不同工況下帶電作業(yè)絕緣毯局部放電及擊穿特性

張瑋亞，陳 中，宮衍平，王舒凡

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，南京 210019）

隨著用戶供電可靠性要求的提高及檢修技術(shù)的發(fā)展，目前針對10 kV 架空線類設(shè)備的檢修主要以帶電作業(yè)方式為主，即在帶電情況下開展架空線路及相關(guān)設(shè)備的維護[1]。由于10 kV 架空線路線間距較小且許多地區(qū)存在多回線路，作業(yè)人員極易同時接觸非等電位點而產(chǎn)生危險，因此檢修過程中作業(yè)人員必須穿著絕緣服和佩戴絕緣手套，同時還需對裸露的高壓線路進行絕緣遮蔽[2]。

目前，帶電作業(yè)中最主要的絕緣遮蔽材料為絕緣毯，其按材質(zhì)分為橡膠絕緣毯與樹脂絕緣毯[3]，其中橡膠絕緣毯質(zhì)地軟但體積較大，攜帶不方便；樹脂絕緣毯為多層結(jié)構(gòu)，外層為乙烯-醋酸乙烯EVA（ethylene vinyl acetate）共聚物，多呈黃色，內(nèi)部為多層聚乙烯透明薄膜，由于其便攜性和良好的絕緣性，逐漸成為帶電作業(yè)絕緣遮蔽的首選材料[4]。帶電作業(yè)工況下，絕緣毯除受到高電壓作用之外，還會由于外界環(huán)境的改變而承受來自線路或日照引發(fā)的高溫及高濕、雨水冰雪等多因素作用。

針對溫度、濕度、水分等因素的研究一直以來是絕緣材料領(lǐng)域的研究熱點。溫度作用下的絕緣性能研究廣泛存在于液體及固體絕緣領(lǐng)域[5-6]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選取接近絕緣油燃點的熱老化溫度時，交流擊穿電壓將出現(xiàn)明顯波動，而電纜類所使用的交聯(lián)聚乙烯塑料活化能、擊穿強度、體積電阻率、彈性模量和斷裂伸長率也隨著熱老化時長的增加而明顯降低[7]。當(dāng)絕緣材料與空氣直接接觸時，空氣濕度的改變在影響空氣介電常數(shù)的同時，也會使絕緣表層由于吸水而產(chǎn)生介電性能的改變，從而對絕緣的局部放電及擊穿性能產(chǎn)生影響[8]。該類研究在電機絕緣、架空線外絕緣特性領(lǐng)域一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點問題[9-10]。對于大分子纖維類及液體絕緣，水分的存在會極大影響其絕緣性能[11]，已有大量研究表明油紙絕緣中水分的存在及遷移會使其絕緣性能下降并加速絕緣的劣化[12]。對于絕緣毯材料，其在極端天氣下的表層最高溫度可達(dá)80 ℃[13]，且不同天氣條件下表層溫度變化較大。此外，突發(fā)降水天氣下的表層水分和濕度的變化也將引發(fā)絕緣性能的改變。而絕緣性能降低則可能引發(fā)導(dǎo)體-絕緣接觸面的局部放電，以及可能發(fā)生在高、低壓電位點之間的擊穿。因此掌握絕緣毯材料，尤其是表層絕緣材料的性能變化規(guī)律是保證帶電作業(yè)安全的關(guān)鍵。而目前關(guān)于EVA 絕緣毯材料在不同工況下的絕緣性能研究依然不足。

為此，本文通過對真實工況參數(shù)的模擬，在不同溫度下測定了絕緣毯表層絕緣的局部放電特性、擊穿電壓、電導(dǎo)率、介電常數(shù)及介損值等參數(shù)，并在最高作業(yè)溫度下對其開展熱老化，分析不同老化階段及浸水時長下的絕緣特性，為帶電作業(yè)絕緣毯的應(yīng)用提供了理論及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實驗參數(shù)選取

本文選用EVA樹脂絕緣毯（上海西斯韋爾，型號NOC-DT10KV）作為試樣，依據(jù)其作業(yè)環(huán)境及相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定實驗參數(shù)，各實驗參數(shù)的制定依據(jù)如下。

在帶電作業(yè)過程中，由于絕緣毯緊密包裹架空線表層，在夏季極端天氣下，其表層最高溫度可達(dá)80°C，該溫度已接近其耐受溫度（103°C）[13]。不同溫度及老化時長下的試樣如圖1 所示。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)老化溫度設(shè)定為90°C時，材料將出現(xiàn)圖1（c）所示的不可逆形變，表現(xiàn)為材料的卷曲與延長，使其失去原有的柔韌性，無法實現(xiàn)對于導(dǎo)體的平整包覆。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是由于EVA 材質(zhì)的維卡軟化點溫度為80～90°C之間[14]，超過該溫度后材料將發(fā)生軟化從而極易變形，由此導(dǎo)致其在外力因素下局部變薄或褶皺，使其厚度分布不均。因此，本文選用80°C作為絕緣老化溫度。

圖1 不同溫度下的試樣Fig.1 Samples at different temperatures

帶電作業(yè)過程中易遇到突發(fā)降雨狀況，使絕緣毯遭遇雨水浸泡，早期進口絕緣毯防水性較差，后期隨著樹脂絕緣毯的出現(xiàn)，其較好的防水性能使得這一問題初步解決。在國家標(biāo)準(zhǔn)[15]中同樣規(guī)定了絕緣毯性能需經(jīng)過16 h浸水測試，因此本文測試了浸水條件下的絕緣毯電氣性能。

2 實驗平臺搭建

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[15]規(guī)定，交流擊穿電壓是絕緣毯電氣性能表征的主參數(shù)，而在其使用過程中可能發(fā)生的局部放電現(xiàn)象也是影響其絕緣性能的重要因素。因此本文選取作業(yè)過程中承受外界高溫、高濕等環(huán)境的絕緣毯最外層為研究對象，分析了其局部放電起始電壓PDIV（partial discharge inception voltage）及擊穿電壓在不同溫度及浸水條件下的演變規(guī)律，相應(yīng)研究內(nèi)容如下。

2.1 試樣制備

選用10 kV 絕緣毯作為被測試樣，測試時裁取其最外層，分割為200 mm×200 mm 尺寸，經(jīng)測試樣品厚度為300±5 μm，未老化樣品外觀如圖1（a）所示。開始測試前將試樣使用酒精清潔表面并置于室溫下晾干。

2.2 熱老化平臺

選用恒溫?zé)崂匣洌ㄌK珀，型號202-0）作為熱老化平臺，設(shè)置溫度為80°C，控溫誤差為±2°C。為防止熱老化過程中不同試樣間發(fā)生粘連，需使用夾具將多個試樣同時懸掛于老化箱內(nèi)。單個老化周期設(shè)置為10 h，設(shè)置10 個老化循環(huán)。熱老化過程中，每間隔10 h 取出1 片試樣，依據(jù)不同測試需求分割為適當(dāng)尺寸開展各項測量。

2.3 局部放電測試平臺

為驗證絕緣毯局部放電特性，搭建如圖2 所示的測試平臺。選用典型柱-板電極結(jié)構(gòu)作為測試電極，柱電極直徑為10 mm，倒角半徑為1 mm。由于測試過程中絕緣毯會因受熱等原因存在輕微彎折，因此使用亞克力板制作固定圓環(huán)用以固定絕緣毯，固定圓環(huán)內(nèi)徑設(shè)置為30 mm。地電極為銅質(zhì)結(jié)構(gòu)，測試過程中接地，局部放電測試用高頻電流互感器HFCT（high frequency current transformer）卡接于接地線，經(jīng)同軸信號線連接至后端的局部放電檢測儀。測試過程中將局部放電信號觸發(fā)閾值設(shè)定為5 mV，以濾除測試環(huán)境中的背景噪聲。

圖2 局部放電測試系統(tǒng)Fig.2 Partial discharge test system

測試過程中需將電極及絕緣毯一起放置入恒溫恒濕箱（勤卓，型號0030B）中，以實現(xiàn)對不同溫度的控制，本文對實驗溫度及濕度設(shè)置如表1 所示。施加電壓為50 Hz，使用梯度升壓法，梯度為50 V，每次升壓后保持30 s 并同步觀測是否有局部放電信號出現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)局部放電信號時記錄對應(yīng)的電壓值為PDIV。為減小實驗誤差，每個溫度參數(shù)下測試不少于10個樣品并取其平均值。

表1 溫度設(shè)定值Tab.1 Setting value of temperature

2.4 電導(dǎo)測試平臺

為驗證不同老化參數(shù)下的絕緣毯電導(dǎo)特性，本文采用三電極結(jié)構(gòu)測量了其電導(dǎo)參數(shù)，其電極結(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3 中，低壓測量電極為圓柱形銅質(zhì)結(jié)構(gòu)，半徑為12.5 mm，高度為20 mm；高壓電極為銅質(zhì)圓板結(jié)構(gòu)，半徑為20 mm，厚度為2 mm；為防止表面泄漏電流的測量干擾，選用內(nèi)半徑為15 mm、高度為10 mm的銅質(zhì)圓環(huán)作為屏蔽電極；直流電源電壓范圍為0～10 kV，直流電流表型號為Keysight，B2980A。

圖3 電導(dǎo)率測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic of structure of conductivity test system

測試過程中施加直流電壓為5 kV，測試時間為60 min，電流采樣間隔為1 s。測量結(jié)束后，取第60 min 時電流平均值為電導(dǎo)率測量電流有效數(shù)據(jù)。被測試樣電導(dǎo)率可表示為

式中：ρ為電導(dǎo)率；r為高壓電極半徑；U為施加測量電壓；I為測量電流；l為試樣厚度。電導(dǎo)率測試溫度為20°C，濕度為20%RH。

2.5 擊穿電壓測試平臺

交流擊穿測試平臺如圖4 所示，所用電極為柱電極結(jié)構(gòu)。測試過程中使用勻速升壓法，升壓速度為200 V/s。為防止測試過程中產(chǎn)生電暈，需將電極結(jié)構(gòu)與被測試樣置于變壓器油內(nèi)，實驗中將容器放于恒溫箱內(nèi)實現(xiàn)對溫度的控制。每個實驗條件下重復(fù)測試10次，并獲得其Weibull概率分布。

圖4 擊穿電壓測試平臺Fig.4 Breakdown voltage test platform

2.6 介電譜測試

使用寬頻介電譜測試儀（Novacontrol）測量了300 μm厚度試樣在0.1～106Hz的介電響應(yīng)，測量時將試樣裁切為直徑20 mm的圓形，測量前對樣品表面進行同尺寸電極真空電鍍。

3 實驗結(jié)果

3.1 不同老化時長下絕緣毯PDIV 及擊穿電壓

為表征EVA 絕緣毯在高溫作業(yè)過程中的性能演變，實驗測定了絕緣毯在溫度為80°C 不同老化時長下的PDIV及交流擊穿電壓參數(shù)。

PDIV 測試電極結(jié)構(gòu)可形成不均勻電場，在較低的電壓下產(chǎn)生局部放電，實現(xiàn)對于不同工況下絕緣毯材料局部放電性能的測試，進而分析不同工況對PDIV 的影響規(guī)律。實際使用工況下，由于導(dǎo)線外層的結(jié)構(gòu)較為均勻，其PDIV 將遠(yuǎn)高于本實驗測量數(shù)值。圖5為不同老化時長下的PDIV變化趨勢，可見，隨著老化時長的增加，PDIV呈現(xiàn)單調(diào)遞減的特征，其在第1 個老化周期內(nèi)即出現(xiàn)最大衰減率（0.08 kV/10 h），之后自第2 個老化周期開始PDIV衰減速率降低并逐漸趨于平穩(wěn)。這表明在較高溫度下使用EVA絕緣毯后，其承受高溫的表層部分對于局部放電的耐受能力發(fā)生下降，而局部放電的出現(xiàn)會對材料產(chǎn)生持續(xù)的劣化作用。因此在帶電作業(yè)過程中使用絕緣毯遮蔽高壓端及接地線等金屬物時，在避免尖銳端部刺穿絕緣毯的同時還需關(guān)注由熱老化引發(fā)的絕緣性能下降問題。

圖5 不同老化時長下的PDIVFig.5 PDIV at different aging time

在不同老化周期結(jié)束后，選取部分試樣開展交流擊穿電壓測試，對應(yīng)的交流擊穿電壓如圖6 所示。由圖6可知，未老化的材料擊穿電壓具有較大分散性，其Weibull 分布特征電壓（擊穿概率為63.2%時對應(yīng)的電壓值）約為16.6 kV；而隨著熱老化的作用，其擊穿電壓在第1個老化周期內(nèi)即產(chǎn)生明顯下降，擊穿電壓降至15.5 kV，在之后的多個老化周期內(nèi)，其擊穿電壓產(chǎn)生約1 kV 降幅，該結(jié)果趨勢與PDIV 測試結(jié)果類似。結(jié)果同樣表明，在溫度為80°C下，絕緣毯的耐壓水平會在短時間內(nèi)突變，但在后續(xù)老化過程中，其性能劣化速率明顯減緩，在此表現(xiàn)為擊穿電壓衰減率的降低。

圖6 不同老化時長下的擊穿電壓Fig.6 Breakdown voltage at different aging time

3.2 不同溫度作用下的絕緣毯PDIV 及擊穿電壓

隨著外界環(huán)境溫度的變化，帶電作業(yè)過程中絕緣毯的工作溫度變化較大，因此本文測試了絕緣毯在不同溫度下的PDIV及擊穿電壓，測試結(jié)果如圖7和圖8 所示。由圖7 可知，當(dāng)絕緣毯溫度較低時（＜40°C），其PDIV基本保持恒定，僅產(chǎn)生小于0.02 kV的電壓波動；當(dāng)溫度逐漸升高至50°C 時，PDIV 開始呈現(xiàn)隨溫度升高的下降趨勢并持續(xù)至80 ℃。相似的趨勢可見于圖8 所示的交流擊穿電壓變化規(guī)律，圖8中最右側(cè)為溫度分別為20°C、40°C下的擊穿電壓值，其分散性較大，但具有較高的擊穿電壓值。由圖8分析可知，導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆档臏囟乳撝导s為50 ℃。在擊穿電壓測試過程中，首先發(fā)生局部放電，且實驗中測得其PDIV 趨勢與空氣下測量結(jié)果相似，這表明溫度升高使其較早發(fā)生局部放電，且在同樣電壓下的局部放電強度隨溫度升高有所增加，因而降低后的PDIV 將導(dǎo)致較長時間和較高烈度的局部放電作用，最終出現(xiàn)了與PDIV具有相同趨勢的擊穿電壓值。從材料角度分析，導(dǎo)致這一變化的原因可能是材料相對介電常數(shù)或tgδ的改變，后續(xù)將結(jié)合介電測試結(jié)果對這一現(xiàn)象進行分析。

圖7 不同溫度下的PDIVFig.7 PDIV at different temperatures

圖8 不同溫度下的擊穿電壓Fig.8 Breakdown voltage at different temperatures

3.3 不同浸水時長下的絕緣毯擊穿電壓

在國家標(biāo)準(zhǔn)[15]中，明確規(guī)定了需對絕緣毯進行時長為16 h的浸水實驗，該標(biāo)準(zhǔn)延續(xù)了早期的橡膠材質(zhì)絕緣毯要求，而隨著新型EVA材質(zhì)絕緣毯的使用，其防水性并無相關(guān)文獻(xiàn)證實。因此本文采用了時長為20 h的浸水實驗，設(shè)定浸水間隔為5 h，在每個浸水周期后將樣品取出擦拭至表干并置于室溫下晾干2 h，之后使用如圖4所示的電極結(jié)構(gòu)測定其表干之后的擊穿電壓。

擊穿電壓測試結(jié)果如圖9 所示。以Weibull 分布特征電壓為評判依據(jù)時，不同浸水時長下的絕緣毯具有非常接近的擊穿特性，其區(qū)別僅在于數(shù)據(jù)分散性差異。而這一結(jié)果也表明了以EVA 為最外層材質(zhì)的絕緣毯具有較高的耐水性，不同浸水時長處理后表面晾干的絕緣毯擊穿場強并不會明顯下降，因此該型絕緣毯可在雨后晾干使用，這一特性較之早期使用的絕緣遮蔽材料具有明顯優(yōu)勢。

圖9 不同浸水時長下的擊穿電壓Fig.9 Breakdown voltage at different immersion time

4 結(jié)果分析

為分析上述實驗結(jié)果的起因，測試不同條件下絕緣毯材料的直流電導(dǎo)、介電響應(yīng)，并使用傅里葉變換紅外吸收光譜儀FTIR（Fourier transform infrared spectroscopy）分析老化前后絕緣毯材料特性。

4.1 熱老化作用分析

不同老化時長下的絕緣毯電導(dǎo)如圖10 所示。未老化的絕緣毯電導(dǎo)率為2.8×10-15S/m，經(jīng)熱老化后的第1個周期其電導(dǎo)率增長為4.7×10-15S/m，增長幅度為70.3%。但在之后的多個老化周期中，其電導(dǎo)率參數(shù)幾乎不變，穩(wěn)定在5×10-15S/m 數(shù)值附近。這表明該溫度下老化時長的增加并不會使絕緣毯的電導(dǎo)率持續(xù)升高，第1個老化周期內(nèi)產(chǎn)生的材料自身特性變化已經(jīng)使其電導(dǎo)率增長趨勢接近飽和。上述結(jié)果表明，電導(dǎo)損耗會在老化后有所增加，但在交流作用下材料的極化損耗是導(dǎo)致材料發(fā)熱的另一個主要原因。因此，為分析其交流極化損耗特性，本文測定了老化前后試樣在0.1～106Hz 頻段的介質(zhì)損耗角正切值（tgδ），結(jié)果如圖11所示。

圖10 不同老化時長電導(dǎo)率Fig.10 Conductivity at different aging time

由于在第1 個老化周期之后，tgδ并未繼續(xù)發(fā)生明顯改變，因此圖11 中僅繪制了未老化與老化10 h 后的樣品tgδ數(shù)值。測試結(jié)果也表明，在老化10 h 后，絕緣毯在頻率為50 Hz 下的tgδ值明顯增加，老化后材料內(nèi)的有損極化加劇[16]，伴隨著這一過程產(chǎn)生的熱量也將增加。同時，本文測量了老化前后的絕緣毯介電常數(shù)值，測量結(jié)果表明當(dāng)頻率大于1 Hz時，老化前后的介電常數(shù)均未發(fā)生明顯變化。

圖11 老化前后的tg δFig.11 tg δ before and after aging

因此，經(jīng)熱老化后絕緣毯在頻率為50 Hz的tgδ明顯升高，可推斷施加電壓后電極附近由于介損變大產(chǎn)生的溫度升高是導(dǎo)致老化后PDIV及擊穿電壓下降的重要因素。材料自身溫度的升高會使得其逐漸軟化進而在電極重力作用下厚度發(fā)生輕微改變，使柱電極周邊電場強度升高，直至引發(fā)局部放電。因此老化試樣的tgδ越大，其PDIV越小，PDIV僅在第1個老化周期后產(chǎn)生大幅度的降低，這是由于老化后并未持續(xù)增長的tgδ所導(dǎo)致的。

局部放電發(fā)生后，在電極周邊產(chǎn)生局部放電熱效應(yīng)，對就近的絕緣毯造成局部溫升，且溫升作用隨著局部放電的加劇而加強[17-18]。因此，局部放電發(fā)生后材料溫度的升高來源于介損及局部放電熱效應(yīng)的共同作用。當(dāng)溫度超過其軟化溫度且接近其耐受溫度（103°C）時，材料變得更為柔軟，彈性模量降低，在相同的電極重力作用下，其厚度減小，同時分子鏈熱運動加劇并會伴隨著由高溫產(chǎn)生的材料分解。上述因素會使其擊穿電壓產(chǎn)生明顯下降。

為分析溫度為80°C 下材料是否發(fā)生分解，本文對老化前后樣品進行了FTIR 分析，其結(jié)果如圖12 所示。在絕緣毯的最高運行溫度（80°C）下，材料內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯改變，僅表現(xiàn)為老化后樣品中波數(shù)約為3 300 cm-1時不飽和鍵上C-H伸縮運動消失（如圖12中橢圓所示），這一現(xiàn)象應(yīng)為較高溫度下絕緣毯材料內(nèi)不飽和鍵的氧化反應(yīng)所致。

上述分析表明了當(dāng)前以EVA 材質(zhì)為最外層的絕緣毯應(yīng)避免在溫度為80°C 及以上高溫下使用，當(dāng)遇極端高溫天氣時，應(yīng)在其與導(dǎo)線接觸面進行高溫隔離，且最外層應(yīng)避免陽光直射以減緩其熱老化的發(fā)生。

4.2 溫度作用分析

不同溫度下絕緣毯表現(xiàn)出了具有明顯差異的PDIV 及擊穿電壓值，而導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因同樣與不同溫度下介電響應(yīng)特性相關(guān)。圖13和圖14分別為不同溫度下絕緣毯相對介電常數(shù)及tgδ變化趨勢，可見，絕緣毯介電常數(shù)表現(xiàn)出一定的溫度依賴性。在溫度為20～40°C 區(qū)間內(nèi)，頻率為50 Hz 下介電常數(shù)并未發(fā)生明顯變化，tgδ也保持在較低數(shù)值（＜0.002）；而當(dāng)溫度升高時，頻率為50 Hz下相對介電常數(shù)僅有小幅度變化，同時在頻率為50 Hz下，tgδ隨溫度升高而增大了約1 個數(shù)量級。這同樣表明，當(dāng)溫度超過40°C 時，PDIV 及擊穿電壓的變化主要是由于介損變大所導(dǎo)致，因而產(chǎn)生了如圖7和圖8所示的溫度效應(yīng)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，絕緣毯材料在電場作用下產(chǎn)生的熱量及較高的外界溫度共同促進了材料的局部放電與擊穿的發(fā)生過程。因此，在夏季或強日照下作業(yè)時應(yīng)適當(dāng)提升絕緣毯厚度以保證其足夠的絕緣強度。

圖13 不同溫度下的相對介電常數(shù)Fig.13 Relative permittivity at different temperatures

圖14 不同溫度下的tg δFig.14 tg δ at different temperatures

5 結(jié)論

本文對10 kV帶電作業(yè)遮蔽絕緣毯材料開展了多種工況下的絕緣性能測試，測量了老化時長、溫度及浸水對絕緣毯電氣性能的影響規(guī)律，并應(yīng)用電導(dǎo)測量、介電特性測量及FTIR等進行了分析，得出以下結(jié)論。

（1）在溫度為80°C的情況下，老化會使絕緣毯的PDIV 及擊穿電壓在第1 個老化周期內(nèi)即發(fā)生下降，但在之后的老化過程并未繼續(xù)降低。

（2）絕緣毯的PDIV 及擊穿電壓在溫度超過40°C后會隨溫度的升高而下降。

（3）EVA 樹脂絕緣毯具有優(yōu)異的耐水性能，其在浸水后經(jīng)表干處理依然具有較高的絕緣強度。