乙丙橡胶绝缘中气隙引起的局部放电研究

门汝佳

(山西省化工设计院，太原 030024)

三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer，EPDM)作为一种功能性材料，以其优异的抗氧化、耐候、电绝缘性和柔韧性，被广泛用作煤矿、海底、石油和轨道交通用挤包电线电缆的绝缘材料[1-3]。然而在生产和运行过程成中，三元乙丙橡胶绝缘中不可避免的会出现一些缺陷，影响其绝缘性能。气隙是典型的造成矿用三元乙丙橡胶电缆绝缘电老化的缺陷之一[4-6]。这是因为当存在气隙时，受电场作用，气隙内部将产生局部放电，腐蚀绝缘，并会引起电树枝生成，造成绝缘劣化[7-8]。气隙形成放电的主要原因是，受电场作用，气隙内部的空气中承受的电场强度将高于三元乙丙橡胶中的电场强度，并且空气的介电强度低于三元乙丙橡胶的介电强度，因此，气隙有可能被击穿形成放电。部分学者在环氧树脂或交联聚乙烯中制作圆柱形气隙，试验研究气隙形成的放电现象，分析了不同电压下作用下气隙放电谱图的变化规律，及气隙放电机理。这些研究表明，气隙引起的局部放电与气隙的形状、尺寸和位置有关[9-12]。然而少见针对三元乙丙橡胶中存在气隙缺陷时引起的放电现象，及放电对三元乙丙橡胶影响的研究，特别是不同频率电压下三元乙丙橡胶中气隙放电的变化规律仍然不清楚。

为了进一步理解三元乙丙橡胶电缆中气隙引起的局部放电现象，本文在三元乙丙橡胶中制作了两种典型气隙缺陷，使用脉冲电流法测量了两种气隙缺陷在不同频率正弦电压作用下的局部放电谱图，分析了不同频率下局部放电的起始放电量和起始放电电场强度，研究了两种气隙造成的局部放电分布谱图区别，为判断矿用三元乙丙橡胶电缆中由于气隙缺陷形成的局部放电提供了试验数据。

1 试样及试验设置

1.1 气隙缺陷试样制作

本文使用已经密炼和滤橡的三元乙丙橡胶胶片制作含气隙缺陷的试样。该三元乙丙橡胶胶片推荐硫化温度约为165 ℃，硫化时间约为15 min.硫化后的三元乙丙橡胶标称电阻率为4.1×1013Ω/cm，介电强度为26 kV/mm.试样制作时将未硫化的三元乙丙橡胶胶片加入平板硫化机中，并在100 ℃下预热不超过2 min，使三元乙丙橡胶变得柔软。然后在两片三元乙丙橡胶胶片中加入钢珠，并在165 ℃和14 MPa下硫化约15 min.硫化时间到后，将试样尽快从模具中取出，以防过硫化。最后将试样从中间撕开，并取出钢珠，形成气隙缺陷。在局部放电试验过程中，为避免因为撕开试样形成的界面对放电产生影响，应尽量保证三元乙丙橡胶试样被压紧。制作好的两种试样结构如图1所示，分别为被绝缘包围气隙和与电极相连气隙。试验分别制作直径为1.2，1.5，2.0 mm的气隙，试样厚度约为2.2 mm.

图1 气隙缺陷试样结构Fig.1 Structure of EPDM sample with a cavity

1.2 实验电路

局部放电试验电路如图2所示。试验使用TREK 20/20C高压电源放大器分别输出频率为20，50，200 Hz的正弦波。保护电阻用于限制由于击穿形成的过电流，以防损坏仪器。外施电压幅值通过1 000∶1的分压器分压后输入局放仪。试验时，试样夹在两个直径为25 mm的黄铜圆柱电极中间。为避免电极边缘产生局部放电，电极使用环氧树脂浇注。局部放电脉冲使用高频电流传感器测量。

图2 局部放电试验电路图Fig.2 Schematic diagram of partial discharge test system

试验中，首先采用慢速升压法，逐渐将电压升高，当出现局部放电且放电量大于10 pC时的外施电压幅值记为局部放电起始电压Ui；然后分别将电压升高至1.25Ui，1.5Ui，2Ui，分析不同频率下的局部放电分布谱图。每个电压下，放电分布谱图至少采集30 s.

2 正弦波下的局部放电

2.1 绝缘包围气隙的局部放电

图3为乙丙橡胶中含有一个不同直径被绝缘包围气隙起始放电电场强度(虚线)和起始放电量(实线)与正弦电压频率的关系。从图3中可以看出，随着外施电压频率逐渐升高，起始放电电场强度逐渐升高。对比不同直径气隙可以发现，较大气隙的起始放电电场强度低于较小直径气隙的起始放电电场强度。然而，被绝缘包围气隙的起始放电量与气隙直径并没有明显的关系，仅是当气隙直径为2.0 mm时，其起始放电量明显大于1.2 mm和1.5 mm气隙的放电量。

图3 不同频率正弦波下被绝缘包围气隙的起始放电电场强度和起始放电量Fig.3 Inception electric field and inception partial discharge amplitude of EPDM with different dielectric bounded cavities under sinusoidal voltage with different frequency

由于不同频率下的被绝缘包围气隙的局部放电分布图类似，这里仅以50 Hz时的局部放电分布图为例。如图4所示，在50 Hz正弦电压作用下，不同电压幅值的被绝缘包围气隙的局部放电分布图变化规律。从图中可以发现，不同电压幅值下，气隙的正负半周放电分布谱图呈对称分布。在起始放电电压作用下(约7 kV)，由于正负半周各有一个放电脉冲，且该脉冲的幅值变化不大，因此在放电分布图中，正负半周各有一个深色的放电集中区域。随着外施电压升高，起始放电相位向左移动，并逐渐超过外施电压过零点。当电压达到约10 kV时，出现兔耳形放电分布图，其中较多的放电脉冲仍集中在约100 pC左右，一些出现次数较少的大幅值脉冲形成放电分布图中的兔耳形状。随着放电时间的增加，气隙中的气体成分、电荷分布、压力和温度等逐渐趋于稳定，兔耳形放电分布图逐渐变为图4(c)所示的形状。此后，即使在一定程度上升高外施电压，放电分布谱图也没有太大的变化，如电压从10 kV升高至15 kV.如图4(d)所示，当电压升高到约20 kV以后，气隙内部原有平衡被高电场强度打破，兔耳形放电分布图再次出现，并逐渐变为龟背形。此时，气隙有可能击穿。

图4 被绝缘包围气隙的典型局部放电分布图Fig.4 Partial discharge distribution of EPDM with a dielectric bounded cavity

2.2 与电极相连气隙的局部放电

如图5所示，乙丙橡胶中含有一个不同直径与电极相连气隙起始放电电场强度(虚线)和起始放电量(实线)与正弦电压频率的关系。从图中可以看出与电极相连气隙的起始放电电场强度及放电量与被绝缘包围气隙的变化规律类似。其起始放电电场强度与气隙直径成反比，直径2.0 mm气隙的起始放电量明显大于其他两种尺寸的气隙。

如图6所示，不同电压的幅值与电极相连气隙的局部放电分布图。从图中可以看出，与被绝缘包围气隙不同，与电极相连气隙的局部放电分布图正负半周的形状仅在放电发生的相位上对称分布，放电幅值正半周高于负半周，如图6(a)和(b)所示。这是因为气隙与高压电极相连，导致外施电压正半周时放电形成的自由电子会被高压电极吸收，此时没有能够削弱气隙内部空间电荷的因素存在；而负半周时，放电形成的自由电子会在不与电极相接触的气隙下部积聚，形成与气隙中空间电荷电场相反的电场，抵消一部分电场，所以正半周的放电量大于负半周。此外，与被绝缘包围气隙的局部放电分布谱图的另一种不同点在于，与电极相连气隙的局部放电分布图始终为兔耳形状，即使增加电压也不会变化，仅是耳朵部分的形状变成竖直的，不再弯曲。

图5 不同频率正弦波下与电极相连气隙的起始放电电场超强度和起始放电量Fig.5 Inception electric field and inception partial discharge amplitude of EPDM with different electrode bounded cavities under sinusoidal voltage with different frequency

图6 与电极相连气隙的典型局部放电分布图Fig.6 Partial discharge distribution of EPDM with an electrode bounded cavity

3 结论

本文通过试验模拟乙丙橡胶电缆绝缘存在的气隙缺陷，制作了两种气隙缺陷试样，分析了不同频率的正弦波作用下气隙中局部放电的起始放电电场强度和起始放电量及放电分布图。由此得出，气隙起始放电电场强度与气隙直径成反比。被绝缘包围气隙的局部放电分布图在正负半周呈完全对称的形状，且随着外施电压幅值的升高，先出现兔耳形放电分布图，随后兔耳形放电消失；当电压升到较高值后，再次出现兔耳形放电分布图，并逐渐变为龟背形，此时气隙有可能击穿。对与电极相连气隙的局部放电在正负半周发生的相位相互对称，而正半周放电幅值大于负半周，且放电分布图始终为兔耳形。

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