脈沖電壓下壓力對交聯聚乙烯-硅橡膠界面電痕破壞的影響

張朕滔,張　雷,譚宇航，周基勛,馬占東,楊　京

(1.重慶市計量質量檢測研究院,重慶 401121;2.國網重慶武隆縣供電有限責任公司,重慶 408500; 3.重慶文理學院,重慶 402160)

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脈沖電壓下壓力對交聯聚乙烯-硅橡膠界面電痕破壞的影響

張朕滔1,張雷2,譚宇航3，周基勛1,馬占東1,楊京1

(1.重慶市計量質量檢測研究院,重慶 401121;2.國網重慶武隆縣供電有限責任公司,重慶 408500; 3.重慶文理學院,重慶 402160)

針對電纜接頭處出現的電痕破壞事故，建立了不同壓力下界面電痕破壞的實驗平臺。實驗樣品由1片聚乙烯和1片透明硅橡膠重疊壓合而成。用二者的接觸面來模擬交聯聚乙烯電力電纜接頭的界面。兩個半圓形細銅絲電極位于此界面上，由此構造1個近似勻場電場。高壓脈沖電源施加于兩電極上直至界面電痕破壞。用數字相機錄制了界面從放電至電痕破壞整個過程的放電光和炭化分布。隨后，采用圖像處理方法并運用Matlab等軟件的處理方法，對放電光和炭化通道分布進行分析，得出了放電光分布和炭化分布之間的相互關系以及交聯聚乙烯-硅橡膠界面電痕破壞的規(guī)律。

交聯聚乙烯；接頭；電痕；放電光；炭化

根據復合多層介質絕緣結構沿面放電的機理和特性，主要針對交聯聚乙烯-硅橡膠電力電纜的接頭交界面壓力，分別在1,10,20 N壓力條件下的3種界面進行高壓脈沖的放電試驗。界面在高壓作用下會發(fā)生絕緣擊穿放電，在放電過程中會不斷產生放電光、炭化以及電痕破壞，對試驗中界面放電產生的放電光、炭化和界面電痕破壞通道的產生規(guī)律及分布規(guī)律進行研究分析。最后，根據試驗的分析處理結果總結推測出壓力對交聯聚乙烯—硅橡膠界面電痕破壞的規(guī)律及破壞機理。在本文實驗中電壓源由幅度頻率可調簡易脈沖發(fā)生器提供，采用數字攝相機對實驗過程中產生的放電光、炭化及電痕破壞通道進行攝像。實驗中放電光的處理在黑暗環(huán)境中進行，而炭化及電痕破壞通道的處理則在一定背景光下進行。

1　界面電痕破壞實驗

1.1放電光分布隨時間的變化

經過一系列的實驗操作和對實驗方法、步驟的不斷改進，最終通過圖像處理方法得出了在脈沖電壓(電壓峰值為35 kV)下不同壓力條件(正常狀態(tài)下、壓力為1 kg、壓力為2 kg)、不同時間段(每隔10 min為一個時間段)的圖像結果，如圖1所示。正常狀態(tài)下是指交聯聚乙烯和硅橡膠界面在透明玻璃的壓力情況下，忽略了在交聯聚乙烯與硅橡膠界面的透明玻璃的壓力。

由圖1可見：在相同壓力條件下、不同時間段的放電光的強度和亮度都有所不同；在相同時間條件下，不同壓力條件下的放電光的強度和亮度也有所不同。用肉眼觀察，在相同壓力條件下，時間越長，放電光的強度和亮度都有所增強；在相同時間條件下，壓力越大，放電光的強度和亮度都有所減弱。但僅從肉眼觀察，不能說明最終的結論。

1.2炭化分布隨時間的變化

通過實驗，采用圖像處理方法得出了在脈沖電壓(電壓峰值為35 kV)下不同壓力條件、不同時間段(10 min)的炭化效果圖像，如圖2所示。

炭化的延伸同樣也具有階段性，可歸納為3個階段，且每個階段的炭化分布也不一樣，如圖2中(a1)、(a2)、(a3)所示。第1階段，炭化的效果呈現出若干的點型分布在兩對稱電極的垂直交界處，炭化的顏色呈淡黑色，且不太明顯，這說明炭化的時間和過程不夠長。第2階段，炭化的效果逐漸變成有規(guī)律的通道形狀，在界面上有黑團斑狀出現，但這些黑團斑狀并沒有完全連接起來。第3階段，可從圖中看出界面上的炭化慢慢連成片，且顏色也變成深黑色，十分明顯。由此得到一條規(guī)律：炭化的通道隨著時間的變長呈現了由窄變寬、由淺變深、由輕微變嚴重的變化過程。

同樣通過觀察可以發(fā)現：脈沖電壓下壓力不變(如圖(a1)、(a2)、(a3)3個不同時間段)，隨著時間的增長，炭化效果越來越明顯，炭化通道逐漸變粗，變黑；脈沖電壓下時間段(如圖(a1)、(b1)、(c1)3種不同壓力下)相同，炭化效果越來越淡，炭化通道也逐漸變細、變淺。

圖1放電光的分布

圖2　炭化分布

2　脈沖電壓下界面壓力對電痕破壞的影響和規(guī)律

2.1界面壓力對界面電痕破壞的影響

事實表明：放電光的強度大小能表示放電的能量大小，且放電光的分布能反映放電能量的分布。接通電源，合上開關，在實驗界面上會不斷產生放電的電流以及炭化物。要注意的是：放電過程是在2張不同的絕緣材料界面或表面上產生的。本文中的2張不同的絕緣材料組成的界面是由交聯聚乙烯與硅橡膠薄切片疊加在一起并且在透明玻璃的覆蓋下形成的。讓2種不同材料的絕緣試樣緊緊地貼合在一起會限制放電所產生的等離子體從而使放電的電流不會劇烈增加。如果放電發(fā)生在氣體中，正如在空氣中進行的高壓脈沖電源放電實驗一樣，放電的電流會劇烈增長，而本實驗的放電是在兩緊貼的絕緣界面上進行，因此整個放電實驗中電痕破壞的發(fā)生過程會相對緩和。

得出結論：放電光分布的不同直接關系到炭化分布的不同。光的分布隨著時間的變化也會變得不太一樣，但都比較相似。放電光會出現在距2個半圓形電極最近處的附近區(qū)域，而不是完全出現在距兩半圓形電極最近的直線上。隨著放電的進行，有放電電流流過光亮處即界面處的放電區(qū)域，電流的出現使界面上的材料出現了一定程度的變化。能夠了解到，放電電流致界面產生的這幾種物質中炭物質能夠用肉眼觀察到，它呈黑色并具有導電性能，隨著放電的進行不斷產生在實驗界面之上，這樣會使界面上一些部位的電場強度得到加強，同樣也會使另外的一些部位的電場強度減弱：有炭化效果出現的部位電場強度被減弱了，而沒有炭化效果的部位電場強度得到了微小的加強。因此，界面受到影響變黑，另外的2種氣體和含硅元素的氧化物都不會被發(fā)現。在界面處，電場強度最強的地方往往就是放電光最強的地方，由于出現炭化的量較多，因此界面會逐步喪失其絕緣性能。

2.2脈沖電壓下壓力對電痕破壞的規(guī)律

2.2.1放電光分布變化規(guī)律

實驗中給出了交聯聚乙烯-硅橡膠界面在電極施加脈沖電壓后，從實驗后的圖像處理和一系列的數據處理得知放電光隨著壓力的改變有著不同的分布特點。

根據放電光圖，放電光的亮度大小從肉眼上無法準確地被分辨出來，因此在本文中采用Matlab 軟件進行編程，從而將光分布圖轉化為直觀的數據曲線圖，這樣就能清晰地比較不同時段、不同壓力下的放電光的亮度大小。具體的前、中、后以及在壓力為1 N，施加壓力分別為10、20 N的情況下的后放電光的亮度分布見圖3所示。

由圖3(a)可見：在3個不同的時間段，分別得到了放電光亮度的分布。從單個情況看，曲線呈現波形狀，在整條放電光的左端開始處和右端結束處放電光的亮度強度相差不多，基本相同，都為1.4104(a.u.)。這是因為放電光都是由2個半圓形的電極發(fā)射，呈現對稱狀，在中間位置(60 mm處)的放電光變強的原因是放電光從開始到最強處慢慢疊加，不斷地重合和積累而形成。從圖3(a)的3個子圖可以發(fā)現：在相同壓力條件下，不同時間段的放電光亮度的變化規(guī)律圖中直觀的波形比較如(a4)(圖中的黑、紅、藍3曲線分別代表(a1)、(a2)、(a3)中的3曲線)所示。并得出以下結論：2個半圓形電極處的放電光強度大致一樣，且都向中間疊加；在最中間位置放電光的亮度達到最大；在3個不同階段的中間位置的放電光亮度隨著時間的增加，放電光的亮度也不斷增強，最強接近1.8104(a.u.)。在起始放電階段，放電光總體較弱；在放電中期階段，放電光隨時間變化越來越強；在放電最后階段，放電光隨時間變得更強。

通過圖3(b)可比較得到：在3個不同的時間段中，放電光亮度的分布從單個情況看，曲線呈波形狀，在整條放電光的左端開始處和右端結束處，放電光的亮度強度相差不多，基本相同，都為1.4104(a.u.)。這是因為放電光都是由2個半圓形的電極發(fā)射，呈現對稱狀，在中間位置(60 mm處)的放電光變強的原因是放電光從開始到最強處慢慢疊加，不斷重合和積累而形成。同樣比較得到在3個時間段相同但不同壓力段(正常狀態(tài)、增加壓力1 kg、增加壓力2 kg)的放電光的變化規(guī)律，如圖3(b4)(圖中的黑、紅、藍3色曲線分別代表(b1)、(b2)、(b3)中的3條曲線)。通過比較可得以下結論：兩半圓形電極處的放電光強度大致一樣；且都向中間位置(60 mm處)疊加增強；在最中間位置放電光的亮度處于當前階段的最大值；在3個不同階段的中間位置隨著壓力的增加，放電光的亮度不斷減弱，最強為2.0104(a.u.)，最弱為2.0104(a.u.)

圖3　放電光亮度的比較

2.2.2炭化分布變化規(guī)律

從圖2中截取一張?zhí)炕Ч鄬^明顯的圖，用Maltlab軟件進行圖像處理，如圖4所示。由圖4可以確定每個階段的炭化情況，已經產生的炭化量，經過一系列的測量最終得到每個時間段、每個壓力段的炭化面積大小的比較圖(如圖5所示)。

圖4　炭化分布

圖5　炭化與壓力/時間的定量關系

經過一系列的實驗，發(fā)現界面的電痕發(fā)展具有一定階段性。但在不同的壓力條件下炭化效果和放電光效果也會出現不同的效果和規(guī)律，也表現在不同的地方：

1) 炭化效果的寬度變化趨勢與放電光通道的變化趨勢相反：炭化效果的寬度越來越寬，并且顏色越來越明顯；放電光通道則是相反變窄。原因是由于隨著炭化的進行，界面的場強也開始變化，炭化過后形成的炭具有導電性能，起到導電的作用。炭化的產生間接導致了電極之間距離的變短，只對炭化出現區(qū)域的電場有加強或者減弱，但對沒有炭化效果出現的兩側電場的強度改變不大。炭出現少的區(qū)域電場強度增強，電場增強的區(qū)域放電發(fā)光強烈。

2) 界面上所產生的炭化量與放電光的強弱無關，無論放電光強度如何變化，隨著放電的進行，炭化量一直在增長。

4　結束語

采用圖形處理方法并運用Matlab等軟件的處理技術，在分析交聯聚乙烯-硅橡膠的電痕破壞過程中所產生的放電光和炭化現象的不同特性的基礎之上，分析了不同界面壓力下的對界面電痕破壞的過程和機理。通過實驗得出了在脈沖電壓下壓力對交聯聚乙烯-硅橡膠界面電痕破壞的規(guī)律：

1) 界面壓力的增大在很大程度上減弱了界面起始放電的發(fā)展。

2) 在較高的界面壓力條件下，兩半圓形電極之間產生的放電光的通道變窄，且亮度也逐漸變弱。

3) 界面壓力的增大可以使界面炭化效果變慢和變少，從而使界面的電痕破壞能力下降。

4) 電痕擊穿過程隨著壓力的升高越來越規(guī)則，炭化能力越來越弱。

5) 界面壓力的增大明顯增強了界面的絕緣性能，從而延長了界面的使用壽命，增強了電力傳輸的可靠性。

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(責任編輯楊黎麗)

Influence of Pressure on Destruction of Crosslinked Polyethylene-Silicone Rubber Interface Electric Mark Under Pulse Voltage

ZHANG Zhen-tao1, ZHANG Lei2, TAN Yu-hang3,ZHOU Ji-xun1, MA Zhan-dong1, YANG Jing1

(1.Chongqing Measuring Quality Inspection Institute, Chongqing 401121, China;2.State Grid Chongqing Wulong County Power Supply Co., Ltd., Chongqing 408500, China;3.Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China)

The author established interface tracking failure experiment platform under different pressure in various cable joint tracking failure accidents. The experimental sample was fromed and overlapped by a sheet of polyethylene and a piece of transparent silicone rubber. The XLPE power cable joint interface was simulated with the contact surface of the above two. The 2.5 circular thin copper wire electrodes was located on the interface, thus we constructed an approximate uniform electric field. High voltage pulse power supply was applied until the interface tracking be distructed. Discharge light and carbonization distribution in the whole failure process of interface from discharge were recorded by digital camera. Then, using the image processing method and application of Matlab processing method, electro-optical and carbonization on channel distribution was analyzed. The law of discharge light distribution and carbonization distribution and correlation between cross-linked polyethylene-silicon rubber interface track failures were obtained.

crosslinked polyethylene; joint; tracking; discharge light; carbonization

2016-02-15

重慶理工大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(YCX2013217)

張朕滔(1990—)，男，重慶人，碩士研究生，主要從事計量質量檢測及研究，E-mail: zhangzhentao168@sina.cn。

format：ZHANG Zhen-tao, ZHANG Lei, TAN Yu-hang,et al.Influence of Pressure on Destruction of Crosslinked Polyethylene-Silicone Rubber Interface Electric Mark Under Pulse Voltage[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):141-146.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.022

TP27

A

1674-8425(2016)10-0141-06

引用格式：張朕滔,張雷,譚宇航，等.脈沖電壓下壓力對交聯聚乙烯-硅橡膠界面電痕破壞的影響[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(10):141-146.