无机纳米颗粒抑制中压电缆终端气隙缺陷局部放电的有效性

周 凯 吴 科 万 利 杨 滴 杨明亮



无机纳米颗粒抑制中压电缆终端气隙缺陷局部放电的有效性

周 凯 吴 科 万 利 杨 滴 杨明亮

（四川大学电气信息学院 成都 610065）

针对中压电缆终端气隙缺陷中的局部放电（PD）导致终端绝缘迅速劣化的问题，提出了一种在气隙缺陷处填充TiO2复合涂料抑制终端PD的方法，从终端PD特征及缺陷表面的微观形貌特征两方面研究了TiO2复合涂料填充对缺陷处绝缘的影响。通过在10kV电缆终端中设计典型的气隙缺陷，并在缺陷处填充复合涂料进行电热老化对比试验，测试分析了不同老化时刻下终端的PD特征，并对老化后期缺陷的表面形貌特征进行分析。通过建立气隙缺陷的有限元模型，结合电场仿真进一步阐述复合涂料填充对终端PD及缺陷表面形貌特征的影响机制。研究结果表明：填充TiO2复合涂料后终端PD放电能量得到大幅减小，随着老化时间的增加，终端放电重复率及放电相位分布差异较小；气隙缺陷表面较平整，填充后团聚物中碳含量降低了31%，验证了气隙缺陷处填充TiO2复合涂料可以抑制终端PD发展，并减缓终端绝缘的劣化。

电缆终端 气隙缺陷 局部放电 复合涂料 放电能量

0 引言

电缆终端是电缆线路运行过程中的薄弱环节和故障多发部位。电缆线路运行故障统计数据表明，不计及外力破坏原因，中压电缆由于安装工艺导致的终端绝缘故障频发[1-3]。电缆终端安装过程中，外半导电层普遍采用刀具进行剖切剥离，由于刀具进刀深度不易控制，在实际剥离过程中往往会在主绝缘表面留下气隙缺陷[3,4]。终端气隙缺陷会引起气隙缺陷内部电场畸变，畸变电场在短时间内不会对主绝缘造成损伤甚至往往能顺利通过交接试验。然而，随着电缆终端投入运行时间的增加，气隙缺陷处畸变电场导致的局部放电（Partial Discharge, PD）将加速终端绝缘有机物的劣化，最终导致绝缘击穿。如能在中压电缆终端安装过程中通过改进安装工艺，及时处理气隙缺陷，抑制缺陷处PD发展，对于避免终端绝缘故障具有重要意义。

已有研究表明，将无机纳米颗粒（MgO、Al2O3和SiO2等）作为填料添加到普通绝缘聚合物中对其进行改性，能够表现出许多明显区别于普通聚合物的特殊性能，特别是在介电[5,6]（如空间电荷驻留、击穿性能及耐电压能力等）、机械、导热等方面性能[7,8]。此外，无机纳米颗粒的粒径及填充质量百分数[9,10]将直接影响纳米复合电介质的介电性能[11,12]。然而已有的研究成果主要针对普通聚合物进行无机纳米颗粒填充改性，并未涉及对中压电缆终端绝缘结构中常有的气隙缺陷进行无机纳米复合涂料填充以改善终端PD特性的研究报道。利用TiO2复合涂料填充终端气隙缺陷，改善终端气隙缺陷处电场分布，抑制PD对有机绝缘材料的烧蚀破坏，可能有助于减少电缆终端屡屡发生的绝缘故障。

本文通过在10kV电缆终端气隙缺陷处填充TiO2复合涂料，研究电缆终端在电-热老化协同作用下的PD特征及缺陷表面形貌特征。最后，建立气隙缺陷的有限元模型，结合电场仿真进一步阐述复合涂料填充对电缆终端局部放电的影响规律。

1 样本及试验

1.1 试样制备

选取8.7/10kV交联聚乙烯（XLPE）电力电缆为试验电缆，按终端安装步骤制备试样：①截取50～55cm长的电缆制作样本，两端各剥除15cm的外半导电层；②以终端主绝缘上的气隙缺陷为研究对象，使用刀具自外半导电层截断处沿电缆轴向制作长、宽、深分别为10cm、0.1mm和1mm的气隙缺陷[3]；③无机TiO2与无水乙醇及硅烷偶联剂配制成TiO2复合涂料（乙醇与偶联剂分别保证TiO2的分布均匀性和涂料粘接性），通过注射器将TiO2复合涂料填充到气隙缺陷处，如图1所示，待乙醇蒸发后，重复填充过程直至气隙缺陷填充平整，作为试验终端（编号A1），另一组终端不作涂料填充处理的作为对照样（编号A2）；④在主绝缘表面涂抹硅脂并加装热缩管，将外半导电层通过铜带接地。终端及缺陷剖面结构如图2所示。

图1 气隙缺陷处填充TiO2复合涂料

图2 气隙缺陷剖面及电缆终端结构

1.2 老化试验和局部放电检测

电缆终端通过电缆附件电热老化平台模拟真实运行工况[3,13]，电热老化平台接线如图3所示。结合缆芯截面的通流能力，通过电流互感器及调压设备在老化回路中引入320A的工作电流来模拟实际工频负荷，同时通过试验变压器和限流电阻引入0～50kV工频电压。

图3 电热老化平台与局部放电检测接线

将罗氏线圈传感器安装在终端接地线上进行PD检测[3]。为减小PD检测过程中来自设备及接线端子等的影响，PD检测时需将老化回路断开，单独提取A1、A2终端的PD参数。随后恢复试验回路继续老化，循环进行终端的电热老化与PD检测试验。

1.3 扫描电镜观测和X射线能量色散谱

为分析气隙缺陷处填充TiO2复合涂料后，通过电热老化气隙缺陷的表面形貌及纳米TiO2颗粒分布形态，从微观角度阐述填充TiO2复合涂料对于电缆终端PD特征的影响。使用扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）分别对A1、A2终端试样切片进行观察。试样经液氮淬断处理，获得整齐的气隙缺陷断面，并在试样断面喷涂一层金膜增加表面电导率，降低试样表面电荷积累造成的影响。此外，在SEM观测的基础上，通过能谱分析仪（Energy Diffraction Spectrum，EDS）对测试区域的元素成分及质量组分进行定性、定量分析。

2 试验结果

2.1 PD检测结果

PD是评估电缆终端绝缘状态的重要参数。在电缆附件电热老化平台上对A1、A2试验终端进行约50h的电热老化后检测到PD信号，待老化至300h时，A1、A2试验终端都表现出更加明显的PD特征。由于在老化过程中50h和300h的测试数据特征差异较显著，为便于对比分析，以下对终端老化50h和300h时的测试数据进行讨论。

由于PD随机性较强，通过统计的方式研究终端气隙的放电特点，绘制终端电热老化50h和300h后的PD统计结果分别如图4和图5所示。老化50h时A1终端放电统计如图4a所示，可以发现Ⅰ象限放电幅值小，散点区域分布较宽；Ⅲ象限放电幅值较大，散点区域呈“△”且面积明显增长；Ⅰ、Ⅲ象限放电重复率较高。正、负半周PD放电相位分布广泛且放电极不对称，经过校准，其平均放电量集中在5～10pC。A2终端放电统计如图4b所示，Ⅰ象限放电幅值较小，散点区域分布较窄；Ⅲ象限放电幅值大，散点区域呈“□”；Ⅰ、Ⅲ象限放电重复率较低。正、负半周PD放电相位分布较窄，平均放电量集中在100～250pC。老化300h时，A1、A2终端放电统计分别如图5a和图5b所示，与老化50h时相比，A1、A2终端的PD强度均增加。其中，A1终端从20mV增长至100mV，平均放电量集中在50～150pC；A2终端从100mV增长至300mV，平均放电量集中在250～500pC。A2终端放电重复率较A1终端增长更迅速，正、负半周的放电呈现极不对称性。

（a）A1终端(填充)

（b）A2终端（未填充）

图4 终端老化50h的PD谱图

Fig.4 PD spectrograms of cable termination after aging for 50 hours

（a）A1终端（填充）

（b）A2终端(未填充)

图5 终端老化300h的PD谱图

Fig.5 PD spectrograms of cable termination after aging for 300 hours

A1、A2终端老化50h、300h时放电特征参数分别见表1和表2，气隙缺陷填充TiO2复合涂料的A1终端PD放电能量明显低于A2终端，说明复合涂料可抑制气隙缺陷PD。由于PD的烧蚀作用会改变气隙缺陷表面形貌，而表面形貌特征又影响气隙缺陷处PD。为此，对A1、A2终端气隙缺陷的表面形貌特征作进一步测试分析。

表1 终端老化50h放电特征参数

Tab.1 Discharge characteristic parameters of the termination after aging for 50 hours

表2 终端老化300h放电特征参数

Tab.2 Discharge characteristic parameters of the termination after aging for 300 hours

2.2 扫描电镜及能谱分析结果

将A1、A2试验终端试样进行切片，观察气隙缺陷位置的表面形貌，研究老化过程中PD对缺陷表面的烧蚀。选取放大40倍对缺陷表面总体情况进行观察，再选取放大500倍进行局部细节观察。放大40倍A1终端气隙表面如图6a所示，气隙缺陷表面整体较平整，局部区域可以观察到团聚物凸起。将图6a所示矩形区域在放大500倍下观察，如图6b所示，可以发现气隙缺陷表面团聚物凸起分布散乱，大小不一。A2终端气隙表面放大40倍如图7a所示，气隙缺陷表面较粗糙，可以观察到明显的通道痕迹。将图7a所示矩形区域在放大500倍下观察，如图7b所示，可以观察到气隙缺陷表面散落着大量颗粒物，颗粒物形态较统一，分布较均匀，颗粒表面圆润光滑。进一步通过EDS分析A1、A2终端两个试样断面上形态特征并不统一的团聚物及颗粒物元素构成，能谱分析结果见表3。从表3可以发现，团聚物主要为一些含Ti元素的颗粒，这与A1终端气隙缺陷处填充了TiO2复合涂料吻合，推测这些为纳米TiO2团聚颗粒；A1终端气隙缺陷表面的团聚物中C元素质量占28.73%，A2端气隙缺陷表面的碳化颗粒中C元素质量占59.3%，可见终端气隙缺陷处TiO2复合涂料填充能有效降低PD对气隙缺陷表面的烧蚀损伤，减缓终端绝缘劣化。

（a）放大40倍

（b）放大500倍

图6 扫描电镜下A1终端气隙表面形态

Fig.6 Morphology of the air gap surface in cable termination A1observed by SEM

（a）放大40倍

（b）放大500倍

图7 扫描电镜下A2终端气隙表面形态

Fig.7 Morphology of the air gap surface in cable termination of A2observed by SEM

表3 颗粒物主要元素能谱分析结果

Tab.3 EDS analysis results of the particles

A1终端缺陷表面经PD烧蚀后较平整，等面积区域内碳质量百分比明显低于A2终端，PD对缺陷表面有机物烧蚀较轻。为避免偶然性，在35kV终端上进行了相同试验并得到了类似结果。两种电压等级的终端是否填充涂料表现出的明显差异主要与缺陷处PD特征有关，造成PD差异的原因在于缺陷处的电场分布及纳米TiO2特殊性质。为此，建立电缆终端气隙缺陷有限元模型，结合缺陷处电场分布特征及TiO2特殊性质进一步阐述终端气隙缺陷处TiO2复合涂料填充对终端PD的影响机制。

3 结果分析

3.1 电场特征

气隙缺陷处电场畸变使终端发生PD，导致终端绝缘迅速劣化，影响气隙缺陷处场强的两个重要因素是：①外施电场0；②气隙缺陷内部的表面电荷积累构成的反向电场p[14,15]。气隙内部电场构成如图8所示，合成电场t＝0-p。

图8 气隙内部电场

针对气隙缺陷处电场分布影响终端PD问题，依据10kV电缆终端实际参数建立如图9所示的终端气隙缺陷截面的有限元模型。为简化分析，A1终端气隙缺陷处填充介质设置为TiO2复合涂料，A2终端缺陷处填充介质设置为空气。沿图9b中虚线箭头方向计算终端气隙缺陷处的电场。仿真计算中，设空气1=1、TiO2复合涂料2=10、XLPE主绝缘3=2.25，热缩管4=2.8，A1、A2终端气隙缺陷处的径向电场分布如图10所示。

（a）电缆终端剖面图  （b）气隙缺陷

图10 气隙缺陷处电场分布

图10中，A1终端气隙缺陷处填充TiO2复合涂料后气隙缺陷处电场强度明显下降，缺陷处周围主绝缘电场虽有增强但其强度仍然较小，远低于XLPE的击穿场强。由于仅在终端气隙缺陷处填充了TiO2复合涂料，而未对终端其余部分进行填充，涂料的填充将对缺陷处局部区域电场分布造成影响。而对于电缆终端整体而言，这种小尺寸气隙缺陷TiO2复合涂料的填充对电缆终端电场的影响可以忽略，不会影响终端的正常运行。

反向电场p与气隙缺陷表面电荷耗散速度有关，而气隙缺陷的表面电导率s直接影响缺陷表面电荷耗散速度，s越大，电荷耗散速度越快，反向电场p则越弱[16-18]。结合图6和图7可以发现，A1、A2终端在老化300h时气隙缺陷表面形态及结构因受PD烧蚀存在显著差异，进而影响气隙缺陷的表面电导率[19,20]。

为测试终端老化50h、300h时气隙缺陷的s，以XLPE薄片为研究对象，通过在图3中引入电极系统构成表面放电老化试验平台，电极系统包括柱电极、环氧树脂板及接地电极。柱电极使用不锈钢材料制作，直径为5cm，边缘曲率半径1mm，接地电极为直径10cm的铜板，XLPE薄片厚度为2mm。老化试验前先用无水乙醇清洗薄片表面，并将薄片置入烘箱中烘干。薄片表面一组喷涂TiO2复合涂料，另一组清洗后不作任何处理的作为对照试样。对XLPE薄片进行老化，放电区域及表面烧蚀区域如图11所示。借助ZC36型高阻计对烧蚀区域的s进行测试，测试结果见表4。

图11 试样放电区域及烧蚀区域

表4 不同老化时刻下气隙缺陷的表面电导率

Tab.4 Surface conductivity of the specimens at different aging time

表4中，A1、A2终端老化300h时气隙缺陷的s较老化50h时得到显著提高，缺陷表面电荷耗散加快，进一步削弱反向电场p。因此，老化300h时A1、A2终端气隙缺陷处的合成电场t幅值更大，终端放电幅值进一步提高，这与实际的PD测试结果相吻合。

3.2 局部放电特征

图8中，气隙缺陷表面电荷在电场切向分量及电荷间相互作用下沿气隙缺陷表面进行耗散，s越大，电荷耗散越快[19]。此外，异号电荷相互中和，会进一步减少缺陷表面电荷数量。

在纳米TiO2颗粒与XLPE的界面作用下，纳米粒子与高聚物构成的界面形成大量的浅陷阱[14,21,22]。影响PD的两个重要因素：①电荷的驻留效应；②初始电子发射的难易程度，初始电子发射与陷阱的能级有关，陷阱能级越浅，电子越容易脱陷[14,22]。由于A1终端浅陷阱数量较多，初始电子较A2终端更易发射，从而导致A1终端放电重复率明显高于A2终端。另外，无机纳米TiO2耐PD烧蚀，纳米粒子与聚合物构成的界面陷阱数量在终端老化300h时增加不明显。表4中，A1终端气隙缺陷的s在老化300h时得到明显提高，降低了气隙的表面电荷数量及反向电场强度p，增强了合成电场t，放电幅值进一步提高。这与图4a、图5a相吻合，即A1终端老化50h时PD谱图表现出的放电重复率高、放电幅值小以及放电相位分布较广；老化300h时，放电重复率和放电幅值得到进一步提高。

A2终端老化300h时放电重复率明显提高，主要原因在于XLPE在PD烧蚀作用下发生降解和炭化，使缺陷表面浅陷阱数量增加，初始电子更易发射[21]。结合表4可以发现，表面放电老化试验进行300h时，A2终端气隙缺陷的s提高了3个数量级，从而导致缺陷表面电荷的耗散更加迅速与合成电场t的进一步增强，这与图5b中A2终端放电重复率、放电幅值在终端老化300h时得到进一步提高的发展趋势相吻合。

结合图4和图5可以发现，电缆终端在不同老化时刻下正、负半波的放电极不对称。其原因在于气隙缺陷位置靠近终端半导电层截断处，接近地电位，当外施工频电压位于负半周时，初始电子更易获取，负半波更容易产生放电。因此放电在正半波放电量大，放电次数少；负半波放电量小，放电次数多。此外，放电过程中，气隙处绝缘烧蚀导致的结构与参数变化，使气隙处的放电比较复杂，除了内部放电，在气隙处仍然存在其他形式的放电，如沿气隙内壁的表面放电和幅值较大的单极性放电，进一步增加了放电在正负半波的不对称性[23]。

电缆终端气隙缺陷处TiO2复合涂料的填充不仅对气隙缺陷进行了填充修补，同时也改善了由于缺陷造成的电缆终端绝缘结构的不对称性。此外，TiO2在气隙缺陷表面形成一层无机保护层，能有效阻挡PD产生的带电粒子及高能辐射线对有机物层的破坏，有利于电缆的长期运行[24,25]。

3.3 缺陷表面形貌特征

结合图6和图7可以发现，A1、A2终端气隙缺陷表面形貌特征存在显著差异。A1终端缺陷表面烧蚀程度明显低于A2终端，其主要原因在于偶联剂的引入使TiO2复合涂料与主绝缘之间具有一定的粘接性，纳米级的TiO2因其特殊的表面效应，吸附能力强，有效消除了主绝缘与TiO2复合涂料之间的间隙，缺陷表面的无机TiO2能有效吸收高能射线（如紫外线）的能量，将高能射线阻挡在无机层之外，放电过程产生的高能粒子在撞击纳米TiO2粒子时，大部分能量耗散在与纳米TiO2粒子碰撞的过程 中[24,25]。另外，无机TiO2的引入增加了气隙缺陷的表面电导率，使气隙表面电荷不容易累积，减小了反向电场的强度和放电量，这说明气隙缺陷处TiO2复合涂料的填充有改善电场的作用。

A2终端缺陷表面受到严重烧蚀的原因在于高能粒子、紫外线和化学氧化等直接作用于XLPE材料。随着放电烧蚀的进行，缺陷表面XLPE被逐渐炭化，表面的碳颗粒数量多并且分布也比较均匀，从而导致缺陷的s增加，这与表4的测试结果相 吻合。

由表3可以发现，终端填充TiO2复合涂料后，在气隙缺陷表面等面积区域内碳元素质量含量由59.30%下降到28.73%，降低显著。表明在电缆终端气隙缺陷处填充TiO2复合涂料能够有效抑制终端气隙处PD对XLPE的烧蚀损伤，减缓终端绝缘的劣化速度。

4 结论

本文将有机-无机TiO2复合电介质涂料填充到电缆终端气隙缺陷处，利用电缆附件电热老化与检测分析平台对终端PD特征及气隙缺陷表面形貌特征进行分析，结论如下。

1）在气隙缺陷处填充TiO2复合涂料能有效降低终端放电幅值，放电重复率随终端老化试验的进行差异较小。

2）无机纳米TiO2在终端气隙缺陷表面发生团聚并形成无机保护层，不仅加速了缺陷表面电荷耗散，而且能有效阻止PD对XLPE的烧蚀损伤。

3）在电缆终端气隙缺陷处填充TiO2复合涂料能有效降低电缆终端的PD放电能量，减缓终端绝缘有机物的劣化速度。

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Validity of Inorganic Nano-Particles on the Suppression of Partial Discharge in Air Gap Defects for Medium Voltage Cable Terminations

（School of Electrical Engineering and Information Sichuan University Chengdu 610065 China）

To avoid insulation deterioration caused by partial discharge (PD) in air gap defects of medium voltage cable terminations, a new method of suppressing PD was presented by filling nano-TiO2composite coatings into the defects. The influence on insulation was investigated by analyzing PD characteristics and surface morphology of the defect. The defects were designed and the electrical-thermal aging experiments were performed in a 10kV termination. PD characteristics and surface morphology were analyzed. Moreover, the finite element model of the defect was established to discuss the impact mechanism of the composite coatings to PD and surface morphology. The results show that PD energy reduces significantly after filling the composite coatings, and the discharge repetition rate and phase distribution difference are not obvious with the increasing of aging time. In addition, the surface of the defect is smooth and carbon content of the agglomerated particles decreases by 31%. It is also indicated that nano-TiO2composite coatings can suppress PD development and retard insulation deterioration.

Cable termination, air gap defect, partial discharge, composite coating, discharge energy

TM21

国家自然科学基金资助项目（51477106）。

2015-02-28 改稿日期 2015-09-22

周 凯 男，1975年生，教授，硕士生导师，研究方向为电力设备状态监测与故障诊断。E-mail: zhoukai_scu@163.com

吴 科 男，1990年生，硕士，研究方向为电力设备状态监测与故障诊断。E-mail: wukesc@163.com（通信作者）