”实际 们将观测过的试样沿着针尖的方向切开，然后将上不能

10、认为是水树，但它确实是电缆绝缘的微观 剖开的试样在扫描电子显微镜下进行观察与记缺陷。与试样相比试样的显微照片上就没 录。有明显的缺陷样痕迹。 （） （） （） 图不同电缆试样的电树照片 图不同电缆切片的显微镜照片 （）现场电缆试样， （）新电缆试样 （）现场电缆试样，（）新电缆试样 堂史丝壁这墅量型星堇查 图示出了扫描电子显微镜在针尖附近不同放大倍数观测到的微观图像（庀侧图像的放大倍数为，右侧图象的放大倍数为）。 参考文献从图（）中我们可以观察到：在现场试样的 ，“ 针电极附近区域，不仅存在着由于电场作用而形 ” ， ，成的微裂纹，而且从放大的右图中清晰可见树枝 状图形。尽管这不是水树或电树的

11、典型形貌。但 【 ， 是，如果分析其化学成分，应该是含水的微孔排 ， 列而成。这些水分子形成的微滴在电场作用下， ” ） 聚集而成的图形。形成图（）中微晶图案的 ，（）， ， 另外一个原因可能是：在直流电场的作用下，与 ，聚合物分子没有完全交联的交联剂或抗氧剂等 ， ， ，“ 添加剂，在电场作用下从基体中析出 血” 而形成分散在中聚合物体内的微晶。图（） ，（）， ，的针电极附近虽然也有电场作用下产生的微裂 ，纹，但放大后基本观察不到类似于图（）中 【】，那样清晰可见的异质。 ，“ ” ￥ ， ，一， ， “ ”， ，（）（ ， （） ， 】 ，工， ，“ ” ”， ， ），。， ， 【】， ， （） ， 幽引发电树后针尖附近的照片