馬宏明 胡南南 黑穎頓 楊 鑫

(1云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 昆明 650217)

(2長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410114)

1 引言

近十年來(lái)，高溫超導(dǎo)電力裝置的研制水平得到了極大的提高［1-5］，其電壓等級(jí)也在往輸電電壓等級(jí)發(fā)展，因而，對(duì)液氮環(huán)境中絕緣材料的電氣性能研究愈加重要［6-9］。聚酰亞胺薄膜(Polyimide)，聚丙烯層壓紙(polypropylene laminated paper，簡(jiǎn)稱PPLP)和聚四氟乙烯薄膜(polytetrafluoroethylene，簡(jiǎn)稱PTFE)已被證實(shí)在液氮中具有良好的電氣性能［10-11］，是常用的低溫薄膜絕緣材料。

絕緣薄膜一般用于繞包型絕緣部件，使用時(shí)以一定的張力繞包于導(dǎo)體上，薄膜會(huì)承受一定的拉伸應(yīng)力。液氮中，薄膜的絕緣強(qiáng)度會(huì)隨著拉伸應(yīng)力的改變而改變，因而，需要對(duì)液氮中一定拉伸應(yīng)力范圍內(nèi)薄膜材料絕緣強(qiáng)度的變化情況進(jìn)行研究，而該領(lǐng)域研究所見(jiàn)報(bào)道較少。文獻(xiàn)［12-13］通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了Polyimide，PPLP和PTFE 3種薄膜在液氮中不同拉伸應(yīng)力下的交流和直流絕緣強(qiáng)度。

沖擊絕緣強(qiáng)度也是衡量絕緣材料電氣性能的重要指標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)的試品拉伸狀態(tài)擊穿試驗(yàn)裝置測(cè)量了Polyimide，PPLP和PTFE 3種薄膜材料在液氮中的沖擊絕緣強(qiáng)度，并用Weibull概率分布的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了3種材料50%擊穿概率和0.1%擊穿概率的沖擊絕緣強(qiáng)度，為繞包型絕緣結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)電力裝置的絕緣設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置和接線方式如圖1所示。實(shí)驗(yàn)電源為400 kV沖擊電壓發(fā)生器，用于提供標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波。選用BHT400 kV弱阻尼電容式分壓器(變比為420∶1)用于電壓測(cè)量。液氮盛放于長(zhǎng)、寬、高分別為450，350和450 mm的泡沫容器中。

拉伸狀態(tài)絕緣測(cè)試裝置連同試品一起浸漬于液氮環(huán)境。如圖1上方的細(xì)節(jié)展示所示，薄膜試品夾于兩塊環(huán)氧板塊的電極中間，上端固定，下端懸掛不同質(zhì)量的砝碼，使試品處于不同的拉伸狀態(tài)。

拉伸狀態(tài)絕緣測(cè)試裝置共設(shè)計(jì)5對(duì)相同的電極，從上至下依次排列，因而，同一試品，可連續(xù)進(jìn)行5次相同的擊穿實(shí)驗(yàn)。5對(duì)電極均為棒-棒電極，棒電極的直徑為6 mm，頂端削成直徑2 mm的倒角，分別固定于固定環(huán)氧板塊和移動(dòng)環(huán)氧板塊內(nèi)［14］。

以超導(dǎo)電纜本體為例，PPLP繞包于通流導(dǎo)體上時(shí)，一般承受的繞包張力為4ˉ9 N［15］;同時(shí)考慮泡沫容器的承受能力，砝碼質(zhì)量分別選擇0.5，1和2 kg共3種，在液氮中對(duì)試品的拉伸力分別為4.01，8.036 和16.07 N。

試品所受的拉伸應(yīng)力σ可由式(1)計(jì)算。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及接線圖Fig.1 Figure of experiment setup and wiring method

式(1)中，F(xiàn)為砝碼對(duì)試品的拉力，N;w為試品寬度，mm;t為試品厚度，mm。3種薄膜試品的規(guī)格如表1所示。

表1 3種試品的規(guī)格Table 1 Specifications of 3 specimens

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

沖擊絕緣擊穿電壓的實(shí)驗(yàn)方法采用逐級(jí)加壓法，即首先設(shè)定一個(gè)較低的電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果沒(méi)有擊穿，則增加2 kV繼續(xù)進(jìn)行，直至試品擊穿，記錄該電壓為本次試品的擊穿電壓Vi。

不同拉伸應(yīng)力下，每種材料均進(jìn)行10次擊穿實(shí)驗(yàn)，絕緣擊穿強(qiáng)度Ei由Vi/t計(jì)算得來(lái)(Vi表示每次的擊穿電壓;t表示薄膜材料的厚度;mm)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

固體電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的數(shù)據(jù)一般遵從Weibull概率分布模型［16-17］。對(duì)于二維參數(shù)的Weibull分布，概率分布如式(2)所示:

式(2)中，E指絕緣擊穿強(qiáng)度，(kV/mm);m稱為形狀參數(shù);η稱為尺度參數(shù)。

本文對(duì)3種材料在液氮中不同拉伸應(yīng)力下的10次絕緣擊穿強(qiáng)度數(shù)據(jù)，按照Weibull概率分布的方法進(jìn)行處理，得出50%擊穿概率、0.1%擊穿概率的絕緣擊穿強(qiáng)度 E50%、E0.1%。E50%用于反映沖擊絕緣擊穿強(qiáng)度對(duì)拉伸應(yīng)力的變化規(guī)律;E0.1%則可為超導(dǎo)電力裝置的絕緣設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

Polyimide、PTFE和PPLP 3種薄膜材料在液氮中各個(gè)拉伸應(yīng)力下的沖擊絕緣強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果的韋伯分布如圖2ˉ圖4所示。

圖2 Polyimide薄膜在液氮中各個(gè)拉伸應(yīng)力下沖擊絕緣強(qiáng)度的韋伯概率分布Fig.2 Weibull plot of impulse breakdown strengths for polyimide under every tensile stress in LN2

通過(guò)Matlab軟件對(duì)沖擊絕緣強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行韋伯概率分布計(jì)算，得出液氮中3種材料拉伸狀態(tài)下的E50%和E0.1%，如表2所示。3種材料在液氮中50%擊穿概率的沖擊擊穿強(qiáng)度E50%隨拉伸應(yīng)力的變化規(guī)律如圖5所示。

圖3 PPLP在液氮中各個(gè)拉伸應(yīng)力下沖擊絕緣強(qiáng)度的韋伯概率分布Fig.3 Weibull plot of impulse breakdown strengths for PPLP under every tensile stress in LN2

圖4 PTFE薄膜在液氮中各個(gè)拉伸應(yīng)力下沖擊絕緣強(qiáng)度的韋伯概率分布Fig.4 Weibull plot of impulse breakdown strengths for PTFE under every tensile stress in LN2

表2 3種試品在液氮中各個(gè)拉伸應(yīng)力下的50%擊穿概率和0.1%擊穿概率的沖擊絕緣強(qiáng)度Table 2 Impulse dielectric strengths for 50%breakdown probability and 0.1%breakdown probability of 3 types specimens at every tensile stress in LN2

由圖5和表2中50%擊穿概率的沖擊擊穿強(qiáng)度E50%的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨拉伸應(yīng)力的增加，3種材料的沖擊擊穿強(qiáng)度均隨之下降，但下降的幅度均很小，16.07 N拉伸力時(shí)的沖擊擊穿強(qiáng)度相對(duì)于無(wú)拉伸力時(shí)，聚酰亞胺下降7.74%，PPLP下降3.26%，聚四氟乙烯下降 5.86%。

圖5 液氮中3種材料拉伸狀態(tài)下的50%擊穿概率的沖擊擊穿強(qiáng)度E50%Fig.5 Impulse breakdown strength E50%of 3 films under tension status in liquid nitrogen

3種材料的沖擊擊穿強(qiáng)度聚酰亞胺最高，介于225.120 3ˉ244.009 8 kV/mm 之間;聚四氟乙烯次之，介于 184.341 6ˉ195.823 kV/mm 之間;PPLP 最低，介于 147.9473ˉ152.933 1 kV/mm 之間。

5 結(jié)論

通過(guò)薄膜試品拉伸狀態(tài)擊穿實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)Polyimide，PPLP和PTFE共3種薄膜絕緣材料在液氮中的沖擊絕緣強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，并用Weibull概率分布的方法對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了處理，得到了液氮中3種材料50%擊穿概率和0.1%擊穿概率的沖擊絕緣強(qiáng)度隨試品承受的拉伸應(yīng)力的變化關(guān)系。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨拉伸應(yīng)力的增加，3種材料的沖擊擊穿強(qiáng)度均隨之下降，但下降的幅度均很小;3種材料的沖擊擊穿強(qiáng)度聚酰亞胺最高，聚四氟乙烯次之，PPLP最低。所得結(jié)果可為超導(dǎo)電力裝置的絕緣設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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