白天予Paul. L. Lewin

（1.国网天津市电力公司东丽供电分公司，天津 300300；2. The Tony Davies High Voltage Laboratory，University of Southampton，英国）

关于在电力系统中局部放电对固体绝缘介质的破坏的研究

白天予1Paul. L. Lewin2

（1.国网天津市电力公司东丽供电分公司，天津 300300；2. The Tony Davies High Voltage Laboratory，University of Southampton，英国）

文章是对于发生在交流电场中在固体绝缘介质的空气间隙的老化进程的实验，通过制造一个在2mm厚度的硅胶样品包含直径1mm的单个的空气间隙，五个样品在12kV的交流电场下加压6小时而后加压到15kV直到有一个样品击穿。在加压过程中，局部放电数据被常规的记录下来。剩下的4个样品将被检查是否有老化的痕迹。初步结果显示，被切割的样品的老化部分有可能是凹凸部分从空气间隙中延伸出来。这篇论文详细介绍这个实验，以及包含获得的老化的样品的照片和详细介绍因为电老化过程对化学成分的变化在硅胶中的影响。

固体绝缘介质；老化；局部放电；气泡

在全球特高压趋势下，随着电压等级的提高，对绝缘材料的质量的要求越来越高。尤其在高压电力电缆领域以及高压输电线路的范围对固体绝缘材料的要求有着更高的标准。如果绝缘材料无法满足特高压对绝缘材料的要求，将会造成供电系统的严重故障。这种故障会对特高压下的电力系统造成极大的危害，对供电可靠性和安全性造成极大的不利。因此这就涉及到了本文所提到的固体绝缘材料中的杂质问题。微型间隙包括发生在绝缘介质中的因为生产的瑕疵所造成的微型空气小泡，以及污染物［1］。并且，这些瑕疵可能在工厂的设备测试中不会被监测到，但是他们的影响是非常明显的当他们在强大的电场当中［2］。很低的在空气间隙中的介质因数将导致在比固体介质中的要高的场强［3］。这个现象将导致局部放电的发生。有两种条件将导致局部放电发生在电场中的小泡，第一种就是施加的电压高于起始电压，第二种就是在气泡中有自由电子存在［2］。自由电荷包含着巨大的能量将冲击空气间隙的表面［4］。因为化学变化和热老化对于气体间隙的表面的原因以及局部放电在集中冲击，凹凸的痕迹将初始存在于空气间隙和固体介质的表面［5］。在下一阶段，领带电树枝有可能在长期的电场下以及局部放电的冲击下产生［1，3，4］。最后这样的现象导致样品的击穿［1，3］。因此在空气间隙的老化过程的发展对电力设备的绝缘介质有着非常严重的影响。

根据之前的论文［3，5］，发生在聚乙烯材料中的空气间隙的老化过程。局部放电的图形，局部放电的电流和局部放电的幅度在老化进程中被监测分析［6，7］。而且 Morshuis［8］已经发现了在聚乙烯中的老化过程中可以制造三种化学副产品：气体，固体，液体。一些图片老化空气间隙的图片被显微镜拍摄下来［2，9，10］。但是在硅胶中的老化过程并没用被报道过。因此这个实验将集中于发现在硅胶中空气间隙的领带树枝。Raman光谱仪将被用来分析被切割的老化部分的化学成分。

1 实验部分

1.1 实验准备

用于制造硅胶的材料是Dow Corning Sylgard 184硅胶材料。为了准备样品，这个混合物的比例是硅胶和硬化物是10:1。这个混合物在真空中被抽气50分钟。在抽气前，这个混合物缓慢搅拌为了防止不想要的起泡，并且需要搅拌 2分钟以便于充分混合。这个硅胶的强度取决于硬化的过程。这个样品用塑料容器准备。在抽气以后，这个混合物被缓慢倒入塑料盘子里。在注射单个起泡之前，一个合适的硬化时间是在60度的烤箱下进行10分钟。10分钟过后，用针注入一个圆形的起泡然后再放入烤箱烤10分钟。最后，这个样品被切成利于老化实验的大小规格。这个厚度的样品可以用来在显微镜下测量。对于这个实验，每个样品的厚度是2mm±150µm。

1.2 测试样品的安装

蘑菇状的电极被用在老化实验上。五个电极被应用。图片 1显示了一个样品的图像，这个样品包含了一个圆形的空气间隙。这个厚度，h，对于每个样品是大约2mm并且这个气泡的直径是1mm。

图1 样品示意图

1.3 实验安装

局部放电测量设备是 MTRONIX MPD 600系统。MTRONIX MPD 600系统一个适用于实验室高电压设备局部放电在线测量的设备。图片 2显示这个设备被用于测量局部放电现象。这个实验包括高电压设备，高电压过滤器，一个局部放电检测器，一个USB控制器用于连接电脑通过光纤。这个系统捕捉任何在0赫兹到32赫兹的局部放电信号伴随着9千赫兹到3兆赫兹的带宽。在这个实验中，系统噪声在任何时候都是0.5pC-1pC。

图2 实验设备

2 结果和讨论

2.1 老化样品的照片

三个老化的没有被击穿的有可能包含凹凸的痕迹或者树枝的痕迹的样品用 RMC MT-7超级切割器在一个放置于-110度的氮气系统中被切割以便于提供一个包含有凹凸痕迹或者树枝痕迹的开放表面。图片 3显示了不同老化程度的显微镜照片。从图片 3可以看出，凹凸部分出现在硅胶和气泡的交界处。作者提出过凹凸部分会在领带树枝之前出现。进一步的实验将会用来检查被切样品的化学变化。

2.2 raman 显微镜技术在被切开样品分析

样品被用 Lecia 显微镜击中在气泡表面的不同的位置。所有的光谱将在3500 cm-1和100 cm-1的范围得到并且集中扫描120s，最后用SigmaPlot10进行分析。这三个样品的范围对于被老化的部分，接近老化的部分和远离老化的部分将被展示在图片4中。

三个在图片 4中的图形显示了分别描述被老化的部分，接近老化的部分和远离老化的部分的七条光谱。尤其是，1，2，3光谱描述了在图片4（a）里的老化区域，这些区域显示了硅胶的痕迹和一些荧光，但是，没有石墨碳的证据。4，5光谱（靠近老化区域的地方）6，7光谱（远离老化区域的地方）。图片4（a）是你比较类似于本身的性质的曲线。

光谱 2，6显示了在图片 4（b）里的老化区域，这些显示在1310cm-1和1590cm-1的范围有G和D的石墨碳带（图中箭头指出的部分）［11］。但是光谱 1（老化部分）仅仅显示了相似于光谱3，4和光谱5，7（靠近老化区域的地方）的硅胶的痕迹。 光谱2显示了显示出一大部分荧光的老化区域，光谱1，3显示了相似于4，5光谱（靠近老化区域的地方）6，7光谱（远离老化区域的地方）的硅胶的痕迹。

图3 在交流电场下被切割的气泡的表面的老化的显示

碳在被切气泡的老化区域的存在显示了气泡的老化过程，这些过程包括聚乙烯的含硅胶和氧的结构。这些聚乙烯的链包含了碳。碳的存在可以被发现在以前的论文里的PE样品［11］。

另外，在这些光谱中，关于硅胶的典型的峰可以在 200和 900cm-1并且这些描述老化区域和接近于老化区域的光谱的峰可以叠加到不同程度的荧光。像这样的荧光可以很平常的在Raman光谱仪中遇到。尤其是在这些被腐化的样品［12-13］。出现在这些光谱中的荧光显示出老化可以出现在气泡和硅胶的交界处。而且，它显示出离这些老化区域比较近的区域会被老化过程影响。关于为什么老化区域的光谱会没有荧光还不清楚但就像相关的老化是一个局部的现象，荧光的缺少是因为在表面以下的分析的点缺少老化区域就像 Vaughan被监测的PE样品一样［11］。

图4 被切割样品的各种位置的Raman光谱

2.3 局部放电数据

在实验过程中，会对样品进行持续的加压，为了测量局部放电在老化过程中的变化情况，本文章所介绍的仪器将被用来持续采集局部放电信号以及局部放电图形，直至样品被老化击穿。下面就是实际局部放电数据随着老化的时间的延长的变化情况。

图5 在16kV交流电压加压后实验数据

图6 在14kV交流电压加压后实验数据

图7 在13kV交流电压加压后实验数据

通过分析实验数据，发现随着时间的推移，不同的局部放电形状会出现。但通过模拟数据［2］显示，并没有什么可以解释这种现象的理论解释。这种局部放电图形的变化并没有什么规律可言。所以关于规律的研究还需要大量的实验来解释。

3 结论

为了确定是否老化过程是领带树枝发展的前提，三个包含老化区域的样品被切开来显示出凹凸的部分或者可能的领带树枝。从被显微镜获取的图片来看，凹凸部分已经在气泡和硅胶的交界处形成。

Raman光谱仪已经被用在分析被切开样品的老化区域的化学成分。老化区域，接近于老化区域的部分，远离老化区域的部分已经被扫描。被切开样品的Raman结果显示老化过程已经发生在在气泡和硅胶的交界处。并且，它显示出离这些老化区域比较近的区域会被老化过程影响。碳在被切气泡的老化区域的存在显示了气泡的老化过程，这些过程包括聚乙烯的含硅胶和氧的结构。这些聚乙烯的链包含了碳。因此，它进一步证明了凹凸部分已经才在于气泡中。另外，在这些光谱中，过于硅胶的典型的峰可以在200和900 cm-1 并且这些描述老化区域和接近于老化区域的光谱的峰可以叠加到不同程度的荧光。像这样的荧光可以很平常的在Raman光谱仪中遇到。尤其是在这些被腐化的样品。出现在这些光谱中的荧光显示出老化可以出现在气泡和硅胶的交界处。 而且，它显示出离这些老化区域比较近的区域会被老化过程影响。关于为什么老化区域的光谱会没有荧光还不清楚但就像相关的老化是一个局部的现象，荧光的缺少是因为在表面以下的分析的点缺少老化区域。

关于在老化过程当中局部放电数据的监测，从而让研究者了解到想要用局部放电数据的规律的来判断固体绝缘的老化的过程是比较困难的，因此需要用大量的实验来继续探索可能的规律发展，以及局部放电和固体绝缘材料的关系。

进一步的工作将被要求用来建立是否老化过程的下一阶段是领带树枝的形成或者是否石墨的碳的形成可以导致局部电场的畸形以至于导致瞬间的电击穿或者增加的导电性导致热击穿。

［1］ Wang L，Cavallini A，Montanari G C，et al. Patterns of partial discharge activity in XLPE:From inception to breakdown［C］//IEEE International Conference on Solid Dielectrics.IEEE，2010:1-4.

［2］ Illias，Azil H.Measurement and simulation of partial discharges within a spherical cavity in a solid dielectric material［D］.University of Southampton，2011.

［3］ Dissado L A，Fothergill J C.Electrical Degradation and Breakdown in Polymers［J］. P Peregrinus for Iee，1992:620.

［4］ Eichhorn R M. Treeing in Solid Extruded Electrical Insulation［J］.Electrical Insulation IEEE Transactions on，1977，EI-12（1）:2-18.

［5］ Mason J H. The deterioration and breakdown of dielectrics resulting from internal discharges［J］.Proceedings of the IEE -Part I: General，1951（109）:44-59.

［6］ Ichikawa H， Komori F， Hikita M，et al.Partial discharge patterns and degradation diagnosis of insulating polymers［C］// 8th International Symposium on High Voltage Engineering，ISH，Yokohama，1993:5-8.

［7］ Kim C S，Kondo T，Mizutani T.Change in PD pattern with aging［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2004，11（1）:13-18.

［8］ Morshuis P.Assessment of dielectric degradation by ultrawide-band PD detection［J］.IEEE transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，1995，2（5）:744-760.

［9］ Morshuis P H F.Partial discharge mechanisms［J］.Delft University Press，1993，51:1-4.

［10］ Reynolds S I. On the behavior of natural and artificial voids in insulation under internal discharge［J］.Transactions of the American Institute of Electrical Engineers.Part III: Power Apparatus and Systems，1958，3（77）:1604-1608.

［11］ Vaughan A S，Hosier I L，Dodd S J，et al.On the structure and chemistry of electrical trees in polyethylene［J］.Journal of Physics D: Applied Physics，2006，39（5）:962.

［12］ Coupry C，Sagon G，Gorguet-Ballesteros P.Raman spectroscopic investigation of blue contemporary textiles［J］.Journal of Raman Spectroscopy，1997，28（2-3）:85-89.

［13］ Sayers P W，Lewis T J，Llewellyn J P，et al.Investigation of the structural changes in LDPE and XLPE induced by high electrical stress［C］//Dielectric Materials， Measurements and Applications，2000.Eighth International Conference on （IEE Conf. Publ. No. 473）.IET，2000:403-407.

Study on solid insulation damage by partial discharge in power system

This paper is concerned with a simulation study to consider comparison of partial discharge measurement and simulation results for degradation processes. The experimental samples are 2mm thick samples of silicone resin that contain a single void of around 1mm diameter. Five samples are simultaneously electrically stressed under an applied ac sinusoidal voltage of 12kV for 6 hours that is then increased to 15kV until a sample fails. During the stressing period， PD data is regularly acquired. The remaining 4 samples are then inspected for signs of degradation. Preliminary results show that the aging sample is likely to be concave and convex part extends from the air gap. This paper introduces the experiment in detail， containing the photos of the aging sample and the influences on silica gel by the change of the chemical composition in electrical aging process.

Solid dielectric insulation； age； partial discharge； bubble

TM852

A

1008-1151（2016）08-0062-04

2016-07-11

白天予，男，国网天津市电力公司东丽供电分公司调控中心调度员，从事电网调控与运行研究。