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線纜絕緣層電暈放電的研究

核心要點(diǎn)

• 線纜絕緣層的局部放電（電暈放電）是由于隨著時(shí)間的推移導(dǎo)致電線/電纜絕緣缺陷損壞而產(chǎn)生的現(xiàn)象。

• 現(xiàn)代飛機(jī)電源電壓較高，必須考慮局部放電（電暈放電）的長(zhǎng)期影響。

• 內(nèi)部導(dǎo)體和絕緣之間的電壓差越大，對(duì)局部放電的敏感性就越高。

• 現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法（SAE AS 4373）給出了線纜局部放電（電暈放電）的評(píng)估方法，其他行業(yè)的試驗(yàn)方法也值得借鑒。




背景簡(jiǎn)介

幾年前在一次包括EWIS DER（工程委任代表）在內(nèi)的美國(guó)政府跨部門(mén)科技會(huì)議上，一位來(lái)自美國(guó)海軍的代表向與會(huì)者表示，對(duì)航空航天電線和電纜標(biāo)準(zhǔn)的審查沒(méi)有一種方法來(lái)驗(yàn)證線纜的最大工作電壓水平。幾十年來(lái)，美國(guó)軍機(jī)一直使用115VAC (208VAC線對(duì)線)電源，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法還不足以評(píng)估新的電壓體制下線纜和器件的性能。




在飛機(jī)高電壓的供電體制下，飛機(jī)電線電纜的電暈放電問(wèn)題必須被系統(tǒng)性評(píng)估。本文討論了局部放電（電暈放電）的基本原理，對(duì)于電暈放電的理解影響了飛機(jī)布線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及用于評(píng)估元件局部放電性能的測(cè)試方法。電暈放電可能發(fā)生在：

(1)導(dǎo)體和絕緣之間，(2)絕緣空隙內(nèi)，(3)絕緣層之間，(4)絕緣表面和屏蔽之間。如下圖所示：

電暈放電是一種電壓擊穿或通過(guò)絕緣體的現(xiàn)象。不同于絕緣徹底擊穿，電暈放電時(shí)線纜的絕緣層仍保持基本完整，依然作為電阻而存在，可能會(huì)輕微損壞。電暈放電可能發(fā)生在導(dǎo)體和絕緣體之間的界面上，也可能發(fā)生在絕緣體內(nèi)部，或沿著絕緣體的外表面。電暈放電發(fā)生的位置和電壓取決于線纜的結(jié)構(gòu)。




電暈放電的產(chǎn)生




當(dāng)絕緣體之間有足夠高的電壓差時(shí)，就會(huì)發(fā)生電暈放電。想象一個(gè)單一的均勻擠出型絕緣線，從外面看，它看起來(lái)像一個(gè)光滑的均勻絕緣體。事實(shí)上，在絕緣層擠出過(guò)程中，絕緣層內(nèi)有可能存在微小的空隙(氣泡)�，F(xiàn)在把絕緣體夾在有電壓的導(dǎo)體和接地面之間。在絕緣內(nèi)部，有一個(gè)電壓梯度。例如絕緣厚度為10mil (0.254 mm)，導(dǎo)體與地之間的電壓為1000V，則電壓梯度為100V / mil(或約4kV / mm)。






更進(jìn)一步的說(shuō)，如果線纜絕緣層中有一個(gè)1mil的空隙，那么就會(huì)有一個(gè)足夠高的電壓差，從而在這個(gè)1mil間隙中產(chǎn)生火花。對(duì)于交流電力系統(tǒng)，電壓循環(huán)將導(dǎo)致放電發(fā)生在某些閾值電壓以上，當(dāng)交流電壓低于維持電暈事件所需的電壓時(shí)，放電停止。對(duì)于直流系統(tǒng)，電壓可能永遠(yuǎn)不會(huì)低于“熄滅電壓”，從而產(chǎn)生連續(xù)的電暈放電。

電暈放電也可能發(fā)生在導(dǎo)體和絕緣之間的間隙或沿絕緣表面存在電壓差的地方。

雖然電暈放電是一種電壓擊穿現(xiàn)象，但它是一個(gè)低能量事件。由于從電源到地(或多相系統(tǒng)中的線到線)的電路徑包括多層絕緣層，相當(dāng)于在電路中有一個(gè)大電阻。一個(gè)緊密的平行線纜電路相當(dāng)于是把一個(gè)小電容器在一個(gè)有大電阻的電路中放電。




電暈放電的影響

電暈放電，即使在低能量時(shí)，也會(huì)引起絕緣損壞，主要是通過(guò)絕緣碳化。這種碳化是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，特別是當(dāng)電壓水平僅高于電暈放電的起始電壓時(shí)。炭化使絕緣慢慢變成半導(dǎo)電，直到有一個(gè)導(dǎo)電路徑最終導(dǎo)致絕緣(介質(zhì))擊穿。一旦發(fā)生，電暈放電會(huì)產(chǎn)生類似于電弧事件的現(xiàn)象。






線纜因電暈而老化的速率

線纜絕緣層由于電暈放電而老化的速率由以下幾個(gè)因素決定：

• 系統(tǒng)電壓

• 系統(tǒng)頻率

• 波形形狀(例如，正弦與脈寬調(diào)制)

• 溫度

• 高度

• 電路噪聲(例如，來(lái)自繼電器的反電動(dòng)勢(shì))

• 組件設(shè)計(jì)

這些因素的組合以及它們?nèi)绾谓档徒M件壽命是一個(gè)正在進(jìn)行的研究領(lǐng)域，在過(guò)去的幾年中，國(guó)外公司一直在研究這些參數(shù)對(duì)EWIS組件的影響。但事實(shí)是，這些研究雖然對(duì)航空航天領(lǐng)域來(lái)說(shuō)可能是新的，但總體上并不新鮮。多年來(lái)，高壓供電系統(tǒng)一直是鐵路運(yùn)輸?shù)囊徊糠帧Ｎ覀兛梢詮钠渌�行業(yè)中學(xué)到很多東西來(lái)支持航空航天的發(fā)展。

首先要考慮的是使絕緣層變厚。如果絕緣較厚，則絕緣層內(nèi)電壓梯度會(huì)減小�？紤]前面的例子，如果絕緣是兩倍厚，電壓梯度將是50V/mil而不是100。但是因?yàn)閷?duì)重量的極度敏感，對(duì)于航空航天領(lǐng)域這一做法并不現(xiàn)實(shí)。

其次可以考慮改進(jìn)材料和加工工藝或不同的電路配置來(lái)限制線纜之間的電壓差。從材料方面來(lái)說(shuō)，避免碳化絕緣結(jié)構(gòu)的非碳基材料等絕緣材料是可行的，但該材料被證實(shí)容易退化。




標(biāo)準(zhǔn)中如何檢查PDIV/PDEV

與大多數(shù)評(píng)估布線的試驗(yàn)方法一樣，對(duì)于電暈放電的試驗(yàn)有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可供選擇。SAE AS 4373有一種設(shè)置相對(duì)簡(jiǎn)單的局部放電（電暈放電）測(cè)試方法。將試樣導(dǎo)線平鋪在導(dǎo)電片上，緩慢增加導(dǎo)線導(dǎo)體與片間的電壓，直到檢測(cè)到局部放電(PDIV)，然后降低電壓，直到觀察到消光電壓(PDEV)。雖然這是一種測(cè)試方法，它確實(shí)符合預(yù)期的應(yīng)用場(chǎng)景(例如，金屬導(dǎo)管中的電線或?qū)χ�結(jié)構(gòu)鋪設(shè)的電線)，只是試驗(yàn)件可能與導(dǎo)電片站之間存在不必要的縫隙。

需要注意的是，雖然電暈測(cè)試是AS4373導(dǎo)線測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)的一部分，但它從來(lái)沒(méi)有在AS22759導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)中被引用。

測(cè)試更多的電線絕緣的一種方法是在樣品上放置一個(gè)屏蔽，并將其作為接地返回。要做到這一點(diǎn)，屏蔽層必須緊貼線纜絕緣層。一種常見(jiàn)的方法是使用熱收縮管進(jìn)行熱縮，以確保屏蔽層和線纜絕緣層的緊密接觸。

另一種方法是MIL-DTL-17測(cè)試方法�？紤]到MIL-DTL-17電纜是同軸的，一個(gè)屏蔽已經(jīng)在中心導(dǎo)體周圍存在，固有地在整個(gè)電纜上創(chuàng)造一個(gè)一致的梯度。在這種電纜結(jié)構(gòu)中，典型的是梯度在中心導(dǎo)體和屏蔽之間，而護(hù)套沒(méi)有局部放電測(cè)試。




結(jié)論

航空航天工業(yè)的高電壓需求將推動(dòng)新型電線電纜的發(fā)展。當(dāng)然，這些部件的長(zhǎng)期可靠性是不確定的，除非它們經(jīng)歷長(zhǎng)期加速老化試驗(yàn)，并加載各類環(huán)境參數(shù)進(jìn)行逐步評(píng)估。

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