高温下电压稳定剂对交联聚乙...树枝化及局部放电特性的影响_陈向荣.pdf

2023 年2 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.3 第 38 卷第 3 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220472 高温下电压稳定剂对交联聚乙烯电树枝化及局部放电特性的影响 陈向荣1,2,3,4 洪泽林1,2 朱光宇1,2 孟繁博1,2 石逸雯1,2（1.浙江大学电气工程学院 杭州 310027 2.浙江大学杭州国际科创中心 杭州 311200 3.浙江省宽禁带功率半导体材料与器件重点实验室（浙江大学杭州国际科创中心）杭州 311200 4.浙江大学先进电气国际研究中心 海宁 314400）摘要 为了研究高温环境下电压稳定剂对交联聚乙烯电树枝化及局部放电特性的影响，该文制备了含质量分数为 1%的电压稳定剂的交联聚乙烯（XLPE）共混试样，通过设计的高温环境下电树枝实时观察与局部放电同步测量系统，研究不同试样在 30、50和 70下电树枝的引发、生长及其局部放电特性。结果表明，试样在高温下引发的电树枝呈现典型的枝状结构。随着温度的升高，试样起树电压降低，电树枝生长速度加快，分枝数量减少，局部放电量和放电重复率显著增大。电压稳定剂的添加对电树枝的引发、生长和局部放电有明显的抑制作用。利用陷阱理论和量子化学计算，研究发现电压稳定剂的加入使得试样内部陷阱能级降低，陷阱密度增加，因其特有的量子化学特性，高能电子缓冲能力增强，空间电荷积累减少，从而使得交联聚乙烯材料的耐电性能得到提升。关键词：交联聚乙烯 电压稳定剂 电树枝 局部放电 高温 中图分类号：TM85 0 引言 电力电缆线路由于节约土地资源、美化城市环境等优点，在我国城市化迅猛发展的背景下得到了大 力 发 展1-2。交 联 聚 乙 烯（Cross-Linked Polyethylene,XLPE）凭借其优异的电气、机械和热稳定性能已经成为最主要的电缆用绝缘材料。目前，高 压 交 流 XLPE 电 缆 的 最 高 投 运 电 压 等 级 为500kV3，高 压 直 流 XLPE 电 缆 的 电 压 等 级 为640kV4。随着输送容量的逐步增大，进一步提高XLPE 电缆绝缘材料的耐电性能，已成为实现我国高压输电工程持续快速发展的关键。提高 XLPE 耐电性能的途径主要包括三个方面：提升 XLPE 基料的纯度、添加无机纳米材料和添加电压稳定剂等。目前 XLPE 基料已经达到超纯净度，通过进一步改进生产工艺来提高纯净度，从经济角度和工业技术角度都难以实现。纳米材料则因其颗粒的均匀分散和颗粒堵塞过滤网等问题，极大地限制了纳米复合电缆材料的工程应用5-6。近年来，不同种类电压稳定剂等有机添加剂的提出和发展，为提高电缆绝缘材料的耐电性能提供了一种可行的研究路径7。通过选取合适的电压稳定剂添加到电缆绝缘材料中，可以提升绝缘材料击穿强度、电导率和空间电荷特性等方面的电气性能，抑制电树枝的引发。李春阳等将芳香酮化合物接枝到 XLPE 材料上，结合其优异的量子化学特性，有效提升了 XLPE在不同温度下的直流击穿强度8。A.M.Pourrahimi等通过在低密度聚乙烯中加入极低含量的聚-3 己基噻吩（P3HT），发现材料的电导率降低为原来的 1/3，具有迄今为止最好的低添加剂含量下的电导率降低效果9。M.Jarvid 等探讨了烷基侧链的长度对不同苯偶酰型电压稳定剂的电树枝抑制效率的影响，发现最短的侧链具有最强的电树枝抑制效果10。通过在 XLPE 中添加不同种类的芳香族化合物，发现具 国家自然科学基金项目（51977187）、宁波市“科技创新 2025”重大专项（2018B10019）和浙江大学“百人计划”（自然科学 A 类）资助。收稿日期 2022-04-01 改稿日期 2022-07-20 578 电 工 技 术 学 报 2023 年 2 月 有高电子亲和力的电压稳定剂能够较好地抑制空间电荷的注入11-12，同时抑制电树枝的引发13。然而，目前对于工况环境（高温）下电压稳定剂对 XLPE 中电树枝的引发、生长及其局部放电的作用研究还较少。XLPE 电缆绝缘中电树枝化及其局部放电是影响电缆可靠运行的重要因素14-15，在XLPE 电缆绝缘电树枝化过程中，局部放电伴随着电树枝的全部发展过程16。因此，为了研究高温下电压稳定剂对 XLPE 中电树枝的引发、生长及其局部放电特性的影响，本文采用溶液法将质量分数为1%的电压稳定剂加入 XLPE 中，制备了 XLPE/电压稳定剂共混材料，并利用热压法制备出 XLPE 和XLPE/电压稳定剂共混物两种材料的针-板电极试样，通过自主设计的高温下电树枝实时观察和局部放电同步测量系统，研究了试样在 30、50和70环境下电树枝的引发和生长特性及电树枝生长过程中的局部放电特性。通过表面电位衰减测试曲线，计算了 XLPE 和 XLPE/电压稳定剂共混物内部的陷阱分布特性，分析了电树枝引发、生长及其局部放电特性与材料内部陷阱特性的关系。结合量子化学计算，分析了电压稳定剂改善 XLPE 材料耐电性能的机理。1 实验方法 1.1 试样制备 XLPE 材料采用浙江万马高分子材料集团有限公司提供的商用 220kV XLPE 颗粒，电压稳定剂为间氨基苯甲酸，由上海阿拉丁生物化学技术有限公司（中国）提供。XLPE/电压稳定剂共混物通过溶液法制备：将 XLPE 颗粒浸没入液氮中进行冷脆处理，随后放入超离心粉碎仪 ZM 200（德国莱驰）中充分研磨，得到径粒大小小于 500m 的 XLPE 粉末；称取 1%质量分数的间氨基苯甲酸，溶于20mL 丙酮溶剂中，超声处理 5min 使其充分溶解；将 50g XLPE 粉末及上述得到的溶液加入圆底烧瓶中，继续加入丙酮溶剂直至粉末被完全浸没，将所得的固液混合物在室温条件下磁力搅拌 2h，使含有间氨基苯甲酸的丙酮溶液充分涂覆在 XLPE 粉末表面；在 60真空环境下，通过旋转蒸发仪蒸除丙酮溶剂，将剩余的固体粉末在 70 的真空烘箱中干燥 12h，得到含有质量分数为 1%的电压稳定剂的共混物粉末。实验所用的针-板电极试样如图 1 所示，由平板硫化机热压而成：将铺满 XLPE 粉末（或共混物粉末）的不锈钢针模具置于平板硫化机中，在 180环境下预热 5min，随后在 180、20MPa 下热压25min，经过 15/min 的冷却速率冷却至室温，脱模得到 30mm15mm3mm 的试样。表面电位衰减测试所用的圆形薄膜试样同样通过上述过程热压而成，制得直径为 90mm，厚度约为 150m 的试样。将以上试样放入 70真空烘箱内脱气 48h，以消除交联过程中产生的副产物。为了减少试样之间的差异对实验结果产生的影响，严格控制不锈钢针的针尖曲率为 3m，针尖到板的距离为 2mm。将 XLPE/电压稳定剂共混物试样简记为 XLPE-B。图 1 针-板电极试样 Fig.1 Needle-plate electrode sample 1.2 电树枝-局部放电测试系统 电树枝-局部放电测试系统的连接线路如图 2所示，该系统用于实时观察电树生长过程及其局部放电检测。高压电源由调压器 T1（220V）和工频变压器 T2（1:1 000，最高输出电压 100kV）组成，C1和 C2构成 1 000:1 的电容分压器，耦合电容 CC（1 000pF）用于耦合试样局部放电测试过程的脉冲电流信号，R0（10k）为保护电阻，Z 为连接 MPD600 图 2 电树枝-局部放电测试系统 Fig.2 Electrical tree-partial discharge testing system 第 38 卷第 3 期 陈向荣等 高温下电压稳定剂对交联聚乙烯电树枝化及局部放电特性的影响 579 局部放电测试系统的检测阻抗，连接线路符合 IEC 60270 标准。图 3 为电树枝实时观察与温控系统示意图，用于实时采集电树枝图像及控制温度。为了防止试样表面发生沿面闪络，测试时将试样浸没在含有硅油的容器中。高温环境由高温循环器通过在橡胶管内循环热硅油，向容器内的硅油传输热量获得。为了保持试样环境温度的稳定性，设置适宜的高温循环器温度，等待容器内的硅油被加热到实验所需温度，且温度计示数在 1h 内保持不变，然后开始实验。实验设定试样环境温度分别为 30、50和 70。图 3 电树枝实时观察与温控系统 Fig.3 Electrical tree real-time observation and temperature control system 加压前，首先对局部放电信号进行标准化校准，以消除背景噪声的影响。随后，以有效值 50V/s 的升压速度对试样加压，升至工频电压有效值为 8kV时停止加压。升压过程中伴随着试样的起树过程，结合局部放电检测系统和显微镜实时观测，判定当局部放电大于 20pC 且能看到 10m 以上电树枝时，该时刻的电压即为试样的起树电压。停止加压后维持 8kV 电压不变，进行电树枝生长实验。30环境下生长时间为 16min，每隔 4min 对电树枝的长度进行一次测量；50环境下生长时间为 6min，每隔3min 对电树枝的长度进行一次测量；70环境下生长时间为 2min，随后对电树枝的长度进行测量。定义电树枝平行于针尖方向的最大距离为电树枝长度。不同温度条件下每种试样至少测试 10 个，实验测试试样共计 80 余个。1.3 表面电位衰减测试系统 在室温环境下，采用电晕充电的方式将电荷注入到试样表面。极化电极由针电极和栅极组成，栅极的网状结构能让电荷均匀地分布在试样的表面。设置针电极电压为8kV，栅极电压为4kV，针电极与栅极、栅极与试样表面的距离均为 5mm，极化时间为 2min。极化结束后，通过滑轨将试样送至静电计探头下方，采集试样 40min 内的表面电位，连接至计算机，获得其表面电位衰减曲线。根据表面电位衰减曲线，计算获得试样内部的陷阱能级tE和陷阱密度()tN E分别为 ()BATElntEk Tvt=（1）0r2B4d()dtN EtteL k T=（2）式中，vATE为逃逸频率，vATE=(kBT)3/(dh3v2)，v 为电子振动频率，取 1012；h 为普朗克常数；d 为电子跃迁的方向数，取 6；kB为玻耳兹曼常数；T 为绝对温度；0为真空介电常数；r为相对介电常数；为试样表面电位；L 为试样厚度；e 为元电荷。2 实验结果 2.1 空间电荷 采用双参数威布尔分布曲线对试样的起树电压进行分析17，XLPE 与 XLPE-B 在 30、50和 70下的电树枝起始电压分布和起始电压概率威布尔分布图如图 4 所示。其中 为标度参数，代表起树概率为 63.2%时对应的电压；为形状参数，代表实验数据的分散性，该参数越大则分散性越小。由图 4 可知，XLPE 在 30下的起树电压为6.99kV，随着温度的上升，起树电压有所下降。50时降至 6.50kV，70时降至 6.00kV。XLPE-B在 30下的起树电压为 7.43kV，50时降至 6.84kV，70时降至 6.56kV。对比分析两种试样可知，XLPE-B在不同温度下的起树电压均高于 XLPE，30时同比提高了 6.3%，50时提高了 5.2%，70时提高了9.3%，说明加入电压稳定剂对于电树枝的引发具有一定的抑制作用。580 电 工 技 术 学 报 2023 年 2 月 图 4 30、50和 70下的 XLPE 和 XLPE-B 中电树枝起始电压概率威布尔分布图 Fig.4 Weibull distribution of electrical tree initial voltage in XLPE and XLPE-B at 30,50 and 70 XLPE 与 XLPE-B 在 30、50和 70下的电树枝生长过程如图 5 所示。由于电树呈现三维立体结构，需要不断调整显微镜的焦距，在适宜的透光环境下找到最长电树枝所在的位置，测量其