预制型电缆附件沿面放电试验研究

－武汉雷泰电力技术有限公司

1         引    言

         XLPE 电力电缆附件中电场应力控制一般采用两种方式：参数型电场应力控制管和几何型电场应力控制锥。由于参数型电场应力控制管是在高分子材料中充填高介电系数的无机材料，以调整电气参数来控制附件中电场分布，其不足之处如（1）介质损耗较大使得附件发热引起材料早期电-热老化；（2）各项参数受温度、电场和基材特性等因素影响较大，即稳定性较差等。与之相比，几何型电场应力控制锥采用的是经典的几何形状应力锥来控制电缆附件中电场分布，其绝缘结构设计合理，基本不受外界因素影响，稳定性较好。在实际应用过程中，只要保证应力锥的几何形状以及保证应力锥与电缆主绝缘结合界面具有足够的压强，就能够达到长期有效地控制电缆附件中电场分布的满意效果。

        几何型电场应力控制锥在工厂预先成型，其几何尺寸偏差很小。应力锥与电缆主绝缘结合界面的压强取决于附件与电缆本体的紧配合状态。由于XLPE电力电缆主绝缘尺寸不可避免的存在制造偏差，应力锥与电缆主绝缘结合界面的压强（通常称之为握紧力）难以得到保证，容易引发结合界面沿面放电。综合分析近十年来国内外预制型电缆附件的运行故障案例证实，复合介质沿面放电是导致XLPE电力电缆预制型硅橡胶电缆附件运行故障的主要原因．        本文基于预制型硅橡胶电缆附件固体复合介质绝缘结构沿面放电试验研究，提出保证电缆附件界面压强，预防电缆附件发生沿面放电击穿故障的主要措施。

2         试验研究

        电缆附件是典型的固体复合介质绝缘结构，界面沿面放电与界面压强和界面状态密切相关。

2.1    试品制备

        试品制备如图3所示，以模拟预制型电缆附件多层固体复合介质绝缘结构。                                  

2．2    试验

       实际测量界面压强或握紧力比较困难，试验研究中，利用高弹性硅橡胶绝缘体2的定伸强度，由于高弹性硅橡胶绝缘体2的原始直径D_SR小于XLPE绝缘体4的直径D_XLPE  ，当其弹性变形套在XLPE绝缘体4表面后，便具有持续弹性回复力，为硅橡胶绝缘体2与XLPE绝缘体4之间的界面提供握紧力。

        调整硅橡胶绝缘体2的配方可以得到不同定伸强度的硅橡胶绝缘体2，然后制作成为不同的原始直径的硅橡胶绝缘体2试品，弹性变形地套在XLPE绝缘体4表面。因此，定义高弹性硅橡胶绝缘体2的原始直径D_SR相对XLPE绝缘体4的直径D_XLPE的过盈量Dd 为：

                                         D_XLPE    - D_SR

                        Dd =                                 ×100%

                                          D_XLPE 

并采用硅橡胶绝缘体2自身的定伸强度和过盈量Dd 协同作用来近似地表征高弹性硅橡胶绝缘体2与XLPE绝缘体4之间的界面压强（握紧力）状态。

      选取不同定伸强度和不同的原始直径的硅橡胶绝缘体2制作成为不同过盈量的试品，每种试品各制备三只试样。对同一编号试品的三只试样分别进行工频电压下的放电试验，设计XLPE绝缘体4和硅橡胶绝缘体2具有足够的绝缘强度，以保证工频电压试验均为其界面的沿面放电试验，最终取三只试品工频电压沿面放电电压值的平均值。

2．3    试验结果

        定伸强度为 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 Mpa 硅橡胶绝缘体2，以过盈量Dd = 10%、30%、50% 弹性变形套在XLPE绝缘体4表面，界面不做任何处理．

        定伸强度为0.5 Mpa的硅橡胶绝缘体2在不同过盈量状态下的沿面放电试验结果以及为了证实界面状态的影响，对硅橡胶绝缘体2与XLPE绝缘体4之间的界面分别做涂抹硅脂处理和不做任何处理的对比平行沿面放电试验结果如图5 所示。

3         分析与讨论

        图4的试验结果表明，复合介质中工频电压按介电常数分布^[1，2]，硅橡胶绝缘体2的介电常数与XLPE绝缘体4的介电常数差别较小，界面电场分布比较均匀，试品的工频沿面放电电压值与界面压强密切相关。在一定的定伸强度下，界面压强大小取决于硅橡胶绝缘体2的过盈量，过盈量增大，界面压强增大，沿面放电电压上升；在一定的过盈量下，界面压强大小取决于硅橡胶绝缘体2的定伸强度，定伸强度增大，弹性变形的回复力增大，界面压强增大，沿面放电电压亦上升。

        当过盈量较小 (Dd=10%)时，由于硅橡胶绝缘体2在弹性变形范围内其回复力与其形变符合虎克定律，界面压强变化主要依赖于硅橡胶绝缘体2的定伸强度，故沿面放电电压值随着硅橡胶的定伸强度线性变化。

        当过盈量增加到Dd=30%时，硅橡胶绝缘体2的定伸强度在≤2.0 MPa弹性变形范围内其回复力与其形变符合虎克定律，界面压强变化主要依赖于硅橡胶绝缘体2的定伸强度，沿面放电电压值随着硅橡胶的定伸强度线性变化；硅橡胶绝缘体2的定伸强度 >2.0 Mpa ，界面压强变化主要来源于硅橡胶绝缘体2的弹性变形的过盈量，此时，提高定伸强度对沿面放电电压值影响不大。

        当过盈量增加到Dd=50%时，界面压强完全依赖于硅橡胶绝缘体2的弹性变形的过盈量，宏观表现出界面沿面放电电压值较高，且与其定伸强度无关。

        图5试验结果证实：当界面压强不大(Dd≤60%)时，沿面放电可以用碰撞电离理论解释，放电电压与界面状态密切相关。在界面上涂抹硅脂后，硅脂分子起到壁垒作用，阻碍导电粒子激发界面沿面放电，界面沿面放电电压值大幅提高。

        当界面压强增加(Dd>60%)时，沿面放电取决于强电场下的隧道效应，放电电压值与界面状态和界面压强无关。

4         防止沿面放电的措施

       XLPE电力电缆在运行过程中，一方面随着负荷的变化，预制型硅橡胶电缆附件与电缆XLPE绝缘层之间界面发生热胀冷缩所形成呼吸效应，将潮气吸进界面；另一方面，由于电泳效应，水分子在电场的作用下作定向迁移运动进入电缆附件界面。潮气和迁移水分在界面凝结成介电常数很高的水珠，界面表面电阻急剧下降，激发界面沿面放电，最终导致界面沿面放电击穿。

        研究结果表明，提高预制型硅橡胶电缆附件绝缘结构沿面放电电压的主要措施包括：(1) 提高预制型硅橡胶附件材料的定伸强度，保证预制型硅橡胶电缆附件在弹性形变时具有足够的弹性回复力； (2) 采用予扩张的工艺，保证预制型硅橡胶电缆附件在安装时方便快捷，安装后具有足够大的弹性形变过盈量；(3) 界面涂抹适量硅脂，并保证硅脂长期保持湿润状态。特别是电缆中间接头安装施工过程中，轴向防水措施必须引起高度重视^[1，2]。

5         结论

1         复合介质界面沿面放电电压值与界面压强和界面状况密切相关。保证界面足够的压强和在界面涂抹硅脂可大幅提高界面沿面放电电压值。

2         界面压强取决于电缆附件材料的定伸强度和电缆附件安装时的弹性形变过盈量。提高电缆附件材料的定伸强度和采用予扩张工艺，可以有效防止电缆附件沿面放电击穿事故。

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