脉冲电压下压力对交联聚乙烯-硅橡胶界面电痕破坏的影响

张朕滔,张　雷,谭宇航，周基勋,马占东,杨　京

(1.重庆市计量质量检测研究院,重庆 401121;2.国网重庆武隆县供电有限责任公司,重庆 408500; 3.重庆文理学院,重庆 402160)



脉冲电压下压力对交联聚乙烯-硅橡胶界面电痕破坏的影响

张朕滔1,张雷2,谭宇航3，周基勋1,马占东1,杨京1

(1.重庆市计量质量检测研究院,重庆 401121;2.国网重庆武隆县供电有限责任公司,重庆 408500; 3.重庆文理学院,重庆 402160)

针对电缆接头处出现的电痕破坏事故，建立了不同压力下界面电痕破坏的实验平台。实验样品由1片聚乙烯和1片透明硅橡胶重叠压合而成。用二者的接触面来模拟交联聚乙烯电力电缆接头的界面。两个半圆形细铜丝电极位于此界面上，由此构造1个近似匀场电场。高压脉冲电源施加于两电极上直至界面电痕破坏。用数字相机录制了界面从放电至电痕破坏整个过程的放电光和炭化分布。随后，采用图像处理方法并运用Matlab等软件的处理方法，对放电光和炭化通道分布进行分析，得出了放电光分布和炭化分布之间的相互关系以及交联聚乙烯-硅橡胶界面电痕破坏的规律。

交联聚乙烯；接头；电痕；放电光；炭化

根据复合多层介质绝缘结构沿面放电的机理和特性，主要针对交联聚乙烯-硅橡胶电力电缆的接头交界面压力，分别在1,10,20 N压力条件下的3种界面进行高压脉冲的放电试验。界面在高压作用下会发生绝缘击穿放电，在放电过程中会不断产生放电光、炭化以及电痕破坏，对试验中界面放电产生的放电光、炭化和界面电痕破坏通道的产生规律及分布规律进行研究分析。最后，根据试验的分析处理结果总结推测出压力对交联聚乙烯—硅橡胶界面电痕破坏的规律及破坏机理。在本文实验中电压源由幅度频率可调简易脉冲发生器提供，采用数字摄相机对实验过程中产生的放电光、炭化及电痕破坏通道进行摄像。实验中放电光的处理在黑暗环境中进行，而炭化及电痕破坏通道的处理则在一定背景光下进行。

1　界面电痕破坏实验

1.1放电光分布随时间的变化

经过一系列的实验操作和对实验方法、步骤的不断改进，最终通过图像处理方法得出了在脉冲电压(电压峰值为35 kV)下不同压力条件(正常状态下、压力为1 kg、压力为2 kg)、不同时间段(每隔10 min为一个时间段)的图像结果，如图1所示。正常状态下是指交联聚乙烯和硅橡胶界面在透明玻璃的压力情况下，忽略了在交联聚乙烯与硅橡胶界面的透明玻璃的压力。

由图1可见：在相同压力条件下、不同时间段的放电光的强度和亮度都有所不同；在相同时间条件下，不同压力条件下的放电光的强度和亮度也有所不同。用肉眼观察，在相同压力条件下，时间越长，放电光的强度和亮度都有所增强；在相同时间条件下，压力越大，放电光的强度和亮度都有所减弱。但仅从肉眼观察，不能说明最终的结论。

1.2炭化分布随时间的变化

通过实验，采用图像处理方法得出了在脉冲电压(电压峰值为35 kV)下不同压力条件、不同时间段(10 min)的炭化效果图像，如图2所示。

炭化的延伸同样也具有阶段性，可归纳为3个阶段，且每个阶段的炭化分布也不一样，如图2中(a1)、(a2)、(a3)所示。第1阶段，炭化的效果呈现出若干的点型分布在两对称电极的垂直交界处，炭化的颜色呈淡黑色，且不太明显，这说明炭化的时间和过程不够长。第2阶段，炭化的效果逐渐变成有规律的通道形状，在界面上有黑团斑状出现，但这些黑团斑状并没有完全连接起来。第3阶段，可从图中看出界面上的炭化慢慢连成片，且颜色也变成深黑色，十分明显。由此得到一条规律：炭化的通道随着时间的变长呈现了由窄变宽、由浅变深、由轻微变严重的变化过程。

同样通过观察可以发现：脉冲电压下压力不变(如图(a1)、(a2)、(a3)3个不同时间段)，随着时间的增长，炭化效果越来越明显，炭化通道逐渐变粗，变黑；脉冲电压下时间段(如图(a1)、(b1)、(c1)3种不同压力下)相同，炭化效果越来越淡，炭化通道也逐渐变细、变浅。

图1放电光的分布

图2　炭化分布

2　脉冲电压下界面压力对电痕破坏的影响和规律

2.1界面压力对界面电痕破坏的影响

事实表明：放电光的强度大小能表示放电的能量大小，且放电光的分布能反映放电能量的分布。接通电源，合上开关，在实验界面上会不断产生放电的电流以及炭化物。要注意的是：放电过程是在2张不同的绝缘材料界面或表面上产生的。本文中的2张不同的绝缘材料组成的界面是由交联聚乙烯与硅橡胶薄切片叠加在一起并且在透明玻璃的覆盖下形成的。让2种不同材料的绝缘试样紧紧地贴合在一起会限制放电所产生的等离子体从而使放电的电流不会剧烈增加。如果放电发生在气体中，正如在空气中进行的高压脉冲电源放电实验一样，放电的电流会剧烈增长，而本实验的放电是在两紧贴的绝缘界面上进行，因此整个放电实验中电痕破坏的发生过程会相对缓和。

得出结论：放电光分布的不同直接关系到炭化分布的不同。光的分布随着时间的变化也会变得不太一样，但都比较相似。放电光会出现在距2个半圆形电极最近处的附近区域，而不是完全出现在距两半圆形电极最近的直线上。随着放电的进行，有放电电流流过光亮处即界面处的放电区域，电流的出现使界面上的材料出现了一定程度的变化。能够了解到，放电电流致界面产生的这几种物质中炭物质能够用肉眼观察到，它呈黑色并具有导电性能，随着放电的进行不断产生在实验界面之上，这样会使界面上一些部位的电场强度得到加强，同样也会使另外的一些部位的电场强度减弱：有炭化效果出现的部位电场强度被减弱了，而没有炭化效果的部位电场强度得到了微小的加强。因此，界面受到影响变黑，另外的2种气体和含硅元素的氧化物都不会被发现。在界面处，电场强度最强的地方往往就是放电光最强的地方，由于出现炭化的量较多，因此界面会逐步丧失其绝缘性能。

2.2脉冲电压下压力对电痕破坏的规律

2.2.1放电光分布变化规律

实验中给出了交联聚乙烯-硅橡胶界面在电极施加脉冲电压后，从实验后的图像处理和一系列的数据处理得知放电光随着压力的改变有着不同的分布特点。

根据放电光图，放电光的亮度大小从肉眼上无法准确地被分辨出来，因此在本文中采用Matlab 软件进行编程，从而将光分布图转化为直观的数据曲线图，这样就能清晰地比较不同时段、不同压力下的放电光的亮度大小。具体的前、中、后以及在压力为1 N，施加压力分别为10、20 N的情况下的后放电光的亮度分布见图3所示。

由图3(a)可见：在3个不同的时间段，分别得到了放电光亮度的分布。从单个情况看，曲线呈现波形状，在整条放电光的左端开始处和右端结束处放电光的亮度强度相差不多，基本相同，都为1.4104(a.u.)。这是因为放电光都是由2个半圆形的电极发射，呈现对称状，在中间位置(60 mm处)的放电光变强的原因是放电光从开始到最强处慢慢叠加，不断地重合和积累而形成。从图3(a)的3个子图可以发现：在相同压力条件下，不同时间段的放电光亮度的变化规律图中直观的波形比较如(a4)(图中的黑、红、蓝3曲线分别代表(a1)、(a2)、(a3)中的3曲线)所示。并得出以下结论：2个半圆形电极处的放电光强度大致一样，且都向中间叠加；在最中间位置放电光的亮度达到最大；在3个不同阶段的中间位置的放电光亮度随着时间的增加，放电光的亮度也不断增强，最强接近1.8104(a.u.)。在起始放电阶段，放电光总体较弱；在放电中期阶段，放电光随时间变化越来越强；在放电最后阶段，放电光随时间变得更强。

通过图3(b)可比较得到：在3个不同的时间段中，放电光亮度的分布从单个情况看，曲线呈波形状，在整条放电光的左端开始处和右端结束处，放电光的亮度强度相差不多，基本相同，都为1.4104(a.u.)。这是因为放电光都是由2个半圆形的电极发射，呈现对称状，在中间位置(60 mm处)的放电光变强的原因是放电光从开始到最强处慢慢叠加，不断重合和积累而形成。同样比较得到在3个时间段相同但不同压力段(正常状态、增加压力1 kg、增加压力2 kg)的放电光的变化规律，如图3(b4)(图中的黑、红、蓝3色曲线分别代表(b1)、(b2)、(b3)中的3条曲线)。通过比较可得以下结论：两半圆形电极处的放电光强度大致一样；且都向中间位置(60 mm处)叠加增强；在最中间位置放电光的亮度处于当前阶段的最大值；在3个不同阶段的中间位置随着压力的增加，放电光的亮度不断减弱，最强为2.0104(a.u.)，最弱为2.0104(a.u.)

图3　放电光亮度的比较

2.2.2炭化分布变化规律

从图2中截取一张炭化效果相对较明显的图，用Maltlab软件进行图像处理，如图4所示。由图4可以确定每个阶段的炭化情况，已经产生的炭化量，经过一系列的测量最终得到每个时间段、每个压力段的炭化面积大小的比较图(如图5所示)。

图4　炭化分布

图5　炭化与压力/时间的定量关系

经过一系列的实验，发现界面的电痕发展具有一定阶段性。但在不同的压力条件下炭化效果和放电光效果也会出现不同的效果和规律，也表现在不同的地方：

1) 炭化效果的宽度变化趋势与放电光通道的变化趋势相反：炭化效果的宽度越来越宽，并且颜色越来越明显；放电光通道则是相反变窄。原因是由于随着炭化的进行，界面的场强也开始变化，炭化过后形成的炭具有导电性能，起到导电的作用。炭化的产生间接导致了电极之间距离的变短，只对炭化出现区域的电场有加强或者减弱，但对没有炭化效果出现的两侧电场的强度改变不大。炭出现少的区域电场强度增强，电场增强的区域放电发光强烈。

2) 界面上所产生的炭化量与放电光的强弱无关，无论放电光强度如何变化，随着放电的进行，炭化量一直在增长。

4　结束语

采用图形处理方法并运用Matlab等软件的处理技术，在分析交联聚乙烯-硅橡胶的电痕破坏过程中所产生的放电光和炭化现象的不同特性的基础之上，分析了不同界面压力下的对界面电痕破坏的过程和机理。通过实验得出了在脉冲电压下压力对交联聚乙烯-硅橡胶界面电痕破坏的规律：

1) 界面压力的增大在很大程度上减弱了界面起始放电的发展。

2) 在较高的界面压力条件下，两半圆形电极之间产生的放电光的通道变窄，且亮度也逐渐变弱。

3) 界面压力的增大可以使界面炭化效果变慢和变少，从而使界面的电痕破坏能力下降。

4) 电痕击穿过程随着压力的升高越来越规则，炭化能力越来越弱。

5) 界面压力的增大明显增强了界面的绝缘性能，从而延长了界面的使用寿命，增强了电力传输的可靠性。

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(责任编辑杨黎丽)

Influence of Pressure on Destruction of Crosslinked Polyethylene-Silicone Rubber Interface Electric Mark Under Pulse Voltage

ZHANG Zhen-tao1, ZHANG Lei2, TAN Yu-hang3,ZHOU Ji-xun1, MA Zhan-dong1, YANG Jing1

(1.Chongqing Measuring Quality Inspection Institute, Chongqing 401121, China;2.State Grid Chongqing Wulong County Power Supply Co., Ltd., Chongqing 408500, China;3.Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China)

The author established interface tracking failure experiment platform under different pressure in various cable joint tracking failure accidents. The experimental sample was fromed and overlapped by a sheet of polyethylene and a piece of transparent silicone rubber. The XLPE power cable joint interface was simulated with the contact surface of the above two. The 2.5 circular thin copper wire electrodes was located on the interface, thus we constructed an approximate uniform electric field. High voltage pulse power supply was applied until the interface tracking be distructed. Discharge light and carbonization distribution in the whole failure process of interface from discharge were recorded by digital camera. Then, using the image processing method and application of Matlab processing method, electro-optical and carbonization on channel distribution was analyzed. The law of discharge light distribution and carbonization distribution and correlation between cross-linked polyethylene-silicon rubber interface track failures were obtained.

crosslinked polyethylene; joint; tracking; discharge light; carbonization

2016-02-15

重庆理工大学研究生创新基金资助项目(YCX2013217)

张朕滔(1990—)，男，重庆人，硕士研究生，主要从事计量质量检测及研究，E-mail: zhangzhentao168@sina.cn。

format：ZHANG Zhen-tao, ZHANG Lei, TAN Yu-hang,et al.Influence of Pressure on Destruction of Crosslinked Polyethylene-Silicone Rubber Interface Electric Mark Under Pulse Voltage[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):141-146.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.022

TP27

A

1674-8425(2016)10-0141-06

引用格式：张朕滔,张雷,谭宇航，等.脉冲电压下压力对交联聚乙烯-硅橡胶界面电痕破坏的影响[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(10):141-146.