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高温下电压频率对硅橡胶电树老化特性的影响

尹琪  
【摘要】:近年来绝缘材料的电树老化频率特性受到了越来越多的研究,然而目前的研究多是在室温下进行的,实际高压电力电缆运行温度相对较高。对于目前在交流电力电缆中应用最广泛的交联聚乙烯电缆,其长期运行最高允许温度为90℃,在一定程度上影响电缆附件绝缘材料硅橡胶的绝缘性能。因而,研究高温90℃下电压频率对硅橡胶材料电树老化特性的影响具有重要意义。为了研究高温90℃下电压频率对硅橡胶电树引发特性的影响,采用针板电极模拟缺陷,在50Hz-100kHz宽频率范围内,对硅橡胶试样施加50V/s的线性升高电压,统计不同电压频率下起树电压,并与30℃下的情况进行对比。结果表明,与30℃下的阶段性下降特征不同,90℃下起树电压随频率呈现单调下降趋势,且相同频率下90℃起树电压相对30℃至少降低17%。电树生长至临击穿时出现四种形态:树枝状、松枝状、松丛混合状和丛状,其中松丛混合状电树仅在90℃条件下出现。30℃与90℃下随电压频率升高电树形态都趋向稠密,逐渐从树枝状转变为丛状。分析认为,30℃下随电压频率升高电树引发机理发生转变,针尖处的麦克斯韦感应应力导致450Hz-2kHz起树电压下降22%,而90℃下介电损耗产生的温升导致分子链段松弛运动,从而出现起树电压单调下降的情况,100kHz相对于50Hz起树电压下降了20%。为了进一步研究高温90℃下电压频率对硅橡胶电树生长特性的影响,在50Hz-2kHz频率范围内对硅橡胶试样施加10kV恒定电压,统计各个试验条件下的电树生长长度随时间变化曲线、临击穿前的电树形态以及落射光下的电树图像,并与30℃的情况进行对比。发现同一温度下随着电压频率升高,电树生长速度加快,电树趋向密集,推测是由于单位时间内电树通道内的局部放电频次增加造成的。高温试验组别的电树生长速度相对常温较慢,同时电树通道较粗,电树形态更加密集。据分析,高温下硅橡胶材料的弹性模量增大以及碳化现象的出现,导致了电树通道的生长相对常温更加困难。然而高温条件下硅橡胶材料的局部链段松弛加剧,放电强度相对较弱的径向局部放电也能造成主链断裂,产生微裂纹,再加上高温下的电树滞长时间大幅增加,导致同一电压频率下高温试验组别的电树通道直径较大,电树形态更加密集。在高温试验组别中出现了常温下没有的电树通道碳化现象,这是由于在高温试验条件下构成硅橡胶分子链的化学键活性相对较高,更加容易断裂,局部放电时的高能电子撞击聚合物链,造成硅橡胶的C-Si键断裂,从而在部分电树通道内壁出现石墨碳沉积。


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