關(guān)于在電力系統(tǒng)中局部放電對固體絕緣介質(zhì)的破壞的研究

白天予Paul. L. Lewin

（1.國網(wǎng)天津市電力公司東麗供電分公司，天津 300300；2. The Tony Davies High Voltage Laboratory，University of Southampton，英國）

關(guān)于在電力系統(tǒng)中局部放電對固體絕緣介質(zhì)的破壞的研究

白天予1Paul. L. Lewin2

（1.國網(wǎng)天津市電力公司東麗供電分公司，天津 300300；2. The Tony Davies High Voltage Laboratory，University of Southampton，英國）

文章是對于發(fā)生在交流電場中在固體絕緣介質(zhì)的空氣間隙的老化進程的實驗，通過制造一個在2mm厚度的硅膠樣品包含直徑1mm的單個的空氣間隙，五個樣品在12kV的交流電場下加壓6小時而后加壓到15kV直到有一個樣品擊穿。在加壓過程中，局部放電數(shù)據(jù)被常規(guī)的記錄下來。剩下的4個樣品將被檢查是否有老化的痕跡。初步結(jié)果顯示，被切割的樣品的老化部分有可能是凹凸部分從空氣間隙中延伸出來。這篇論文詳細介紹這個實驗，以及包含獲得的老化的樣品的照片和詳細介紹因為電老化過程對化學(xué)成分的變化在硅膠中的影響。

固體絕緣介質(zhì)；老化；局部放電；氣泡

在全球特高壓趨勢下，隨著電壓等級的提高，對絕緣材料的質(zhì)量的要求越來越高。尤其在高壓電力電纜領(lǐng)域以及高壓輸電線路的范圍對固體絕緣材料的要求有著更高的標準。如果絕緣材料無法滿足特高壓對絕緣材料的要求，將會造成供電系統(tǒng)的嚴重故障。這種故障會對特高壓下的電力系統(tǒng)造成極大的危害，對供電可靠性和安全性造成極大的不利。因此這就涉及到了本文所提到的固體絕緣材料中的雜質(zhì)問題。微型間隙包括發(fā)生在絕緣介質(zhì)中的因為生產(chǎn)的瑕疵所造成的微型空氣小泡，以及污染物［1］。并且，這些瑕疵可能在工廠的設(shè)備測試中不會被監(jiān)測到，但是他們的影響是非常明顯的當他們在強大的電場當中［2］。很低的在空氣間隙中的介質(zhì)因數(shù)將導(dǎo)致在比固體介質(zhì)中的要高的場強［3］。這個現(xiàn)象將導(dǎo)致局部放電的發(fā)生。有兩種條件將導(dǎo)致局部放電發(fā)生在電場中的小泡，第一種就是施加的電壓高于起始電壓，第二種就是在氣泡中有自由電子存在［2］。自由電荷包含著巨大的能量將沖擊空氣間隙的表面［4］。因為化學(xué)變化和熱老化對于氣體間隙的表面的原因以及局部放電在集中沖擊，凹凸的痕跡將初始存在于空氣間隙和固體介質(zhì)的表面［5］。在下一階段，領(lǐng)帶電樹枝有可能在長期的電場下以及局部放電的沖擊下產(chǎn)生［1，3，4］。最后這樣的現(xiàn)象導(dǎo)致樣品的擊穿［1，3］。因此在空氣間隙的老化過程的發(fā)展對電力設(shè)備的絕緣介質(zhì)有著非常嚴重的影響。

根據(jù)之前的論文［3，5］，發(fā)生在聚乙烯材料中的空氣間隙的老化過程。局部放電的圖形，局部放電的電流和局部放電的幅度在老化進程中被監(jiān)測分析［6，7］。而且 Morshuis［8］已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在聚乙烯中的老化過程中可以制造三種化學(xué)副產(chǎn)品：氣體，固體，液體。一些圖片老化空氣間隙的圖片被顯微鏡拍攝下來［2，9，10］。但是在硅膠中的老化過程并沒用被報道過。因此這個實驗將集中于發(fā)現(xiàn)在硅膠中空氣間隙的領(lǐng)帶樹枝。Raman光譜儀將被用來分析被切割的老化部分的化學(xué)成分。

1 實驗部分

1.1 實驗準備

用于制造硅膠的材料是Dow Corning Sylgard 184硅膠材料。為了準備樣品，這個混合物的比例是硅膠和硬化物是10:1。這個混合物在真空中被抽氣50分鐘。在抽氣前，這個混合物緩慢攪拌為了防止不想要的起泡，并且需要攪拌 2分鐘以便于充分混合。這個硅膠的強度取決于硬化的過程。這個樣品用塑料容器準備。在抽氣以后，這個混合物被緩慢倒入塑料盤子里。在注射單個起泡之前，一個合適的硬化時間是在60度的烤箱下進行10分鐘。10分鐘過后，用針注入一個圓形的起泡然后再放入烤箱烤10分鐘。最后，這個樣品被切成利于老化實驗的大小規(guī)格。這個厚度的樣品可以用來在顯微鏡下測量。對于這個實驗，每個樣品的厚度是2mm±150μm。

1.2 測試樣品的安裝

蘑菇狀的電極被用在老化實驗上。五個電極被應(yīng)用。圖片 1顯示了一個樣品的圖像，這個樣品包含了一個圓形的空氣間隙。這個厚度，h，對于每個樣品是大約2mm并且這個氣泡的直徑是1mm。

圖1 樣品示意圖

1.3 實驗安裝

局部放電測量設(shè)備是 MTRONIX MPD 600系統(tǒng)。MTRONIX MPD 600系統(tǒng)一個適用于實驗室高電壓設(shè)備局部放電在線測量的設(shè)備。圖片 2顯示這個設(shè)備被用于測量局部放電現(xiàn)象。這個實驗包括高電壓設(shè)備，高電壓過濾器，一個局部放電檢測器，一個USB控制器用于連接電腦通過光纖。這個系統(tǒng)捕捉任何在0赫茲到32赫茲的局部放電信號伴隨著9千赫茲到3兆赫茲的帶寬。在這個實驗中，系統(tǒng)噪聲在任何時候都是0.5pC-1pC。

圖2 實驗設(shè)備

2 結(jié)果和討論

2.1 老化樣品的照片

三個老化的沒有被擊穿的有可能包含凹凸的痕跡或者樹枝的痕跡的樣品用 RMC MT-7超級切割器在一個放置于-110度的氮氣系統(tǒng)中被切割以便于提供一個包含有凹凸痕跡或者樹枝痕跡的開放表面。圖片 3顯示了不同老化程度的顯微鏡照片。從圖片 3可以看出，凹凸部分出現(xiàn)在硅膠和氣泡的交界處。作者提出過凹凸部分會在領(lǐng)帶樹枝之前出現(xiàn)。進一步的實驗將會用來檢查被切樣品的化學(xué)變化。

2.2 raman 顯微鏡技術(shù)在被切開樣品分析

樣品被用 Lecia 顯微鏡擊中在氣泡表面的不同的位置。所有的光譜將在3500 cm-1和100 cm-1的范圍得到并且集中掃描120s，最后用SigmaPlot10進行分析。這三個樣品的范圍對于被老化的部分，接近老化的部分和遠離老化的部分將被展示在圖片4中。

三個在圖片 4中的圖形顯示了分別描述被老化的部分，接近老化的部分和遠離老化的部分的七條光譜。尤其是，1，2，3光譜描述了在圖片4（a）里的老化區(qū)域，這些區(qū)域顯示了硅膠的痕跡和一些熒光，但是，沒有石墨碳的證據(jù)。4，5光譜（靠近老化區(qū)域的地方）6，7光譜（遠離老化區(qū)域的地方）。圖片4（a）是你比較類似于本身的性質(zhì)的曲線。

光譜 2，6顯示了在圖片 4（b）里的老化區(qū)域，這些顯示在1310cm-1和1590cm-1的范圍有G和D的石墨碳帶（圖中箭頭指出的部分）［11］。但是光譜 1（老化部分）僅僅顯示了相似于光譜3，4和光譜5，7（靠近老化區(qū)域的地方）的硅膠的痕跡。 光譜2顯示了顯示出一大部分熒光的老化區(qū)域，光譜1，3顯示了相似于4，5光譜（靠近老化區(qū)域的地方）6，7光譜（遠離老化區(qū)域的地方）的硅膠的痕跡。

圖3 在交流電場下被切割的氣泡的表面的老化的顯示

碳在被切氣泡的老化區(qū)域的存在顯示了氣泡的老化過程，這些過程包括聚乙烯的含硅膠和氧的結(jié)構(gòu)。這些聚乙烯的鏈包含了碳。碳的存在可以被發(fā)現(xiàn)在以前的論文里的PE樣品［11］。

另外，在這些光譜中，關(guān)于硅膠的典型的峰可以在 200和 900cm-1并且這些描述老化區(qū)域和接近于老化區(qū)域的光譜的峰可以疊加到不同程度的熒光。像這樣的熒光可以很平常的在Raman光譜儀中遇到。尤其是在這些被腐化的樣品［12-13］。出現(xiàn)在這些光譜中的熒光顯示出老化可以出現(xiàn)在氣泡和硅膠的交界處。而且，它顯示出離這些老化區(qū)域比較近的區(qū)域會被老化過程影響。關(guān)于為什么老化區(qū)域的光譜會沒有熒光還不清楚但就像相關(guān)的老化是一個局部的現(xiàn)象，熒光的缺少是因為在表面以下的分析的點缺少老化區(qū)域就像 Vaughan被監(jiān)測的PE樣品一樣［11］。

圖4 被切割樣品的各種位置的Raman光譜

2.3 局部放電數(shù)據(jù)

在實驗過程中，會對樣品進行持續(xù)的加壓，為了測量局部放電在老化過程中的變化情況，本文章所介紹的儀器將被用來持續(xù)采集局部放電信號以及局部放電圖形，直至樣品被老化擊穿。下面就是實際局部放電數(shù)據(jù)隨著老化的時間的延長的變化情況。

圖5 在16kV交流電壓加壓后實驗數(shù)據(jù)

圖6 在14kV交流電壓加壓后實驗數(shù)據(jù)

圖7 在13kV交流電壓加壓后實驗數(shù)據(jù)

通過分析實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，不同的局部放電形狀會出現(xiàn)。但通過模擬數(shù)據(jù)［2］顯示，并沒有什么可以解釋這種現(xiàn)象的理論解釋。這種局部放電圖形的變化并沒有什么規(guī)律可言。所以關(guān)于規(guī)律的研究還需要大量的實驗來解釋。

3 結(jié)論

為了確定是否老化過程是領(lǐng)帶樹枝發(fā)展的前提，三個包含老化區(qū)域的樣品被切開來顯示出凹凸的部分或者可能的領(lǐng)帶樹枝。從被顯微鏡獲取的圖片來看，凹凸部分已經(jīng)在氣泡和硅膠的交界處形成。

Raman光譜儀已經(jīng)被用在分析被切開樣品的老化區(qū)域的化學(xué)成分。老化區(qū)域，接近于老化區(qū)域的部分，遠離老化區(qū)域的部分已經(jīng)被掃描。被切開樣品的Raman結(jié)果顯示老化過程已經(jīng)發(fā)生在在氣泡和硅膠的交界處。并且，它顯示出離這些老化區(qū)域比較近的區(qū)域會被老化過程影響。碳在被切氣泡的老化區(qū)域的存在顯示了氣泡的老化過程，這些過程包括聚乙烯的含硅膠和氧的結(jié)構(gòu)。這些聚乙烯的鏈包含了碳。因此，它進一步證明了凹凸部分已經(jīng)才在于氣泡中。另外，在這些光譜中，過于硅膠的典型的峰可以在200和900 cm-1 并且這些描述老化區(qū)域和接近于老化區(qū)域的光譜的峰可以疊加到不同程度的熒光。像這樣的熒光可以很平常的在Raman光譜儀中遇到。尤其是在這些被腐化的樣品。出現(xiàn)在這些光譜中的熒光顯示出老化可以出現(xiàn)在氣泡和硅膠的交界處。 而且，它顯示出離這些老化區(qū)域比較近的區(qū)域會被老化過程影響。關(guān)于為什么老化區(qū)域的光譜會沒有熒光還不清楚但就像相關(guān)的老化是一個局部的現(xiàn)象，熒光的缺少是因為在表面以下的分析的點缺少老化區(qū)域。

關(guān)于在老化過程當中局部放電數(shù)據(jù)的監(jiān)測，從而讓研究者了解到想要用局部放電數(shù)據(jù)的規(guī)律的來判斷固體絕緣的老化的過程是比較困難的，因此需要用大量的實驗來繼續(xù)探索可能的規(guī)律發(fā)展，以及局部放電和固體絕緣材料的關(guān)系。

進一步的工作將被要求用來建立是否老化過程的下一階段是領(lǐng)帶樹枝的形成或者是否石墨的碳的形成可以導(dǎo)致局部電場的畸形以至于導(dǎo)致瞬間的電擊穿或者增加的導(dǎo)電性導(dǎo)致熱擊穿。

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Study on solid insulation damage by partial discharge in power system

This paper is concerned with a simulation study to consider comparison of partial discharge measurement and simulation results for degradation processes. The experimental samples are 2mm thick samples of silicone resin that contain a single void of around 1mm diameter. Five samples are simultaneously electrically stressed under an applied ac sinusoidal voltage of 12kV for 6 hours that is then increased to 15kV until a sample fails. During the stressing period， PD data is regularly acquired. The remaining 4 samples are then inspected for signs of degradation. Preliminary results show that the aging sample is likely to be concave and convex part extends from the air gap. This paper introduces the experiment in detail， containing the photos of the aging sample and the influences on silica gel by the change of the chemical composition in electrical aging process.

Solid dielectric insulation； age； partial discharge； bubble

TM852

A

1008-1151（2016）08-0062-04

2016-07-11

白天予，男，國網(wǎng)天津市電力公司東麗供電分公司調(diào)控中心調(diào)度員，從事電網(wǎng)調(diào)控與運行研究。