[发明专利]一种确定高压交联聚乙烯电缆工频设计场强的方法

摘要

一种确定高压交联聚乙烯电缆工频设计场强的方法，包括交联聚乙烯电缆绝缘试片制备、针电极的制备及预处理、电树枝试验用试样的制作、工频电压下电树枝引发试验及数据处理、400Hz交流电压下电树枝引发试验及数据处理、利用外加电压及电树枝引发时间确定电树枝引发的临界电压、根据电极系统尺寸计算电树枝引发的临界场强和通过电场增强系数确定交联聚乙烯电缆的工频设计场强；本发明方法需要的试样量少、操作简单、易于控制，所确定的工频设计场强能真实有效的反映高压交联聚乙烯电缆在长期运行寿命下的耐工频电压性能，可直接用于电缆的绝缘厚度设计，为在新产品开发中设计出既能满足长期可靠运行的技术要求、又具有经济优势的高压电力电缆提供了保障。

主权项

一种确定高压交联聚乙烯电缆工频设计场强的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：试片的制备：从高压交联聚乙烯电缆绝缘线芯上，将缆芯导体抽出后，剩余部分为包含导体屏蔽、绝缘以及绝缘屏蔽的同心圆柱体，利用高速车床将同心圆柱体沿径向切割，形成厚度为(5±0.5)mm的空心圆形试片，或再将空心圆形试片切分为两片半圆形试片；切片过程要保证试片表面尽可能的平整光滑；步骤2：针电极的制备及预处理：选用模具钢制作针电极，要求表面光滑，直径为(1±0.1)mm，针尖曲率半径为(10±1)mm，针尖圆锥角为30°；在显微镜下对针电极进行观察，将不满足要求的剔除，将满足要求的针电极进行如下预处理：首先用无水乙醇清洗针电极，随后将其置于烘箱内，在60℃条件下进行烘干，半小时后取出；然后，将钢针置于加热至140℃的低密度聚乙烯和二甲苯的饱和溶液中，蘸上一层低密度聚乙烯涂层，将针电极倒置，在室温条件下自然冷却24小时；步骤3：试样的制作：利用夹具将步骤1制备的圆形或半圆形试片进行有效固定，并将圆形或半圆形试片加热至125℃进行预热软化，将步骤2预处理后的针电极从绝缘屏蔽处缓慢匀速的插入圆形或半圆形试片中，控制针电极与导体屏蔽的距离为(2±0.2)mm；针电极插入至预设位置后保持10分钟，之后在105℃下将试样从夹具中取出置于平整的玻璃板上，在室温条件下自然冷却；在试样的制作过程中要尽量避免在针电极针尖区域形成气隙或者残余机械应力；步骤4：工频电压下的电树枝引发试验及数据处理：将试样固定在测试容器内并浸于硅油中，在针电极上施加预先设定的工频电压，导体屏蔽接地；在预先设定的工频电压下对试样进行恒压下的电树枝引发试验，方法如下：将幅值为U₁的工频交流电压施加在试样的针电极上，并实时观察试样的针电极尖端，一旦观察到电树枝引发，即停止加压，以开始加压的时刻作为时间零点，记录电树枝引发时间；对10个试样在相同条件下按照上述步骤进行试验，一共测得10个电树枝引发时间数据，即t_1x(x＝1…10)；利用二元Weibull分布对10个时间数据进行统计处理，获得对应于63.2％电树枝引发概率的电树枝引发时间，记为t₁；按照上述方法进行其它幅值(U₂…U_j‑1)工频电压下的电树枝引发试验，获得对应的电树枝引发时间(t₂…t_j‑1)；步骤5：400Hz电压下的电树枝引发试验及数据处理：当工频电压为5kV或更低时，电树枝引发时间将达数月甚至更长，这时，采用400Hz交流电压替代工频电压进行试验，以起到将试验加速的作用；将幅值为Uj的400Hz交流电压施加在试样的针电极上，并实时观察试样的针电极尖端，一旦观察到电树枝引发，即停止加压，以开始加压的时刻作为时间零点，记录电树枝引发时间；将该时间数值乘以8，换算为等效工频电压下的电树枝引发时间；对10个试样在相同条件下按照上述步骤进行试验，一共测得10个电树枝引发时间数据，即t_jx(x＝1…10)；利用二元Weibull分布对10个时间数据进行统计处理，获得对应于63.2％电树枝引发概率的电树枝引发时间，记为t_j；按照上述方法进行其它幅值(U_j+1…U_m)400Hz电压下的电树枝引发试验，获得对应的电树枝引发时间(t_j+1…t_m)；步骤6：电树枝引发临界场强的确定：将所有m个电压及时间数据绘制于横坐标为时间、纵坐标为电压的图中，获得电树枝引发时间随外加电压而变化的U‑t曲线，可观察到随着电压降低，U‑t曲线逐渐变得水平，显示存在着某个临界电压值U_t，当外加电压低于这个值时，电老化效应变得非常小，几乎可以忽略；这个临界电压U_t就是电树枝引发的临界电压，利用公式(5)通过对电压‑时间数据的拟和来求取，$t=C\·{(U-U_t)}^{-n_v^{\text{'}}}---\left(5\right)$式中，t—电树枝引发时间，min；U—外加电压，kV；U_t—电树枝引发临界电压，kV；C、—常数；求得电树枝引发临界电压U_t后，即可代入公式(6)中计算出电树枝引发临界场强E_t，$E_t=\frac{{2U}_t}{r\ln (1+\frac{4h}{r})}$(6)式中，E_t—电树枝引发临界场强，kV/mm；r—针尖曲率半径，10μm；h—针尖至导体屏蔽的距离，2mm；步骤7：交联聚乙烯电缆工频设计场强的确定：由式(6)确定的是交流聚乙烯绝缘试样的电树枝引发临界场强，需要将其换算为交联聚乙烯电缆的工频设计场强，步骤如下：查找对应标准，确定相应电压等级交联聚乙烯电缆绝缘的最大允许导电缺陷尺寸，记为R，而缺陷尖端的曲率半径即为针电极尖端的曲率半径，r＝10μm，代入公式(7)‑(9)，确定缺陷尖端的电场增强系数K_f，$\mathrm{\λ}=\frac{1}{\sqrt{1-r/R}}---\left(7\right)$$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\ln \frac{\mathrm{\λ}+1}{\mathrm{\λ}-1}-\frac{1}{\mathrm{\λ}}---\left(8\right)$$K_f=1-\frac{1}{\mathrm{\α}}(\frac{1}{2}\ln \frac{\mathrm{\λ}+1}{\mathrm{\λ}-1}-\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}^2-1})---\left(9\right)$式中，λ和α为计算K_f过程中使用的两个中间参数；将由式(6)计算的电树枝引发临界场强E_t和由式(9)计算的电场增强系数K_f代入式(10)，即可获得电缆绝缘的工频设计场强G_∞，G_∞=E_t/K_f     (10)由式(10)确定的电缆绝缘工频设计场强G_∞，反映了交联聚乙烯电缆绝缘整体耐受工频电压的长期性能，能够直接用于确定交流电缆耐受工频额定电压所需的绝缘厚度水平。