[發明專利]一種確定交流電纜交聯聚乙烯絕緣電壓耐受指數的方法

有效

• 申請號: 201410161764.9
• 申請日: 2014-04-18
• 公開（公告）號: CN103983902A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 劉英;曹曉瓏
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01R31/12
• 分類號: G01R31/12
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

技術領域

本發明涉及電纜絕緣材料的電壓耐受指數的確定方法，具體涉及一種確定交流電纜交聯聚乙烯絕緣電壓耐受指數的方法。

背景技術

近年來，在電壓等級為150kV及以下的新安裝交流線路中，交聯聚乙烯絕緣電纜已成為首選，其使用量已大幅超過傳統的油紙絕緣電纜；而在超高壓輸電領域，交聯聚乙烯電纜的使用量也在不斷攀升。早在十幾年前，交流500kV交聯聚乙烯電纜產品就已在日本通過試驗檢驗并投入實際運行。相比而言，國內的電纜行業整體發展水平仍顯落后，缺乏自主研究。

絕緣材料的電老化性能是進行絕緣結構設計和可靠性評估的基礎，而電壓耐受指數是其中的關鍵參數。研究發現，絕緣材料在高壓、強場作用下滿足電老化壽命定律，即場強E下的壽命τ滿足關系式（1）

τ=KEnv---(1)]]>

式中，K和n_v均為常數，而n_v稱為電壓耐受指數或電老化壽命指數，描述材料耐受電壓老化的性能。現有多種n_v值評定方法，包括傳統評定法、恒定電壓法、殘存電壓法、逐級升壓累加法、近似簡化法等，以及2007年IEC在《電氣絕緣材料交流電壓耐受性能評估的征求意見稿》中推薦的方法，但各種方法得到的n_v值一致性很差，即使用同一種方法得到的數據也可能相差十倍以上，甚至出現不合理的負值，無法滿足實際應用需要。

電壓耐受指數n_v反映絕緣材料的本征屬性，通常由加速電老化試驗中電壓與壽命的關系求得，但試樣制作、測試方法、電極尺寸、環境條件等均可能對其造成影響。在確定的結構下，n_v的大小將直接影響電纜的設計壽命，例如，n_v從10增大到15可能導致電纜的預期壽命從幾十天變化到幾百年。傳統以擊穿試驗為主體的加速電老化壽命評估方法對設備要求高、操作困難、耗時費力、設計參數分散性大。發展更為簡單有效的試驗技術，提出分散性小、精確度高的表征參數，這已成為學術界和工業界共同呼吁的問題，也是對傳統設計方法及參數測試技術的挑戰。

近年來，一種廣泛采用的研究方法是在塊狀聚合物中引入金屬或半導體針極來模擬材料中的雜質，對這種樹枝化測試試樣進行相關的電樹枝引發及生長試驗，通過材料的耐電樹枝特性反映其長期電老化性能。

研究發現，對高壓交聯聚乙烯電纜，電樹枝化是導致絕緣失效的決定性因素，交聯聚乙烯電纜擊穿總是以絕緣中電樹枝的出現為先導。一旦電樹枝在交聯聚乙烯絕緣中得以引發，電纜將在較短時間內被擊穿而完全失效。特別是對于薄層絕緣或強場下應用的場合，介質擊穿將完全由樹枝引發所主導，樹枝生長階段的整體影響相對較小。因此，以電樹枝的出現作為交聯聚乙烯絕緣電纜壽命終結的標志是合理的，符合可靠性壽命設計的基本原則。

在針對500kV交聯聚乙烯電纜所進行的絕緣開發試驗中發現，總共23個擊穿試樣中，引發擊穿的缺陷有17例是雜質，6例是凸起。而由雜質和凸起類缺陷所導致的絕緣中局部電場增強效應，可以通過電樹枝試驗中引入的針電極進行很好的模擬。研究者曾經利用交聯聚乙烯電纜試樣進行過對比試驗，一種是從絕緣屏蔽處插入針電極，另一種在導體屏蔽上人為制造凸起，結果發現，兩者的試驗數據分布在同一條曲線上。而且，由電纜試樣測得的電樹枝引發場強與交聯聚乙烯塊狀試樣上測得的值幾乎完全相等。此外，對帶有嵌入式針極的聚乙烯試樣所進行的研究還發現，電樹枝引發時間隨外加電壓的變化特性與通過擊穿試驗獲得的電老化壽命曲線具有完全類似的形狀和變化趨勢。

眾所周知，交聯聚乙烯電纜的擊穿是發生在絕緣中弱點上的擊穿，而電樹枝化正是在針極附近所發生的局部微擊穿現象，針極就代表了絕緣中的弱點。因此，兩者之間必然存在對應性，這正是絕緣材料的短期擊穿和長期電老化性能能夠通過樹枝化試驗得以反映的理論基礎；而如上述所述，絕緣材料的樹枝化及擊穿特性之間的相似性已獲得廣泛認同，這也為利用電樹枝試驗替代傳統的擊穿試驗進行電壓耐受指數的求取提供了有力的數據支持。

發明內容