[发明专利]一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电缆绝缘材料的电压耐受指数的确定方法，具体涉及一种确定交流电缆交联聚乙烯绝缘电压耐受指数的方法。

背景技术

近年来，在电压等级为150kV及以下的新安装交流线路中，交联聚乙烯绝缘电缆已成为首选，其使用量已大幅超过传统的油纸绝缘电缆；而在超高压输电领域，交联聚乙烯电缆的使用量也在不断攀升。早在十几年前，交流500kV交联聚乙烯电缆产品就已在日本通过试验检验并投入实际运行。相比而言，国内的电缆行业整体发展水平仍显落后，缺乏自主研究。

绝缘材料的电老化性能是进行绝缘结构设计和可靠性评估的基础，而电压耐受指数是其中的关键参数。研究发现，绝缘材料在高压、强场作用下满足电老化寿命定律，即场强E下的寿命τ满足关系式（1）

τ=KEnv---(1)]]>

式中，K和n_v均为常数，而n_v称为电压耐受指数或电老化寿命指数，描述材料耐受电压老化的性能。现有多种n_v值评定方法，包括传统评定法、恒定电压法、残存电压法、逐级升压累加法、近似简化法等，以及2007年IEC在《电气绝缘材料交流电压耐受性能评估的征求意见稿》中推荐的方法，但各种方法得到的n_v值一致性很差，即使用同一种方法得到的数据也可能相差十倍以上，甚至出现不合理的负值，无法满足实际应用需要。

电压耐受指数n_v反映绝缘材料的本征属性，通常由加速电老化试验中电压与寿命的关系求得，但试样制作、测试方法、电极尺寸、环境条件等均可能对其造成影响。在确定的结构下，n_v的大小将直接影响电缆的设计寿命，例如，n_v从10增大到15可能导致电缆的预期寿命从几十天变化到几百年。传统以击穿试验为主体的加速电老化寿命评估方法对设备要求高、操作困难、耗时费力、设计参数分散性大。发展更为简单有效的试验技术，提出分散性小、精确度高的表征参数，这已成为学术界和工业界共同呼吁的问题，也是对传统设计方法及参数测试技术的挑战。

近年来，一种广泛采用的研究方法是在块状聚合物中引入金属或半导体针极来模拟材料中的杂质，对这种树枝化测试试样进行相关的电树枝引发及生长试验，通过材料的耐电树枝特性反映其长期电老化性能。

研究发现，对高压交联聚乙烯电缆，电树枝化是导致绝缘失效的决定性因素，交联聚乙烯电缆击穿总是以绝缘中电树枝的出现为先导。一旦电树枝在交联聚乙烯绝缘中得以引发，电缆将在较短时间内被击穿而完全失效。特别是对于薄层绝缘或强场下应用的场合，介质击穿将完全由树枝引发所主导，树枝生长阶段的整体影响相对较小。因此，以电树枝的出现作为交联聚乙烯绝缘电缆寿命终结的标志是合理的，符合可靠性寿命设计的基本原则。

在针对500kV交联聚乙烯电缆所进行的绝缘开发试验中发现，总共23个击穿试样中，引发击穿的缺陷有17例是杂质，6例是凸起。而由杂质和凸起类缺陷所导致的绝缘中局部电场增强效应，可以通过电树枝试验中引入的针电极进行很好的模拟。研究者曾经利用交联聚乙烯电缆试样进行过对比试验，一种是从绝缘屏蔽处插入针电极，另一种在导体屏蔽上人为制造凸起，结果发现，两者的试验数据分布在同一条曲线上。而且，由电缆试样测得的电树枝引发场强与交联聚乙烯块状试样上测得的值几乎完全相等。此外，对带有嵌入式针极的聚乙烯试样所进行的研究还发现，电树枝引发时间随外加电压的变化特性与通过击穿试验获得的电老化寿命曲线具有完全类似的形状和变化趋势。

众所周知，交联聚乙烯电缆的击穿是发生在绝缘中弱点上的击穿，而电树枝化正是在针极附近所发生的局部微击穿现象，针极就代表了绝缘中的弱点。因此，两者之间必然存在对应性，这正是绝缘材料的短期击穿和长期电老化性能能够通过树枝化试验得以反映的理论基础；而如上述所述，绝缘材料的树枝化及击穿特性之间的相似性已获得广泛认同，这也为利用电树枝试验替代传统的击穿试验进行电压耐受指数的求取提供了有力的数据支持。

发明内容