李秀娟, 張 斌, 劉美兵, 謝 威, 帥選陽, 陳文卿, 劉敬銳

(浙江萬馬高分子材料集團(tuán)有限公司，杭州 311305)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展，我國的電力電纜行業(yè)也在向高壓方向發(fā)展。然而，我國使用的高壓及超高壓絕緣電纜料主要依賴進(jìn)口，非受控因素太多[1-2]。國內(nèi)浙江萬馬高分子材料集團(tuán)有限公司通過自主研發(fā)，成功產(chǎn)業(yè)化110 kV 等級(jí)的絕緣電纜料。為了提高我國高壓絕緣電纜料的競爭性，筆者選取 2種進(jìn)口的商業(yè)化高壓絕緣電纜料和2種國產(chǎn)的高壓絕緣電纜料為研究對象，基于Weibull統(tǒng)計(jì)分析對國內(nèi)外絕緣電纜料的擊穿性能可靠性進(jìn)行分析，以期為國產(chǎn)高壓絕緣電纜料的開發(fā)和選擇提供參考，同時(shí)為快速評(píng)估高壓絕緣電纜料的可靠性[3-8]提供依據(jù)。

1 雙參數(shù)Weibull統(tǒng)計(jì)分布模型及檢驗(yàn)依據(jù)

為了操作簡便，通常對采用雙參數(shù)的 Weibull分布函數(shù)擬合模型，Weibull分布[9]的累積概率函數(shù)可以表示為：

(1)

式中：E為測試所得電氣強(qiáng)度，kV/mm；α為尺度參數(shù)，可表示電氣強(qiáng)度的物理量綱，是電氣強(qiáng)度累積概率達(dá)到 63.2%時(shí)的特征電氣強(qiáng)度,kV/mm；β為形狀參數(shù)，是無量綱的特征參數(shù)，與產(chǎn)生擊穿的缺陷種類、絕緣的劣化程度及實(shí)驗(yàn)條件等有關(guān)[10-11]，其數(shù)值越大表明材料的電氣強(qiáng)度均一性越好，擊穿點(diǎn)數(shù)據(jù)越集中，材料穩(wěn)定性越好。

對式(1)進(jìn)行對數(shù)變換，可得：

(2)

Dn=Max|Fn(Ei)-F(Ei)|

(3)

式中：Ei是對電氣強(qiáng)度進(jìn)行增序排列后的新量值,kN/mm；n是總擊穿次數(shù)；i是排列序號(hào)；Fn(Ei)為累積失效概率[14]，%。

常用表征參量如平均電氣強(qiáng)度(EMTTF)也可根據(jù) Weibull參數(shù)模型計(jì)算：

(4)

式中：Γ為伽馬分布函數(shù)。

筆者結(jié)合雙參數(shù)Weibull分布統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用絕緣擊穿電場強(qiáng)度反映材料的綜合結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)點(diǎn)，尋求一種評(píng)價(jià)材料耐高電壓擊穿性能的便捷方法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料及設(shè)備

2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

產(chǎn)品YJ-110 1#、產(chǎn)品YJ-110 2#，110 kV交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜料，浙江萬馬高分子材料集團(tuán)有限公司；

進(jìn)口料A、進(jìn)口料B，國際主流110 kV XLPE絕緣電纜料。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

介電強(qiáng)度測試儀，BDJC-100型，北京北廣精儀儀器設(shè)備有限公司；

平板硫化儀，XLB-D型，湖州順力橡膠機(jī)械有限公司；

裁片機(jī)，CP-25型，江都市新真威實(shí)驗(yàn)機(jī)械有限責(zé)任公司。

2.2 試樣制備

實(shí)驗(yàn)用高壓絕緣電纜料分別為YJ-110 1#、進(jìn)口料A、進(jìn)口料B、YJ-110 2#，YJ-110 2#為YJ-110 1#的配方優(yōu)化產(chǎn)品，壓制0.5 mm厚的樣片，實(shí)驗(yàn)溫度為175～180 ℃，壓片時(shí)間為15 min。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，將試樣放入真空干燥箱內(nèi)恒溫70 ℃干燥24 h，以消除試樣壓片過程熱歷史。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

測試電極：采用固體材料介電強(qiáng)度測試儀根據(jù)GB/T 1048.1—2006 《管道元件PN(公稱壓力)的定義和選用》進(jìn)行測試，升壓速率為0.5 kV/s。實(shí)驗(yàn)電極見圖1，應(yīng)用直徑為20 mm的球形電極，浸泡在變壓器油(電氣強(qiáng)度為16 kV/mm)中，防止實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生沿面閃絡(luò)。

1—電極球； 2—試樣； 3—套管； 4—導(dǎo)體棒； 5、6、7—絕緣環(huán)氧樹脂板。

3 結(jié)果與討論

3.1 繪制累積失效概率曲線圖

對電氣強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到4種高壓絕緣電纜料的電氣強(qiáng)度的數(shù)值統(tǒng)計(jì)(見表1)，累積失效概率由式(4)求得。由表1可以看出：4種高壓絕緣電纜料的電氣強(qiáng)度相差無幾，說明國內(nèi)的YJ-110 1#、YJ-110 2#高壓絕緣電纜料擊穿性能達(dá)到國際水平。

表1 4種高壓緣緣料的電氣強(qiáng)度

3.2 求解Weibull分布各參數(shù)

為了進(jìn)一步確定4種高壓絕緣電纜料電氣強(qiáng)度的可靠性，應(yīng)用Weibull分布深入分析，假設(shè)位置參數(shù)為0，得到雙參數(shù)Weibull分布函數(shù)，利用等式變換進(jìn)行作圖分析。應(yīng)用Origin軟件進(jìn)行作圖，由式(1)和式(2)求出4種高壓絕緣電纜料的直線擬合圖，根據(jù)擬合數(shù)據(jù)求出4種累積失效概率的分布函數(shù)。

根據(jù)擬合曲線參數(shù)求得雙參數(shù)weibull分布的形狀參數(shù)與尺度參數(shù)。結(jié)合4種高壓絕緣電纜料的Weibull分布函數(shù)曲線圖(見圖2)，求出4種高壓絕緣電纜料的Weibull線性擬合曲線各參數(shù)，得到累積失效概率函數(shù)的各項(xiàng)參數(shù)(見表2)。

圖2 4種高壓絕緣料的Weibull分布函數(shù)曲線圖

表2 累積失效概率函數(shù)的各項(xiàng)參數(shù)

由圖2和和表2可以看出：YJ-110 1#、YJ-110 2#已具備了國外同類產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，達(dá)到國際水平。YJ-110 2#是YJ-110 1#的改進(jìn)產(chǎn)品，已經(jīng)具備更優(yōu)的綜合可靠性性能，在保持較高的尺度參數(shù)的同時(shí)也具有更大的形狀參數(shù)，說明YJ-110 2#能夠保障電纜在較高的電場下不發(fā)生擊穿故障，保障高壓絕緣電纜在更高的電場下穩(wěn)定運(yùn)行；尺度參數(shù)和形狀參數(shù)對材料介電性能的可靠性復(fù)合影響可通過平均電氣強(qiáng)度進(jìn)行體現(xiàn)，為后續(xù)評(píng)判可靠性增加新依據(jù)。

3.3 應(yīng)用K-S檢驗(yàn)法檢驗(yàn)擬合曲線結(jié)果

Dn檢驗(yàn)法[13]是將k個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按從小到大的順序排列，根據(jù)假設(shè)的分布，計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)對應(yīng)的累積概率函數(shù)Fo(Ei)，將其與經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)Fk(Ei)進(jìn)行比較，確定其中差值最大的絕對值，即檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Dk的觀測值。將Dk與臨界值Dk,a進(jìn)行比較，滿足下列條件，則接受原假設(shè)，否則拒絕原假設(shè)。

Dk=sup|Fk(Ei)-Fo(Ei)|=max{di}≤Dk,α

(5)

檢驗(yàn)后，確定高壓絕緣電纜料的電氣強(qiáng)度可靠性參數(shù)(見表3～表6)。

表3 YJ-110 1#的電氣強(qiáng)度假設(shè)線性回歸數(shù)據(jù)整理表

由表3～表6可以看出：對于YJ-110 1#，Max{di}=0.208 9，Dk,a=0.315 0，Max{di}≤Dk,a，接受原假設(shè)，符合線性相關(guān)；對于進(jìn)口料A，Max{di}=0.225 2，Dk,a=0.315 0，Max{di}≤Dk,a，接受原假設(shè)，符合線性相關(guān)；對于進(jìn)口料B，Max{di}=0.117 3，Dk,a=0.315 0，Max{di}≤Dk,a，接受原假設(shè)，符合線性相關(guān)；對于YJ-110 2#，Max{di}=0.118 8，Dk,a=0.315 0，Max{di}≤Dk,a，接受原假設(shè)，符合線性相關(guān)。

表4 進(jìn)口料A的電氣強(qiáng)度假設(shè)線性回歸數(shù)據(jù)整理表

表5 進(jìn)口料B的電氣強(qiáng)度假設(shè)線性回歸數(shù)據(jù)整理表

表6 YJ-110 2#的電氣強(qiáng)度假設(shè)線性回歸數(shù)據(jù)整理表

由K-S檢驗(yàn)結(jié)果可以看出：應(yīng)用Weibull分布對電氣強(qiáng)度進(jìn)行擬合，4種高壓絕緣電纜料均符合弱點(diǎn)擊穿特點(diǎn)，YJ-110 1#與YJ-110 2#的擬合度均符合要求，其中YJ-110 2#的擬合情況較好。

通過Weibull分布擬合分析4種高壓絕緣電纜料擊穿性能發(fā)現(xiàn)，YJ-110 1#、YJ-110 2#擊穿性能與國外廠家性能相近，YJ-110 2#性能最優(yōu)。

4 結(jié)語

(1)4種高壓絕緣電纜料的電氣強(qiáng)度相近，YJ-110 1#，YJ-110 2#的各項(xiàng)參數(shù)介于進(jìn)口料之間，其中YJ-110 2#綜合性能最優(yōu)。

(2)國產(chǎn)高壓絕緣電纜料(YJ-110 1#、YJ-110 2#)的電氣強(qiáng)度可靠性已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，電氣強(qiáng)度均一性好，同時(shí)累積失效概率為63.2%處的電氣強(qiáng)度也較大，對國產(chǎn)高壓絕緣電纜料的可靠性分析提供新依據(jù)。

(3)通過K-S檢驗(yàn)，驗(yàn)證了雙參數(shù)Webull分布的有效性，為快速有效評(píng)估高壓絕緣電纜料的可靠性提供新的檢驗(yàn)依據(jù)。