液氮下聚丙烯層壓紙層數(shù)對(duì)絕緣交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響研究

劉志凱 李衛(wèi)國(guó) 魏 斌 丘 明 趙永清 侯經(jīng)洲 高 超

(1華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206)

(2中國(guó)電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所 北京 100192)

液氮下聚丙烯層壓紙層數(shù)對(duì)絕緣交流擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響研究

劉志凱1李衛(wèi)國(guó)1魏 斌2丘 明2趙永清2侯經(jīng)洲2高 超2

(1華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206)

(2中國(guó)電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所 北京 100192)

對(duì)不同層數(shù)的聚丙烯層壓紙(PPLP)在液氮中的工頻擊穿特性進(jìn)行研究，總結(jié)了擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨PPLP層數(shù)的變化規(guī)律，得出多層PPLP的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨著層數(shù)的增加而減少并趨于飽和的結(jié)論。同時(shí)分析了單層與多層擊穿機(jī)理。單層擊穿路徑發(fā)生在高壓電極的邊緣，層間液氮的局部放電影響著多層擊穿場(chǎng)強(qiáng)是層數(shù)越多擊穿場(chǎng)強(qiáng)越小的原因。

液氮 復(fù)合絕緣 絕緣層數(shù) 擊穿場(chǎng)強(qiáng) 擊穿機(jī)理

1 引言

自從高溫超導(dǎo)材料問世以來(lái)，超導(dǎo)電力技術(shù)得到了快速的發(fā)展，尤其是高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)［1-6］，由于高溫超導(dǎo)電纜具有載流能力大、損耗低和體積小的優(yōu)點(diǎn)，其傳輸容量將比常規(guī)電纜高3—5倍，而電纜本體的焦耳熱損耗幾乎為零。因此，高溫超導(dǎo)電纜的研制受到美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)、歐洲各國(guó)的重視。HTS電纜的絕緣結(jié)構(gòu)在整個(gè)HTS電纜中占有重要地位，為超導(dǎo)電纜的安全運(yùn)行提供了保障。耐低溫絕緣材料［7-8］和更高電壓等級(jí)的超導(dǎo)電纜絕緣設(shè)計(jì)理論方法［9］都取得了很大的進(jìn)展。在HTS電纜的絕緣設(shè)計(jì)［10］中，LN2/PPLP復(fù)合絕緣的厚度是影響絕緣設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)的重要因素，多層PPLP對(duì)復(fù)合絕緣系統(tǒng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響程度及影響的機(jī)理分析幾乎沒有報(bào)道。本文對(duì)不同層數(shù)的PPLP在液氮下進(jìn)行工頻擊穿試驗(yàn)，并對(duì)多層效應(yīng)對(duì)于擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響機(jī)理進(jìn)行了研究。

2 液氮下多層PPLP擊穿場(chǎng)強(qiáng)的Weibull分布模型

由于試品的擊穿場(chǎng)強(qiáng)具有分散性，一般在相同條件下測(cè)試多個(gè)樣本的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，再用概率模型統(tǒng)計(jì)分析。目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于液體絕緣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)采用Gumbel分布，對(duì)于固體絕緣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)采用兩參數(shù)Weibull分布［11］或?qū)?shù)正態(tài)分布，本文用后者評(píng)估液氮下多層PPLP的擊穿場(chǎng)強(qiáng) 。兩參數(shù) Weibull的累積概率分布表達(dá)式為

式中:x為擊穿場(chǎng)強(qiáng)的隨機(jī)變量;F(x)為失效數(shù)據(jù)的累積概率值;β為形狀參數(shù)，表征失效數(shù)據(jù)的分散性，β越大說(shuō)明試品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性越?。?2］;α為Weibull分布的尺度參數(shù)，代表累積概率值為63.2%的x值，通常取α為試品的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)或壽命。將式(1)等號(hào)兩邊同時(shí)作對(duì)數(shù)變換:

令Y=ln(-ln(1-F(x)))，X=lnx，則X與Y呈線性關(guān)系，采用最小二乘法計(jì)算直線的斜率和截?fù)?jù)［13］。

3 試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)電極如圖1所示。高壓電極為直徑15 mm高25 mm的圓柱體，低壓電極為直徑75 mm高15 mm的圓柱體。PPLP的厚度為119 μm，為了防止沿閃，PPLP的尺寸為200 mm×200 mm。試驗(yàn)前對(duì)PPLP在105℃下進(jìn)行干燥2小時(shí)。制作三層、六層、九層PPLP試樣。

圖2給出了實(shí)驗(yàn)裝置接線圖。實(shí)驗(yàn)電源為50 kV/5 kVA的交直流兩用實(shí)驗(yàn)變壓器。一臺(tái)分壓比為1 000∶1的交直流兩用分壓器和高精度萬(wàn)用表用于測(cè)量擊穿電壓。一個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為400、300和400 mm的立方體型泡沫容器用于盛放液氮。實(shí)驗(yàn)時(shí)電極系統(tǒng)放置于盛有液氮的泡沫容器中。實(shí)驗(yàn)時(shí)先把接好電極的試品放置于盛滿液氮的泡沫容器內(nèi)，待沸騰平緩且液氮上方呈現(xiàn)一層薄霧時(shí)，蓋緊蓋子，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)單層、三層、六層、九層PPLP進(jìn)行擊穿試驗(yàn)。采用1 kV/s的勻速升壓方式，直至試品發(fā)生擊穿方成攻完成一次試驗(yàn)，每種層數(shù)重復(fù)做9次試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)電極與試品Fig.1 Test electrode and test product

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置接線圖Fig.2 Experiment equipment wiring diagram

2.2 數(shù)據(jù)分析

測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 擊穿場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)Table 1 Breakdown data

用Matlab對(duì)單層、三層、六層、九層PPLP的9次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行威布爾分布處理得到威布爾分布概率圖如圖3所示。圖中的點(diǎn)代表所處一定層數(shù)下對(duì)應(yīng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的擊穿概率。直線是由9個(gè)概率點(diǎn)進(jìn)行擬合所得。由擬合后的直線可求得在1%擊穿概率的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和99%擊穿概率的擊穿場(chǎng)強(qiáng)之間任意場(chǎng)強(qiáng)值發(fā)生工頻擊穿的概率。

圖3 威布爾分布概率圖Fig.3 Weibull distribution probability graph

計(jì)算出的威布爾分布參數(shù)如表2所示。從表中可知隨層數(shù)的增加α減小，β增大。說(shuō)明擊穿場(chǎng)強(qiáng)和數(shù)據(jù)的分散性隨著層數(shù)的增加而減小。

表2 不同層數(shù)的Weibul分布參數(shù)Table 2 Parameters of Weibull distribution of different layer number

采用Matlab所擬合的直線計(jì)算出不同層數(shù)的PPLP服從威布爾分布的10%擊穿概率的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。10%擊穿概率的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和層數(shù)的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)形式表示。擊穿場(chǎng)強(qiáng)與層數(shù)關(guān)系的擬合公式與擬合曲線圖分別如式(3)、圖4所示。

從圖中可知擊穿場(chǎng)強(qiáng)從三層到六層大幅度減小，從六層到九層擊穿場(chǎng)強(qiáng)減少的趨勢(shì)變緩，并趨于飽和。

圖4 層數(shù)與擊穿場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系圖Fig.4 Relation diagram of layer number and breakdown stress

3 單層和多層PPLP的擊穿路徑及機(jī)理分析

3.1 單層擊穿

從圖5電場(chǎng)矢量分布圖和電勢(shì)分布圖可知電極之間的電場(chǎng)分布較為均勻，而在高壓電極邊緣位置電場(chǎng)分布極不均勻，形成垂直方向的電場(chǎng)和斜切向PPLP的電場(chǎng)。從單層PPLP擊穿軌跡來(lái)看，試品主要在高壓電極邊緣附近處擊穿如圖6所示。這主要是由于電極邊緣處的電場(chǎng)線要經(jīng)過(guò)液氮和PPLP兩種不同的介質(zhì)，在電極邊緣液氮中的電場(chǎng)強(qiáng)度與試樣中相鄰點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度之比為:

由于液氮所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度要大于PPLP的場(chǎng)強(qiáng)且液氮的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比PPLP的低，于是電極邊緣的液氮優(yōu)先放電，這種放電會(huì)腐蝕試樣，會(huì)使試樣在較低的電壓下發(fā)生擊穿。

3.2 多層擊穿

圖7為層間發(fā)生沿面放電的軌跡圖。在高電壓作用下多層擊穿通道的發(fā)展過(guò)程如圖8所示。在多層薄膜結(jié)構(gòu)下，施加高于層間液氮起始放電的電壓，放電不但在高壓電極的邊緣處發(fā)生也在在兩薄膜之間的液氮中發(fā)生，電荷注入層間液氮及其相鄰的兩個(gè)PPLP表面，使層間液氮?dú)饣瘹庀稊U(kuò)大同時(shí)放電產(chǎn)生的能量使浸漬在PPLP纖維間隙中的液氮?dú)饣蛎洠斐衫w維中的孔隙變大。隨著電壓升高放電增強(qiáng)，PPLP的部分纖維斷裂，液氦氮滲入到裂縫然后放電氣化，這個(gè)過(guò)程的重復(fù)可以促進(jìn)PPLP腐蝕，使放電通道不斷發(fā)展，隨著通道的延伸PPLP最終被擊穿。因此層間液氮發(fā)生嚴(yán)重放電，腐蝕試品，造成試品的電絕緣性能下降是多層試品擊穿場(chǎng)強(qiáng)較低的主要原因。同時(shí)，局放促使液氮?dú)饣拐麄€(gè)絕緣系統(tǒng)的壓強(qiáng)增大，壓強(qiáng)增大，起始局放電壓也隨之變大。使層間氣隙越來(lái)越難于局放，從而層間氣隙局放對(duì)PPLP絕緣性能劣化的影響也就下降，這是六層到九層擊穿場(chǎng)強(qiáng)減少的幅度較少，并趨于飽和的原因。

圖5 電場(chǎng)矢量分布圖和電勢(shì)分布圖Fig.5 Electric field vector plot and electric potential distribution plot

圖6 單層PPLP擊穿軌跡圖Fig.6 Single-layer PPLP breakdown path plot

圖7 相鄰兩表面的沿面放電圖Fig.7 Creeping discharge diagram of adjacent two surfaces

圖8 AC高壓下多層擊穿路徑發(fā)展過(guò)程Fig.8 Multi-layer breakdown path develop-ment process under AC high voltage

4 結(jié)論

(1)隨著層數(shù)的增加擊穿場(chǎng)強(qiáng)減少，一層到六層擊穿場(chǎng)強(qiáng)減少的幅度較大，六層到九層減少的幅度較少，并趨于飽和。

(2)單層PPLP的擊穿軌跡一般在高壓電極的邊緣處，主要是由于電極邊緣處的電場(chǎng)線穿過(guò)液氮和PPLP兩種介質(zhì)，邊緣處的液氮優(yōu)先局放腐蝕PPLP降低PPLP的絕緣性能使PPLP在較低的電壓下就能擊穿。

(3)多層PPLP的擊穿試驗(yàn)，層間液氮放電腐蝕PPLP使整個(gè)絕緣系統(tǒng)的耐壓性能下降。同時(shí)局放使液氮?dú)饣拐麄€(gè)絕緣系統(tǒng)的壓強(qiáng)增大，促使隨著層數(shù)的增加，擊穿場(chǎng)強(qiáng)緩慢減少并趨于飽和。

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1998.

Study on layers effect of polypropylene laminated paper for AC breakdown strength of insulation

Liu Zhikai1Li Weiguo1Wei Bin2Qiu Ming2Zhao Yongqing2Hou Jingzhou2Gao Chao2

(1School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)(2Electrical Engineering and New Material Department，China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

The multilayer polypropylene laminated paper(PPLP)breakdown characteristic in liquid nitrogen was studied，changing of the breakdown field strength with the layer number of PPLP was summarized.It is concluded that breakdown field strength of multilayer PPLP is reduced with the increase of the layer number and tends to saturation.The breakdown mechanism of singer layer and multilayer was analyzed.Single-layer breakdown path occurs at the edge of the high voltage electrode，partial discharge liquid nitrogen between layers affects the multilayer breakdown stress.It is the cause that the breakdown stress get smaller when layer number is increased.

liquid nitrogen;composite insulation;the number of insulation layer;breakdown field;breakdown mechanism

TB66

A

1000-6516(2013)05-0052-05

2013-07-30;

2013-10-05

劉志凱，男，29歲，博士研究生。