劉志凱 李衛(wèi)國 魏 斌 丘 明 趙永清 侯經(jīng)洲 高 超

(1華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206)

(2中國電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所 北京 100192)

液氮下聚丙烯層壓紙層數(shù)對絕緣交流擊穿場強的影響研究

劉志凱1李衛(wèi)國1魏 斌2丘 明2趙永清2侯經(jīng)洲2高 超2

(1華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206)

(2中國電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所 北京 100192)

對不同層數(shù)的聚丙烯層壓紙(PPLP)在液氮中的工頻擊穿特性進行研究，總結(jié)了擊穿場強隨PPLP層數(shù)的變化規(guī)律，得出多層PPLP的擊穿場強隨著層數(shù)的增加而減少并趨于飽和的結(jié)論。同時分析了單層與多層擊穿機理。單層擊穿路徑發(fā)生在高壓電極的邊緣，層間液氮的局部放電影響著多層擊穿場強是層數(shù)越多擊穿場強越小的原因。

液氮 復(fù)合絕緣 絕緣層數(shù) 擊穿場強 擊穿機理

1 引言

自從高溫超導(dǎo)材料問世以來，超導(dǎo)電力技術(shù)得到了快速的發(fā)展，尤其是高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)［1-6］，由于高溫超導(dǎo)電纜具有載流能力大、損耗低和體積小的優(yōu)點，其傳輸容量將比常規(guī)電纜高3—5倍，而電纜本體的焦耳熱損耗幾乎為零。因此，高溫超導(dǎo)電纜的研制受到美國、中國、日本、韓國、歐洲各國的重視。HTS電纜的絕緣結(jié)構(gòu)在整個HTS電纜中占有重要地位，為超導(dǎo)電纜的安全運行提供了保障。耐低溫絕緣材料［7-8］和更高電壓等級的超導(dǎo)電纜絕緣設(shè)計理論方法［9］都取得了很大的進展。在HTS電纜的絕緣設(shè)計［10］中，LN2/PPLP復(fù)合絕緣的厚度是影響絕緣設(shè)計場強的重要因素，多層PPLP對復(fù)合絕緣系統(tǒng)擊穿場強的影響程度及影響的機理分析幾乎沒有報道。本文對不同層數(shù)的PPLP在液氮下進行工頻擊穿試驗，并對多層效應(yīng)對于擊穿場強的影響機理進行了研究。

2 液氮下多層PPLP擊穿場強的Weibull分布模型

由于試品的擊穿場強具有分散性，一般在相同條件下測試多個樣本的擊穿場強，再用概率模型統(tǒng)計分析。目前，國際標(biāo)準(zhǔn)對于液體絕緣的擊穿場強采用Gumbel分布，對于固體絕緣的擊穿場強采用兩參數(shù)Weibull分布［11］或?qū)?shù)正態(tài)分布，本文用后者評估液氮下多層PPLP的擊穿場強 。兩參數(shù) Weibull的累積概率分布表達式為

式中:x為擊穿場強的隨機變量;F(x)為失效數(shù)據(jù)的累積概率值;β為形狀參數(shù)，表征失效數(shù)據(jù)的分散性，β越大說明試品的試驗數(shù)據(jù)分散性越小［12］;α為Weibull分布的尺度參數(shù)，代表累積概率值為63.2%的x值，通常取α為試品的平均擊穿場強或壽命。將式(1)等號兩邊同時作對數(shù)變換:

令Y=ln(-ln(1-F(x)))，X=lnx，則X與Y呈線性關(guān)系，采用最小二乘法計算直線的斜率和截?fù)?jù)［13］。

3 試驗和數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗裝置與實驗方法

試驗電極如圖1所示。高壓電極為直徑15 mm高25 mm的圓柱體，低壓電極為直徑75 mm高15 mm的圓柱體。PPLP的厚度為119 μm，為了防止沿閃，PPLP的尺寸為200 mm×200 mm。試驗前對PPLP在105℃下進行干燥2小時。制作三層、六層、九層PPLP試樣。

圖2給出了實驗裝置接線圖。實驗電源為50 kV/5 kVA的交直流兩用實驗變壓器。一臺分壓比為1 000∶1的交直流兩用分壓器和高精度萬用表用于測量擊穿電壓。一個長、寬、高分別為400、300和400 mm的立方體型泡沫容器用于盛放液氮。實驗時電極系統(tǒng)放置于盛有液氮的泡沫容器中。實驗時先把接好電極的試品放置于盛滿液氮的泡沫容器內(nèi)，待沸騰平緩且液氮上方呈現(xiàn)一層薄霧時，蓋緊蓋子，開始進行實驗。分別對單層、三層、六層、九層PPLP進行擊穿試驗。采用1 kV/s的勻速升壓方式，直至試品發(fā)生擊穿方成攻完成一次試驗，每種層數(shù)重復(fù)做9次試驗。

圖1 試驗電極與試品Fig.1 Test electrode and test product

圖2 實驗裝置接線圖Fig.2 Experiment equipment wiring diagram

2.2 數(shù)據(jù)分析

測量的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 擊穿場強數(shù)據(jù)Table 1 Breakdown data

用Matlab對單層、三層、六層、九層PPLP的9次試驗數(shù)據(jù)進行威布爾分布處理得到威布爾分布概率圖如圖3所示。圖中的點代表所處一定層數(shù)下對應(yīng)擊穿場強的擊穿概率。直線是由9個概率點進行擬合所得。由擬合后的直線可求得在1%擊穿概率的擊穿場強和99%擊穿概率的擊穿場強之間任意場強值發(fā)生工頻擊穿的概率。

圖3 威布爾分布概率圖Fig.3 Weibull distribution probability graph

計算出的威布爾分布參數(shù)如表2所示。從表中可知隨層數(shù)的增加α減小，β增大。說明擊穿場強和數(shù)據(jù)的分散性隨著層數(shù)的增加而減小。

表2 不同層數(shù)的Weibul分布參數(shù)Table 2 Parameters of Weibull distribution of different layer number

采用Matlab所擬合的直線計算出不同層數(shù)的PPLP服從威布爾分布的10%擊穿概率的擊穿場強。10%擊穿概率的擊穿場強和層數(shù)的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)形式表示。擊穿場強與層數(shù)關(guān)系的擬合公式與擬合曲線圖分別如式(3)、圖4所示。

從圖中可知擊穿場強從三層到六層大幅度減小，從六層到九層擊穿場強減少的趨勢變緩，并趨于飽和。

圖4 層數(shù)與擊穿場強的關(guān)系圖Fig.4 Relation diagram of layer number and breakdown stress

3 單層和多層PPLP的擊穿路徑及機理分析

3.1 單層擊穿

從圖5電場矢量分布圖和電勢分布圖可知電極之間的電場分布較為均勻，而在高壓電極邊緣位置電場分布極不均勻，形成垂直方向的電場和斜切向PPLP的電場。從單層PPLP擊穿軌跡來看，試品主要在高壓電極邊緣附近處擊穿如圖6所示。這主要是由于電極邊緣處的電場線要經(jīng)過液氮和PPLP兩種不同的介質(zhì)，在電極邊緣液氮中的電場強度與試樣中相鄰點的電場強度之比為:

由于液氮所承受的電場強度要大于PPLP的場強且液氮的擊穿場強比PPLP的低，于是電極邊緣的液氮優(yōu)先放電，這種放電會腐蝕試樣，會使試樣在較低的電壓下發(fā)生擊穿。

3.2 多層擊穿

圖7為層間發(fā)生沿面放電的軌跡圖。在高電壓作用下多層擊穿通道的發(fā)展過程如圖8所示。在多層薄膜結(jié)構(gòu)下，施加高于層間液氮起始放電的電壓，放電不但在高壓電極的邊緣處發(fā)生也在在兩薄膜之間的液氮中發(fā)生，電荷注入層間液氮及其相鄰的兩個PPLP表面，使層間液氮氣化氣隙擴大同時放電產(chǎn)生的能量使浸漬在PPLP纖維間隙中的液氮氣化膨脹，造成纖維中的孔隙變大。隨著電壓升高放電增強，PPLP的部分纖維斷裂，液氦氮滲入到裂縫然后放電氣化，這個過程的重復(fù)可以促進PPLP腐蝕，使放電通道不斷發(fā)展，隨著通道的延伸PPLP最終被擊穿。因此層間液氮發(fā)生嚴(yán)重放電，腐蝕試品，造成試品的電絕緣性能下降是多層試品擊穿場強較低的主要原因。同時，局放促使液氮氣化使整個絕緣系統(tǒng)的壓強增大，壓強增大，起始局放電壓也隨之變大。使層間氣隙越來越難于局放，從而層間氣隙局放對PPLP絕緣性能劣化的影響也就下降，這是六層到九層擊穿場強減少的幅度較少，并趨于飽和的原因。

圖5 電場矢量分布圖和電勢分布圖Fig.5 Electric field vector plot and electric potential distribution plot

圖6 單層PPLP擊穿軌跡圖Fig.6 Single-layer PPLP breakdown path plot

圖7 相鄰兩表面的沿面放電圖Fig.7 Creeping discharge diagram of adjacent two surfaces

圖8 AC高壓下多層擊穿路徑發(fā)展過程Fig.8 Multi-layer breakdown path develop-ment process under AC high voltage

4 結(jié)論

(1)隨著層數(shù)的增加擊穿場強減少，一層到六層擊穿場強減少的幅度較大，六層到九層減少的幅度較少，并趨于飽和。

(2)單層PPLP的擊穿軌跡一般在高壓電極的邊緣處，主要是由于電極邊緣處的電場線穿過液氮和PPLP兩種介質(zhì)，邊緣處的液氮優(yōu)先局放腐蝕PPLP降低PPLP的絕緣性能使PPLP在較低的電壓下就能擊穿。

(3)多層PPLP的擊穿試驗，層間液氮放電腐蝕PPLP使整個絕緣系統(tǒng)的耐壓性能下降。同時局放使液氮氣化使整個絕緣系統(tǒng)的壓強增大，促使隨著層數(shù)的增加，擊穿場強緩慢減少并趨于飽和。

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Study on layers effect of polypropylene laminated paper for AC breakdown strength of insulation

Liu Zhikai1Li Weiguo1Wei Bin2Qiu Ming2Zhao Yongqing2Hou Jingzhou2Gao Chao2

(1School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)(2Electrical Engineering and New Material Department，China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

The multilayer polypropylene laminated paper(PPLP)breakdown characteristic in liquid nitrogen was studied，changing of the breakdown field strength with the layer number of PPLP was summarized.It is concluded that breakdown field strength of multilayer PPLP is reduced with the increase of the layer number and tends to saturation.The breakdown mechanism of singer layer and multilayer was analyzed.Single-layer breakdown path occurs at the edge of the high voltage electrode，partial discharge liquid nitrogen between layers affects the multilayer breakdown stress.It is the cause that the breakdown stress get smaller when layer number is increased.

liquid nitrogen;composite insulation;the number of insulation layer;breakdown field;breakdown mechanism

TB66

A

1000-6516(2013)05-0052-05

2013-07-30;

2013-10-05

劉志凱，男，29歲，博士研究生。