X射線輻射對(duì)固體絕緣材料電氣性能影響

劉澤坤，于虹，劉宇，徐成龍，郭鐵橋

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，保定 071000；2.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；

3.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

X射線輻射對(duì)固體絕緣材料電氣性能影響

劉澤坤1，2，于虹3，劉宇1，徐成龍1，2，郭鐵橋1

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，保定 071000；2.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；

3.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

在帶電與不帶電兩種情況下，逐漸改變射線的能量和輻射時(shí)間，來研究X射線輻射對(duì)環(huán)氧樹脂和聚乙烯絕緣材料的擊穿強(qiáng)度、介電強(qiáng)度等電氣性能的影響。

X射線輻射；環(huán)氧樹脂；聚乙烯；電氣性能

0 前言

X射線數(shù)字成像技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、X射線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、圖像處理技術(shù)等，能夠在不斷電、不拆卸的情況下，快速的將透視圖像傳輸?shù)饺藱C(jī)交互界面，使技術(shù)人員可直觀的判斷出設(shè)備的故障類型、外觀、位置等信息[1]，因此，已被廣泛應(yīng)用于變壓器、GIS、斷路器、互感器等高低壓電力設(shè)備的無損檢測(cè)當(dāng)中。

但在不同的照射時(shí)長(zhǎng)和不同的射線能量下，X射線輻射對(duì)電力設(shè)備固體絕緣材料電氣性能的影響情況在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中還未見報(bào)道。本文選用環(huán)氧樹脂和聚乙烯兩種常用的固體絕緣材料，在帶電和不帶電兩種情況下，逐漸改變X射線的能量和輻射時(shí)長(zhǎng)，來研究X射線輻射對(duì)環(huán)氧樹脂和聚乙烯絕緣材料的擊穿強(qiáng)度、介電強(qiáng)度等電氣性能的影響。

1 X射線輻射實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)樣本：5 cm×5 cm的環(huán)氧樹脂薄膜和5 cm×5 cm聚乙烯薄膜。

實(shí)驗(yàn)條件：

1)實(shí)驗(yàn)室溫度23℃，濕度47%；

2)樣本加10 kV電壓和不加電壓兩種條件；

3)輻射時(shí)間：間隔1分鐘和間隔1小時(shí)；

4)X射線機(jī)管電壓分別為50 kV、110 kV、300 kV；

5)X射線機(jī)管電流為3 mA。

圖1為樣本加電壓的示意圖，樣本一端加10 kV的電壓，一端接地；

圖1 帶電樣本示意圖

2 X射線輻射對(duì)固體絕緣的影響

2.1 對(duì)材料擊穿性能的影響

在對(duì)帶電與不帶電輻射的聚乙烯和環(huán)氧樹脂的擊穿場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)試后，得到其在不同輻射時(shí)間與不同輻射功率下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。圖2和圖3分別是是聚乙烯在不帶電和帶電的情況下不同輻射時(shí)間與不同輻射功率下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

圖2 聚乙烯在擊穿場(chǎng)強(qiáng)(不帶電)

圖3 聚乙烯在擊穿場(chǎng)強(qiáng) (帶電)

由圖可知，聚乙烯這種固體絕緣材料在不帶電的情況下隨著輻射時(shí)間的增長(zhǎng)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)幾乎無明顯變化，但隨著輻射功率的增加，在50kV與300kV功率的時(shí)候，擊穿場(chǎng)強(qiáng)十分接近，但在中等強(qiáng)度功率輻射下，其呈現(xiàn)稍低的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，很可能是由于其制備過程中，薄膜厚度不均勻造成的；而聚乙烯在帶電情況下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)趨勢(shì)與不帶電情況下幾乎一樣，說明在X射線輻射對(duì)聚乙烯的擊穿性能無明顯影響。

圖4和圖5分別是是環(huán)氧樹脂在不帶電和帶電的情況下不同輻射時(shí)間與不同輻射功率下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

圖4 環(huán)氧樹脂擊穿場(chǎng)強(qiáng) (不帶電)

圖5 環(huán)氧樹脂擊穿場(chǎng)強(qiáng) (帶電)

由圖可知，環(huán)氧樹脂這種固體絕緣材料在不帶電情況下，隨著輻射時(shí)間增長(zhǎng)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)無明顯變化，但隨著輻射功率增加，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)緩慢降低，而環(huán)氧樹脂在帶電情況下，隨著輻射時(shí)間增長(zhǎng)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)無明顯變化，但隨著輻射功率增加，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)逐漸降低，其下降速度大于不帶電的情況。但無論是聚乙烯還是環(huán)氧樹脂，帶電與不帶電情況下其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)具體數(shù)值幾乎無明顯變化。

2.2 對(duì)材料表面電阻和體積電阻的影響

表1和表2分別是聚乙烯在不同輻射時(shí)間和不同輻射功率下的表面電阻和體積電阻。由表中數(shù)據(jù)可知，聚乙烯在不帶電情況下，隨著輻射時(shí)間增加，表面電阻率有較小的增大，而隨著輻射功率的增大，其表面電阻幾乎無明顯變化；而在帶電情況下，隨著輻射時(shí)間增加，表面電阻同樣有較小的增大，而隨著輻射功率的增大，其表面電阻在輻射初期逐漸增大，在輻射后期逐漸減??；同時(shí)，聚乙烯在不帶電情況下，隨著輻射時(shí)間增加，體積電阻出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而隨著輻射功率的增大，其表面電阻幾乎無明顯變化；而在帶電情況下，隨著輻射時(shí)間增加，體積電阻同樣有先增大后減小的趨勢(shì)，而隨著輻射功率的增大，其表面電阻在輻射初期逐漸增大，在輻射后期逐漸減小。

環(huán)氧樹脂在不同輻射時(shí)間與不同輻射功率下的表面電阻與體積電阻，其變化趨勢(shì)也聚乙烯的情況基本相同。

2.3 對(duì)材料介電性能的影響

圖6和圖7分別是輻射功率為50 kV的聚乙烯在不同輻射時(shí)間下介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖。由圖可知，輻射功率為50 kV，不帶電情況下，聚乙烯介電常數(shù)隨輻射時(shí)間增加，無明顯變化，而帶電情況下變化相對(duì)明顯，但數(shù)值仍保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。圖8和圖9分別是輻射功率為300 kV的聚乙烯在不同輻射時(shí)間下介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖。其變化規(guī)律與輻射功率為50 kV的情況大致相同。

圖6 聚乙烯50 kV管電壓(不帶電)

圖7 聚乙烯50 kV管電壓(帶電)

圖10 和圖11分別是輻射功率為50 kV的環(huán)氧樹脂在不同輻射時(shí)間下介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖。由圖可知，輻射功率為50 kV，不帶電情況下，環(huán)氧樹脂介電常數(shù)隨輻射時(shí)間增加，出現(xiàn)先增大在減小的趨勢(shì)，而帶電情況下變化相對(duì)明顯，但數(shù)值仍保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。圖12和圖13分別是輻射功率為300 kV的環(huán)氧樹脂在不同輻射時(shí)間下介電常數(shù)與頻率的關(guān)系圖。其變化規(guī)律與輻射功率為50 kV的情況大致相同。

圖8 聚乙烯300 kV管電壓 (不帶電)

圖9 聚乙烯300 kV管電壓 (帶電)

圖10 環(huán)氧樹脂50 kV管電壓 (不帶電)

圖11 環(huán)氧樹脂50 kV管電壓 (帶電)

圖12 環(huán)氧樹脂300 kV管電壓 (不帶電)

圖13 環(huán)氧樹脂300 kV管電壓 (帶電)

3 結(jié)束語

終上所述，X射線輻射對(duì)固體絕緣材料 (聚乙烯和環(huán)氧樹脂)的電氣性能響并不顯著，對(duì)于帶電與不帶電兩種情況比較，在帶電情況下X射線輻射造成影響較為明顯，但仍然在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，故X射線無損探傷技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于主要絕緣材料是聚乙烯與環(huán)氧樹脂的電氣設(shè)備的檢測(cè)。

[1] 于虹，魏杰，王達(dá)達(dá)，等.X射線數(shù)字成像DR檢測(cè)技術(shù)在電力設(shè)備狀態(tài)檢修中的應(yīng)用 [C].全國(guó)輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)交流研討會(huì)，2011.

[2] 閆斌，何喜梅，吳童生，等.GIS設(shè)備X射線可視化檢測(cè)技術(shù)，中國(guó)電力，vol.43，no.7，2010.

[3] S.Rizzetto，G.C.Stone and S.A.Boggs，The Influence of X-rays on Partial Discharges in Voids，Annual Report-CEIDP1987，PP.89-94.

[4] N.Fujimoto，S.Rizzetto，J.M.Braun，Improved PD Testing of Solid Dielectries using X-ray Induced Discharge Initiation， IEEE Electrical Insulation Magazine， Vol.8，No.6，1992，pp.33-41.

[5] J.M.Braun，S.Rizzetto，N.Fujimoto and G.L.Ford，X-ray Induced Partial Discharge Testing of Full-Size EHV Insulators，1996 IEEE PES T＆D Conference，Los Angels，CA，Sept.1996，pp.L.

Research on Effects of X-ray Radiation to Electrical Properties of Solid Insulation Materials

LIU Zekun1，2，YU Hong3，LIU Yu1，XU Chenglong1，2，GUO Tieqiao1
(1 Department of Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003；2 Graduate Workstation of North China Electric Power University，Yunnan Power Grid Co.，Kunming 650217；3.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Under the condition that gradually changing the ray energy and radiation time with electrification or not，this paper has researched the effects of X ray radiation to behaviour of electricity of epoxy resin and polyethylene such as breakdown strength，dielectric strength.

X-ray radiation；epoxy resin；polyethylene；electrical performance

TM83

B

1006-7345(2014)06-0086-03

2014-10-24

劉澤坤 (1988)，碩士研究生，華北電力大學(xué)云南電科院研究生工作站，從事在線監(jiān)測(cè)與故障診斷估方向的研究 (e-mail) 598128554＠qq.com。