液氮下聚丙烯层压纸层数对绝缘交流击穿场强的影响研究

刘志凯 李卫国 魏 斌 丘 明 赵永清 侯经洲 高 超

(1华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206)

(2中国电力科学研究院电工与新材料研究所 北京 100192)

液氮下聚丙烯层压纸层数对绝缘交流击穿场强的影响研究

刘志凯1李卫国1魏 斌2丘 明2赵永清2侯经洲2高 超2

(1华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206)

(2中国电力科学研究院电工与新材料研究所 北京 100192)

对不同层数的聚丙烯层压纸(PPLP)在液氮中的工频击穿特性进行研究，总结了击穿场强随PPLP层数的变化规律，得出多层PPLP的击穿场强随着层数的增加而减少并趋于饱和的结论。同时分析了单层与多层击穿机理。单层击穿路径发生在高压电极的边缘，层间液氮的局部放电影响着多层击穿场强是层数越多击穿场强越小的原因。

液氮 复合绝缘 绝缘层数 击穿场强 击穿机理

1 引言

自从高温超导材料问世以来，超导电力技术得到了快速的发展，尤其是高温超导电缆技术［1-6］，由于高温超导电缆具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，其传输容量将比常规电缆高3—5倍，而电缆本体的焦耳热损耗几乎为零。因此，高温超导电缆的研制受到美国、中国、日本、韩国、欧洲各国的重视。HTS电缆的绝缘结构在整个HTS电缆中占有重要地位，为超导电缆的安全运行提供了保障。耐低温绝缘材料［7-8］和更高电压等级的超导电缆绝缘设计理论方法［9］都取得了很大的进展。在HTS电缆的绝缘设计［10］中，LN2/PPLP复合绝缘的厚度是影响绝缘设计场强的重要因素，多层PPLP对复合绝缘系统击穿场强的影响程度及影响的机理分析几乎没有报道。本文对不同层数的PPLP在液氮下进行工频击穿试验，并对多层效应对于击穿场强的影响机理进行了研究。

2 液氮下多层PPLP击穿场强的Weibull分布模型

由于试品的击穿场强具有分散性，一般在相同条件下测试多个样本的击穿场强，再用概率模型统计分析。目前，国际标准对于液体绝缘的击穿场强采用Gumbel分布，对于固体绝缘的击穿场强采用两参数Weibull分布［11］或对数正态分布，本文用后者评估液氮下多层PPLP的击穿场强 。两参数 Weibull的累积概率分布表达式为

式中:x为击穿场强的随机变量;F(x)为失效数据的累积概率值;β为形状参数，表征失效数据的分散性，β越大说明试品的试验数据分散性越小［12］;α为Weibull分布的尺度参数，代表累积概率值为63.2%的x值，通常取α为试品的平均击穿场强或寿命。将式(1)等号两边同时作对数变换:

令Y=ln(-ln(1-F(x)))，X=lnx，则X与Y呈线性关系，采用最小二乘法计算直线的斜率和截据［13］。

3 试验和数据分析

3.1 实验装置与实验方法

试验电极如图1所示。高压电极为直径15 mm高25 mm的圆柱体，低压电极为直径75 mm高15 mm的圆柱体。PPLP的厚度为119 μm，为了防止沿闪，PPLP的尺寸为200 mm×200 mm。试验前对PPLP在105℃下进行干燥2小时。制作三层、六层、九层PPLP试样。

图2给出了实验装置接线图。实验电源为50 kV/5 kVA的交直流两用实验变压器。一台分压比为1 000∶1的交直流两用分压器和高精度万用表用于测量击穿电压。一个长、宽、高分别为400、300和400 mm的立方体型泡沫容器用于盛放液氮。实验时电极系统放置于盛有液氮的泡沫容器中。实验时先把接好电极的试品放置于盛满液氮的泡沫容器内，待沸腾平缓且液氮上方呈现一层薄雾时，盖紧盖子，开始进行实验。分别对单层、三层、六层、九层PPLP进行击穿试验。采用1 kV/s的匀速升压方式，直至试品发生击穿方成攻完成一次试验，每种层数重复做9次试验。

图1 试验电极与试品Fig.1 Test electrode and test product

图2 实验装置接线图Fig.2 Experiment equipment wiring diagram

2.2 数据分析

测量的实验数据如表1所示。

表1 击穿场强数据Table 1 Breakdown data

用Matlab对单层、三层、六层、九层PPLP的9次试验数据进行威布尔分布处理得到威布尔分布概率图如图3所示。图中的点代表所处一定层数下对应击穿场强的击穿概率。直线是由9个概率点进行拟合所得。由拟合后的直线可求得在1%击穿概率的击穿场强和99%击穿概率的击穿场强之间任意场强值发生工频击穿的概率。

图3 威布尔分布概率图Fig.3 Weibull distribution probability graph

计算出的威布尔分布参数如表2所示。从表中可知随层数的增加α减小，β增大。说明击穿场强和数据的分散性随着层数的增加而减小。

表2 不同层数的Weibul分布参数Table 2 Parameters of Weibull distribution of different layer number

采用Matlab所拟合的直线计算出不同层数的PPLP服从威布尔分布的10%击穿概率的击穿场强。10%击穿概率的击穿场强和层数的关系可用指数函数形式表示。击穿场强与层数关系的拟合公式与拟合曲线图分别如式(3)、图4所示。

从图中可知击穿场强从三层到六层大幅度减小，从六层到九层击穿场强减少的趋势变缓，并趋于饱和。

图4 层数与击穿场强的关系图Fig.4 Relation diagram of layer number and breakdown stress

3 单层和多层PPLP的击穿路径及机理分析

3.1 单层击穿

从图5电场矢量分布图和电势分布图可知电极之间的电场分布较为均匀，而在高压电极边缘位置电场分布极不均匀，形成垂直方向的电场和斜切向PPLP的电场。从单层PPLP击穿轨迹来看，试品主要在高压电极边缘附近处击穿如图6所示。这主要是由于电极边缘处的电场线要经过液氮和PPLP两种不同的介质，在电极边缘液氮中的电场强度与试样中相邻点的电场强度之比为:

由于液氮所承受的电场强度要大于PPLP的场强且液氮的击穿场强比PPLP的低，于是电极边缘的液氮优先放电，这种放电会腐蚀试样，会使试样在较低的电压下发生击穿。

3.2 多层击穿

图7为层间发生沿面放电的轨迹图。在高电压作用下多层击穿通道的发展过程如图8所示。在多层薄膜结构下，施加高于层间液氮起始放电的电压，放电不但在高压电极的边缘处发生也在在两薄膜之间的液氮中发生，电荷注入层间液氮及其相邻的两个PPLP表面，使层间液氮气化气隙扩大同时放电产生的能量使浸渍在PPLP纤维间隙中的液氮气化膨胀，造成纤维中的孔隙变大。随着电压升高放电增强，PPLP的部分纤维断裂，液氦氮渗入到裂缝然后放电气化，这个过程的重复可以促进PPLP腐蚀，使放电通道不断发展，随着通道的延伸PPLP最终被击穿。因此层间液氮发生严重放电，腐蚀试品，造成试品的电绝缘性能下降是多层试品击穿场强较低的主要原因。同时，局放促使液氮气化使整个绝缘系统的压强增大，压强增大，起始局放电压也随之变大。使层间气隙越来越难于局放，从而层间气隙局放对PPLP绝缘性能劣化的影响也就下降，这是六层到九层击穿场强减少的幅度较少，并趋于饱和的原因。

图5 电场矢量分布图和电势分布图Fig.5 Electric field vector plot and electric potential distribution plot

图6 单层PPLP击穿轨迹图Fig.6 Single-layer PPLP breakdown path plot

图7 相邻两表面的沿面放电图Fig.7 Creeping discharge diagram of adjacent two surfaces

图8 AC高压下多层击穿路径发展过程Fig.8 Multi-layer breakdown path develop-ment process under AC high voltage

4 结论

(1)随着层数的增加击穿场强减少，一层到六层击穿场强减少的幅度较大，六层到九层减少的幅度较少，并趋于饱和。

(2)单层PPLP的击穿轨迹一般在高压电极的边缘处，主要是由于电极边缘处的电场线穿过液氮和PPLP两种介质，边缘处的液氮优先局放腐蚀PPLP降低PPLP的绝缘性能使PPLP在较低的电压下就能击穿。

(3)多层PPLP的击穿试验，层间液氮放电腐蚀PPLP使整个绝缘系统的耐压性能下降。同时局放使液氮气化使整个绝缘系统的压强增大，促使随着层数的增加，击穿场强缓慢减少并趋于饱和。

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3 林良真，肖立业.高温超导输电电缆的现状与发展［J］.电力设备，2007(8):1-4.

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13 蒋仁言.Weibull模型族特性、参数估计和应用［M］北京:科学出版社，

1998.

Study on layers effect of polypropylene laminated paper for AC breakdown strength of insulation

Liu Zhikai1Li Weiguo1Wei Bin2Qiu Ming2Zhao Yongqing2Hou Jingzhou2Gao Chao2

(1School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)(2Electrical Engineering and New Material Department，China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

The multilayer polypropylene laminated paper(PPLP)breakdown characteristic in liquid nitrogen was studied，changing of the breakdown field strength with the layer number of PPLP was summarized.It is concluded that breakdown field strength of multilayer PPLP is reduced with the increase of the layer number and tends to saturation.The breakdown mechanism of singer layer and multilayer was analyzed.Single-layer breakdown path occurs at the edge of the high voltage electrode，partial discharge liquid nitrogen between layers affects the multilayer breakdown stress.It is the cause that the breakdown stress get smaller when layer number is increased.

liquid nitrogen;composite insulation;the number of insulation layer;breakdown field;breakdown mechanism

TB66

A

1000-6516(2013)05-0052-05

2013-07-30;

2013-10-05

刘志凯，男，29岁，博士研究生。