[發明專利]基于驅動能量的機械應力作用下電樹枝劣化分析方法

有效

• 申請號: 202110257036.8
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN112989596B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 杜伯學;張瑩;李進;孔曉曉;梁虎成
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G01R31/12;G06F119/14
• 代理公司: 北京智橋聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 11560
• 代理人: 程小艷

本發明公開一種基于驅動能量的機械應力作用下電樹枝劣化分析方法，從能量的角度解釋機械應力作用下電樹枝的劣化機理；包括以下步驟：計算機械應力與電場聯合作用下的聚合物應變能密度(W_m)和靜電能密度(W_e)的總能量密度；計算未受到機械應力時，電樹枝生長所需克服的表面能(W_s)和塑性形變能(W_f)；計算受到機械應力作用時，塑性形變能(W_f’)的表達式；得到以機械應力σ為自變量的驅動電樹枝生長能量的函數表達式；根據函數圖像，得到機械應力與聚合物電樹枝劣化的作用關系。

技術領域

本發明屬于高壓設備領域，涉及聚合物電樹枝的劣化狀態評估，特別涉及一種基于驅動能量的機械應力作用下電樹枝劣化分析方法。

背景技術

隨著電網規模不斷增大，傳輸容量逐步提升，對絕緣材料的可靠性和安全性要求也越來越高。絕緣材料在運行過程中會發生絕緣劣化現象，電樹枝作為典型的絕緣劣化形式，受到了國內外學者的廣泛關注。聚合物的絕緣劣化形式分為內部擊穿和沿面擊穿兩種，內部擊穿即電樹枝擊穿，是絕緣內部劣化的唯一形式。沿面擊穿為電痕擊穿，多發生于固體-氣體或固體-液體的結合部位。電樹枝是由于雜質、氣泡等缺陷導致的局部電場集中所引起的局部放電現象，最終可貫穿高壓電極與地電極，造成絕緣擊穿。電樹枝為樹枝狀放電通道，是制約電力系統安全可靠運行的瓶頸。

電樹枝的引發和生長與其驅動能量密切相關。當聚合物受到電場作用時，靜電場中儲存著能量，我們稱之為靜電能。應變能是外力對聚合物作用過程中儲存在聚合物內部的能量。應變能與靜電能同時驅動電樹枝生長。當聚合物內部的能量超過電樹枝的生長閾值時，會造成分子鏈損傷或打斷分子鏈，釋放自由基。在氧的參與下，自由基發生鏈式反應，造成更大范圍的裂解，最終形成低密度區。低密度區的局部放電閾值遠低于純介質，因此，當局部電場達到低密度區的擊穿場強時，發生局部放電，數次的局部放電累積可形成空心的電樹枝通道。當電樹枝的驅動能量增大時，會加速電樹枝的生長。

電纜在長期運行過程中，要承受機械應力(如重力、擠壓力、拉伸力)和電壓的同時作用。機械應力可改變分子鏈構象，從而影響電荷輸運行為與內部電場分布，最終改變絕緣材料的電氣性能。聚合物絕緣本體擊穿與其承受的機械應力情況密切相關，承受較大機械應力時，局部分子鏈交聯結構遭到破壞甚至發生斷裂而形成裂紋等缺陷，電場強度較低時即可誘發電樹枝生長。但是，目前機械應力下聚合物電樹枝劣化研究尚停留在實驗階段，未從能量的角度給出機械應力作用下電樹枝的劣化機理。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于驅動能量的機械應力作用下電樹枝劣化分析方法。

本發明提出的技術方案是：基于驅動能量的機械應力作用下電樹枝劣化分析方法，包括以下步驟：

1)計算機械應力與電場聯合作用下的聚合物應變能密度(W_m)和靜電能密度(W_e)的總能量：

式中，σ是機械應力，Y是彈性模量，ε_r是絕緣介質的相對介電常數，E是局部電場強度，其中π是常數，r和l分別是圓柱形電樹枝通道的半徑和長度；

2)計算未受到機械應力時，電樹枝生長所需克服的表面能(W_s)和塑性形變能(W_f)：

W_s＝2πrγdl W_f＝πr²aδ_ydl

式中，γ是表面張力，a是幾何修正系數，δ_y是屈服應力；

3)計算受到機械應力作用時，塑性形變能(W_f’)的表達式：