乙丙橡膠絕緣介電性能及其氣隙和沿面放電機(jī)理的研究.pdf

1、本文是國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“礦用高壓電纜絕緣故障機(jī)理及其壽命評(píng)估方法研究”（項(xiàng)目編號(hào):51377113）的主體內(nèi)容。人工合成乙丙橡膠以其優(yōu)異的介電性能和耐候特性被廣泛用作中高壓電纜的絕緣材料，如使用在歐美等國(guó)家的城市地下電纜和海底電纜絕緣，以及我國(guó)的煤礦井下供電電纜和船用電纜絕緣。然而，一方面，長(zhǎng)期運(yùn)行下，受溫度影響乙丙橡膠絕緣材料將發(fā)生物理和化學(xué)變化，形成明顯的老化，并造成其介電性能變化;另一方面，在生產(chǎn)和安裝過(guò)程中，乙丙橡膠電纜

2、絕緣中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，在電場(chǎng)作用下引發(fā)氣隙放電和沿面放電，進(jìn)而造成絕緣材料發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的劣化，使電纜絕緣性能永久性失效。因此，關(guān)于外因引起的乙丙橡膠絕緣介電性能變化，以及內(nèi)部缺陷造成的乙丙橡膠絕緣劣化機(jī)理的研究逐漸受到人們的重視，也對(duì)診斷乙丙橡膠電纜故障和評(píng)估電纜壽命具有很強(qiáng)的針對(duì)性和重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　針對(duì)乙丙橡膠作為電纜絕緣存在的以上問(wèn)題，本文以礦用乙丙橡膠電纜用絕緣作為研究對(duì)象，理論、仿真和試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)乙丙橡膠

3、絕緣材料的介電性能、乙丙橡膠絕緣中的氣隙放電現(xiàn)象及乙丙橡膠的沿面放電和表面擊穿現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究，具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　介電性能是絕緣材料最基本的特性，研究介電性能有利于從微觀機(jī)制上揭示絕緣材料的宏觀介電性能。本文首先制作了乙丙橡膠試樣，采用寬頻介電譜分析儀測(cè)量了乙丙橡膠的介電頻譜和介電溫譜，研究了復(fù)介電常數(shù)、復(fù)電導(dǎo)率、介質(zhì)損耗因數(shù)和復(fù)介電模量隨頻率和溫度的變化特性，提取并分析了溫度、德拜弛豫時(shí)間、兩個(gè)頻譜輪廓參數(shù)和光頻及靜態(tài)介

4、電模量等特征量，計(jì)算了乙丙橡膠的活化能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)乙丙橡膠的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和電導(dǎo)率均與溫度和頻率相關(guān)。乙丙橡膠介電模量頻譜中可以觀察到明顯的介電弛豫現(xiàn)象，該極化滿足DEBYE方程。然后，試驗(yàn)測(cè)試了室溫到200℃乙丙橡膠的短時(shí)介電強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)乙丙橡膠的介電強(qiáng)度與溫度相關(guān)，下降速率約為33(V/mm)/℃。對(duì)比分析了不同加速熱老化試驗(yàn)后乙丙橡膠的介電強(qiáng)度和介電頻譜，發(fā)現(xiàn)140℃以下的熱老化不會(huì)對(duì)乙丙橡膠的介電性能產(chǎn)生明顯影響。乙丙橡

5、膠介電性能的研究結(jié)果對(duì)理解各種條件下乙丙橡膠的性質(zhì)，合理利用和改進(jìn)其電氣性能具有重要意義。
　　氣隙是引起絕緣中局部放電，造成絕緣老化的主要原因之一，研究氣隙放電的形成、發(fā)展和變化過(guò)程，對(duì)于理解乙丙橡膠絕緣電老化具有重要意義。因此，本文從理論上分析了絕緣中氣隙的類(lèi)型及尺寸與電場(chǎng)強(qiáng)度和氣隙放電起始放電電壓的關(guān)系，對(duì)局部放電前后氣隙及乙丙橡膠絕緣中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布及空間電荷分布進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)絕緣材料中氣隙內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與氣隙的形狀

6、和尺寸以及絕緣材料的介電常數(shù)相關(guān)，氣隙內(nèi)局部放電與氣隙中的電場(chǎng)及空間電荷分布密切相關(guān)。此外，制作了含不同尺寸氣隙缺陷的乙丙橡膠試樣，試驗(yàn)測(cè)試并分析了不同溫度下氣隙中發(fā)生的局部放電特性，計(jì)算了氣隙放電的起始放電量，分析了氣隙放電機(jī)理，探討了溫度對(duì)氣隙放電特性的影響，結(jié)合仿真計(jì)算了放電發(fā)生前后氣隙內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線，證實(shí)計(jì)算和仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，并發(fā)現(xiàn)氣隙引起的局部放電分布、放電量、放電統(tǒng)計(jì)特征與氣隙尺寸、位置、環(huán)境溫度以及外施電場(chǎng)

7、強(qiáng)度密切相關(guān)。氣隙放電研究結(jié)果為診斷乙丙橡膠中缺陷類(lèi)型，評(píng)估電纜壽命提供了理論和實(shí)驗(yàn)支持。
　　沿面放電是造成絕緣老化的另外一個(gè)主要原因，其會(huì)產(chǎn)生較大的脈沖過(guò)電壓，并伴有高溫，造成絕緣和電氣設(shè)備損壞。本文仿真分析了板板電極、針板電極和棒環(huán)電極結(jié)構(gòu)引起的乙丙橡膠表面電場(chǎng)和空間電荷分布變化特性，分別試驗(yàn)測(cè)試了三種電極結(jié)構(gòu)下乙丙橡膠的表面擊穿電壓和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，研究了三種電極結(jié)構(gòu)下發(fā)生在乙丙橡膠表面的沿面放電起始電壓和放電分布特性，發(fā)現(xiàn)