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預(yù)制型電纜附件沿面放電試驗(yàn)研究

 

－武漢雷泰電力技術(shù)有限公司

 

1         引    言

 

         XLPE 電力電纜附件中電場(chǎng)應(yīng)力控制一般采用兩種方式：參數(shù)型電場(chǎng)應(yīng)力控制管和幾何型電場(chǎng)應(yīng)力控制錐。由于參數(shù)型電場(chǎng)應(yīng)力控制管是在高分子材料中充填高介電系數(shù)的無(wú)機(jī)材料，以調(diào)整電氣參數(shù)來(lái)控制附件中電場(chǎng)分布，其不足之處如（1）介質(zhì)損耗較大使得附件發(fā)熱引起材料早期電-熱老化；（2）各項(xiàng)參數(shù)受溫度、電場(chǎng)和基材特性等因素影響較大，即穩(wěn)定性較差等。與之相比，幾何型電場(chǎng)應(yīng)力控制錐采用的是經(jīng)典的幾何形狀應(yīng)力錐來(lái)控制電纜附件中電場(chǎng)分布，其絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，基本不受外界因素影響，穩(wěn)定性較好。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，只要保證應(yīng)力錐的幾何形狀以及保證應(yīng)力錐與電纜主絕緣結(jié)合界面具有足夠的壓強(qiáng)，就能夠達(dá)到長(zhǎng)期有效地控制電纜附件中電場(chǎng)分布的滿意效果。

        幾何型電場(chǎng)應(yīng)力控制錐在工廠預(yù)先成型，其幾何尺寸偏差很小。應(yīng)力錐與電纜主絕緣結(jié)合界面的壓強(qiáng)取決于附件與電纜本體的緊配合狀態(tài)。由于XLPE電力電纜主絕緣尺寸不可避免的存在制造偏差，應(yīng)力錐與電纜主絕緣結(jié)合界面的壓強(qiáng)（通常稱之為握緊力）難以得到保證，容易引發(fā)結(jié)合界面沿面放電。綜合分析近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外預(yù)制型電纜附件的運(yùn)行故障案例證實(shí)，復(fù)合介質(zhì)沿面放電是導(dǎo)致XLPE電力電纜預(yù)制型硅橡膠電纜附件運(yùn)行故障的主要原因．        本文基于預(yù)制型硅橡膠電纜附件固體復(fù)合介質(zhì)絕緣結(jié)構(gòu)沿面放電試驗(yàn)研究，提出保證電纜附件界面壓強(qiáng)，預(yù)防電纜附件發(fā)生沿面放電擊穿故障的主要措施。

 

 

2         試驗(yàn)研究

 

        電纜附件是典型的固體復(fù)合介質(zhì)絕緣結(jié)構(gòu)，界面沿面放電與界面壓強(qiáng)和界面狀態(tài)密切相關(guān)。

 

2.1    試品制備

        試品制備如圖3所示，以模擬預(yù)制型電纜附件多層固體復(fù)合介質(zhì)絕緣結(jié)構(gòu)。                                  

 

2．2    試驗(yàn)

 

       實(shí)際測(cè)量界面壓強(qiáng)或握緊力比較困難，試驗(yàn)研究中，利用高彈性硅橡膠絕緣體2的定伸強(qiáng)度，由于高彈性硅橡膠絕緣體2的原始直徑D_SR小于XLPE絕緣體4的直徑D_XLPE  ，當(dāng)其彈性變形套在XLPE絕緣體4表面后，便具有持續(xù)彈性回復(fù)力，為硅橡膠絕緣體2與XLPE絕緣體4之間的界面提供握緊力。

        調(diào)整硅橡膠絕緣體2的配方可以得到不同定伸強(qiáng)度的硅橡膠絕緣體2，然后制作成為不同的原始直徑的硅橡膠絕緣體2試品，彈性變形地套在XLPE絕緣體4表面。因此，定義高彈性硅橡膠絕緣體2的原始直徑D_SR相對(duì)XLPE絕緣體4的直徑D_XLPE的過(guò)盈量Dd 為：

                                         D_XLPE    - D_SR

                        Dd =                                 ×100%

                                          D_XLPE 

 

并采用硅橡膠絕緣體2自身的定伸強(qiáng)度和過(guò)盈量Dd 協(xié)同作用來(lái)近似地表征高彈性硅橡膠絕緣體2與XLPE絕緣體4之間的界面壓強(qiáng)（握緊力）狀態(tài)。

      選取不同定伸強(qiáng)度和不同的原始直徑的硅橡膠絕緣體2制作成為不同過(guò)盈量的試品，每種試品各制備三只試樣。對(duì)同一編號(hào)試品的三只試樣分別進(jìn)行工頻電壓下的放電試驗(yàn)，設(shè)計(jì)XLPE絕緣體4和硅橡膠絕緣體2具有足夠的絕緣強(qiáng)度，以保證工頻電壓試驗(yàn)均為其界面的沿面放電試驗(yàn)，最終取三只試品工頻電壓沿面放電電壓值的平均值。

 

2．3    試驗(yàn)結(jié)果

 

        定伸強(qiáng)度為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 Mpa 硅橡膠絕緣體2，以過(guò)盈量Dd = 10%、30%、50% 彈性變形套在XLPE絕緣體4表面，界面不做任何處理．

        定伸強(qiáng)度為0.5 Mpa的硅橡膠絕緣體2在不同過(guò)盈量狀態(tài)下的沿面放電試驗(yàn)結(jié)果以及為了證實(shí)界面狀態(tài)的影響，對(duì)硅橡膠絕緣體2與XLPE絕緣體4之間的界面分別做涂抹硅脂處理和不做任何處理的對(duì)比平行沿面放電試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

3         分析與討論

 

        圖4的試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合介質(zhì)中工頻電壓按介電常數(shù)分布^[1，2]，硅橡膠絕緣體2的介電常數(shù)與XLPE絕緣體4的介電常數(shù)差別較小，界面電場(chǎng)分布比較均勻，試品的工頻沿面放電電壓值與界面壓強(qiáng)密切相關(guān)。在一定的定伸強(qiáng)度下，界面壓強(qiáng)大小取決于硅橡膠絕緣體2的過(guò)盈量，過(guò)盈量增大，界面壓強(qiáng)增大，沿面放電電壓上升；在一定的過(guò)盈量下，界面壓強(qiáng)大小取決于硅橡膠絕緣體2的定伸強(qiáng)度，定伸強(qiáng)度增大，彈性變形的回復(fù)力增大，界面壓強(qiáng)增大，沿面放電電壓亦上升。

        當(dāng)過(guò)盈量較小 (Dd=10%)時(shí)，由于硅橡膠絕緣體2在彈性變形范圍內(nèi)其回復(fù)力與其形變符合虎克定律，界面壓強(qiáng)變化主要依賴于硅橡膠絕緣體2的定伸強(qiáng)度，故沿面放電電壓值隨著硅橡膠的定伸強(qiáng)度線性變化。

        當(dāng)過(guò)盈量增加到Dd=30%時(shí)，硅橡膠絕緣體2的定伸強(qiáng)度在≤2.0 MPa彈性變形范圍內(nèi)其回復(fù)力與其形變符合虎克定律，界面壓強(qiáng)變化主要依賴于硅橡膠絕緣體2的定伸強(qiáng)度，沿面放電電壓值隨著硅橡膠的定伸強(qiáng)度線性變化；硅橡膠絕緣體2的定伸強(qiáng)度 >2.0 Mpa ，界面壓強(qiáng)變化主要來(lái)源于硅橡膠絕緣體2的彈性變形的過(guò)盈量，此時(shí)，提高定伸強(qiáng)度對(duì)沿面放電電壓值影響不大。

        當(dāng)過(guò)盈量增加到Dd=50%時(shí)，界面壓強(qiáng)完全依賴于硅橡膠絕緣體2的彈性變形的過(guò)盈量，宏觀表現(xiàn)出界面沿面放電電壓值較高，且與其定伸強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

        圖5試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：當(dāng)界面壓強(qiáng)不大(Dd≤60%)時(shí)，沿面放電可以用碰撞電離理論解釋，放電電壓與界面狀態(tài)密切相關(guān)。在界面上涂抹硅脂后，硅脂分子起到壁壘作用，阻礙導(dǎo)電粒子激發(fā)界面沿面放電，界面沿面放電電壓值大幅提高。

        當(dāng)界面壓強(qiáng)增加(Dd>60%)時(shí)，沿面放電取決于強(qiáng)電場(chǎng)下的隧道效應(yīng)，放電電壓值與界面狀態(tài)和界面壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。

       

 

4         防止沿面放電的措施

 

       XLPE電力電纜在運(yùn)行過(guò)程中，一方面隨著負(fù)荷的變化，預(yù)制型硅橡膠電纜附件與電纜XLPE絕緣層之間界面發(fā)生熱脹冷縮所形成呼吸效應(yīng)，將潮氣吸進(jìn)界面；另一方面，由于電泳效應(yīng)，水分子在電場(chǎng)的作用下作定向遷移運(yùn)動(dòng)進(jìn)入電纜附件界面。潮氣和遷移水分在界面凝結(jié)成介電常數(shù)很高的水珠，界面表面電阻急劇下降，激發(fā)界面沿面放電，最終導(dǎo)致界面沿面放電擊穿。

        研究結(jié)果表明，提高預(yù)制型硅橡膠電纜附件絕緣結(jié)構(gòu)沿面放電電壓的主要措施包括：(1) 提高預(yù)制型硅橡膠附件材料的定伸強(qiáng)度，保證預(yù)制型硅橡膠電纜附件在彈性形變時(shí)具有足夠的彈性回復(fù)力； (2) 采用予擴(kuò)張的工藝，保證預(yù)制型硅橡膠電纜附件在安裝時(shí)方便快捷，安裝后具有足夠大的彈性形變過(guò)盈量；(3) 界面涂抹適量硅脂，并保證硅脂長(zhǎng)期保持濕潤(rùn)狀態(tài)。特別是電纜中間接頭安裝施工過(guò)程中，軸向防水措施必須引起高度重視^[1，2]。

 

5         結(jié)論

 

1         復(fù)合介質(zhì)界面沿面放電電壓值與界面壓強(qiáng)和界面狀況密切相關(guān)。保證界面足夠的壓強(qiáng)和在界面涂抹硅脂可大幅提高界面沿面放電電壓值。

2         界面壓強(qiáng)取決于電纜附件材料的定伸強(qiáng)度和電纜附件安裝時(shí)的彈性形變過(guò)盈量。提高電纜附件材料的定伸強(qiáng)度和采用予擴(kuò)張工藝，可以有效防止電纜附件沿面放電擊穿事故。

    學(xué)習(xí)了，老師說(shuō)的不錯(cuò)的。但是國(guó)內(nèi)應(yīng)力錐的設(shè)計(jì)都不相同，長(zhǎng)度、大小、厚度說(shuō)起來(lái)容易一些，安裝也出過(guò)不少事，但做起來(lái)不是太容易的，應(yīng)力管的相對(duì)簡(jiǎn)單。但是用戶還是喜歡應(yīng)力錐的產(chǎn)品。

感謝樓主,好東東呀

實(shí)際上是提高硅橡膠的拉伸力學(xué)性能，而不是單單的一個(gè)定伸強(qiáng)度，定伸強(qiáng)度大并不代表材料的彈性大。

橡膠在不同厚度　不同過(guò)盈量時(shí)　產(chǎn)生多大的彈力怎么計(jì)算呢

謝謝

非常感謝 �。。�！

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