周 凱 吳 科 萬(wàn) 利 楊 滴 楊明亮

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無(wú)機(jī)納米顆粒抑制中壓電纜終端氣隙缺陷局部放電的有效性

周 凱 吳 科 萬(wàn) 利 楊 滴 楊明亮

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 成都 610065）

針對(duì)中壓電纜終端氣隙缺陷中的局部放電（PD）導(dǎo)致終端絕緣迅速劣化的問(wèn)題，提出了一種在氣隙缺陷處填充TiO2復(fù)合涂料抑制終端PD的方法，從終端PD特征及缺陷表面的微觀形貌特征兩方面研究了TiO2復(fù)合涂料填充對(duì)缺陷處絕緣的影響。通過(guò)在10kV電纜終端中設(shè)計(jì)典型的氣隙缺陷，并在缺陷處填充復(fù)合涂料進(jìn)行電熱老化對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試分析了不同老化時(shí)刻下終端的PD特征，并對(duì)老化后期缺陷的表面形貌特征進(jìn)行分析。通過(guò)建立氣隙缺陷的有限元模型，結(jié)合電場(chǎng)仿真進(jìn)一步闡述復(fù)合涂料填充對(duì)終端PD及缺陷表面形貌特征的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明：填充TiO2復(fù)合涂料后終端PD放電能量得到大幅減小，隨著老化時(shí)間的增加，終端放電重復(fù)率及放電相位分布差異較?。粴庀度毕荼砻孑^平整，填充后團(tuán)聚物中碳含量降低了31%，驗(yàn)證了氣隙缺陷處填充TiO2復(fù)合涂料可以抑制終端PD發(fā)展，并減緩終端絕緣的劣化。

電纜終端 氣隙缺陷 局部放電 復(fù)合涂料 放電能量

0 引言

電纜終端是電纜線(xiàn)路運(yùn)行過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)和故障多發(fā)部位。電纜線(xiàn)路運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，不計(jì)及外力破壞原因，中壓電纜由于安裝工藝導(dǎo)致的終端絕緣故障頻發(fā)[1-3]。電纜終端安裝過(guò)程中，外半導(dǎo)電層普遍采用刀具進(jìn)行剖切剝離，由于刀具進(jìn)刀深度不易控制，在實(shí)際剝離過(guò)程中往往會(huì)在主絕緣表面留下氣隙缺陷[3,4]。終端氣隙缺陷會(huì)引起氣隙缺陷內(nèi)部電場(chǎng)畸變，畸變電場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)對(duì)主絕緣造成損傷甚至往往能順利通過(guò)交接試驗(yàn)。然而，隨著電纜終端投入運(yùn)行時(shí)間的增加，氣隙缺陷處畸變電場(chǎng)導(dǎo)致的局部放電（Partial Discharge, PD）將加速終端絕緣有機(jī)物的劣化，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。如能在中壓電纜終端安裝過(guò)程中通過(guò)改進(jìn)安裝工藝，及時(shí)處理氣隙缺陷，抑制缺陷處PD發(fā)展，對(duì)于避免終端絕緣故障具有重要意義。

已有研究表明，將無(wú)機(jī)納米顆粒（MgO、Al2O3和SiO2等）作為填料添加到普通絕緣聚合物中對(duì)其進(jìn)行改性，能夠表現(xiàn)出許多明顯區(qū)別于普通聚合物的特殊性能，特別是在介電[5,6]（如空間電荷駐留、擊穿性能及耐電壓能力等）、機(jī)械、導(dǎo)熱等方面性能[7,8]。此外，無(wú)機(jī)納米顆粒的粒徑及填充質(zhì)量百分?jǐn)?shù)[9,10]將直接影響納米復(fù)合電介質(zhì)的介電性能[11,12]。然而已有的研究成果主要針對(duì)普通聚合物進(jìn)行無(wú)機(jī)納米顆粒填充改性，并未涉及對(duì)中壓電纜終端絕緣結(jié)構(gòu)中常有的氣隙缺陷進(jìn)行無(wú)機(jī)納米復(fù)合涂料填充以改善終端PD特性的研究報(bào)道。利用TiO2復(fù)合涂料填充終端氣隙缺陷，改善終端氣隙缺陷處電場(chǎng)分布，抑制PD對(duì)有機(jī)絕緣材料的燒蝕破壞，可能有助于減少電纜終端屢屢發(fā)生的絕緣故障。

本文通過(guò)在10kV電纜終端氣隙缺陷處填充TiO2復(fù)合涂料，研究電纜終端在電-熱老化協(xié)同作用下的PD特征及缺陷表面形貌特征。最后，建立氣隙缺陷的有限元模型，結(jié)合電場(chǎng)仿真進(jìn)一步闡述復(fù)合涂料填充對(duì)電纜終端局部放電的影響規(guī)律。

1 樣本及試驗(yàn)

1.1 試樣制備

選取8.7/10kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜為試驗(yàn)電纜，按終端安裝步驟制備試樣：①截取50～55cm長(zhǎng)的電纜制作樣本，兩端各剝除15cm的外半導(dǎo)電層；②以終端主絕緣上的氣隙缺陷為研究對(duì)象，使用刀具自外半導(dǎo)電層截?cái)嗵幯仉娎|軸向制作長(zhǎng)、寬、深分別為10cm、0.1mm和1mm的氣隙缺陷[3]；③無(wú)機(jī)TiO2與無(wú)水乙醇及硅烷偶聯(lián)劑配制成TiO2復(fù)合涂料（乙醇與偶聯(lián)劑分別保證TiO2的分布均勻性和涂料粘接性），通過(guò)注射器將TiO2復(fù)合涂料填充到氣隙缺陷處，如圖1所示，待乙醇蒸發(fā)后，重復(fù)填充過(guò)程直至氣隙缺陷填充平整，作為試驗(yàn)終端（編號(hào)A1），另一組終端不作涂料填充處理的作為對(duì)照樣（編號(hào)A2）；④在主絕緣表面涂抹硅脂并加裝熱縮管，將外半導(dǎo)電層通過(guò)銅帶接地。終端及缺陷剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 氣隙缺陷處填充TiO2復(fù)合涂料

圖2 氣隙缺陷剖面及電纜終端結(jié)構(gòu)

1.2 老化試驗(yàn)和局部放電檢測(cè)

電纜終端通過(guò)電纜附件電熱老化平臺(tái)模擬真實(shí)運(yùn)行工況[3,13]，電熱老化平臺(tái)接線(xiàn)如圖3所示。結(jié)合纜芯截面的通流能力，通過(guò)電流互感器及調(diào)壓設(shè)備在老化回路中引入320A的工作電流來(lái)模擬實(shí)際工頻負(fù)荷，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)變壓器和限流電阻引入0～50kV工頻電壓。

圖3 電熱老化平臺(tái)與局部放電檢測(cè)接線(xiàn)

將羅氏線(xiàn)圈傳感器安裝在終端接地線(xiàn)上進(jìn)行PD檢測(cè)[3]。為減小PD檢測(cè)過(guò)程中來(lái)自設(shè)備及接線(xiàn)端子等的影響，PD檢測(cè)時(shí)需將老化回路斷開(kāi)，單獨(dú)提取A1、A2終端的PD參數(shù)。隨后恢復(fù)試驗(yàn)回路繼續(xù)老化，循環(huán)進(jìn)行終端的電熱老化與PD檢測(cè)試驗(yàn)。

1.3 掃描電鏡觀測(cè)和X射線(xiàn)能量色散譜

為分析氣隙缺陷處填充TiO2復(fù)合涂料后，通過(guò)電熱老化氣隙缺陷的表面形貌及納米TiO2顆粒分布形態(tài)，從微觀角度闡述填充TiO2復(fù)合涂料對(duì)于電纜終端PD特征的影響。使用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分別對(duì)A1、A2終端試樣切片進(jìn)行觀察。試樣經(jīng)液氮淬斷處理，獲得整齊的氣隙缺陷斷面，并在試樣斷面噴涂一層金膜增加表面電導(dǎo)率，降低試樣表面電荷積累造成的影響。此外，在SEM觀測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)能譜分析儀（Energy Diffraction Spectrum，EDS）對(duì)測(cè)試區(qū)域的元素成分及質(zhì)量組分進(jìn)行定性、定量分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 PD檢測(cè)結(jié)果

PD是評(píng)估電纜終端絕緣狀態(tài)的重要參數(shù)。在電纜附件電熱老化平臺(tái)上對(duì)A1、A2試驗(yàn)終端進(jìn)行約50h的電熱老化后檢測(cè)到PD信號(hào)，待老化至300h時(shí)，A1、A2試驗(yàn)終端都表現(xiàn)出更加明顯的PD特征。由于在老化過(guò)程中50h和300h的測(cè)試數(shù)據(jù)特征差異較顯著，為便于對(duì)比分析，以下對(duì)終端老化50h和300h時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。

由于PD隨機(jī)性較強(qiáng)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方式研究終端氣隙的放電特點(diǎn)，繪制終端電熱老化50h和300h后的PD統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如圖4和圖5所示。老化50h時(shí)A1終端放電統(tǒng)計(jì)如圖4a所示，可以發(fā)現(xiàn)Ⅰ象限放電幅值小，散點(diǎn)區(qū)域分布較寬；Ⅲ象限放電幅值較大，散點(diǎn)區(qū)域呈“△”且面積明顯增長(zhǎng)；Ⅰ、Ⅲ象限放電重復(fù)率較高。正、負(fù)半周PD放電相位分布廣泛且放電極不對(duì)稱(chēng)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，其平均放電量集中在5～10pC。A2終端放電統(tǒng)計(jì)如圖4b所示，Ⅰ象限放電幅值較小，散點(diǎn)區(qū)域分布較窄；Ⅲ象限放電幅值大，散點(diǎn)區(qū)域呈“□”；Ⅰ、Ⅲ象限放電重復(fù)率較低。正、負(fù)半周PD放電相位分布較窄，平均放電量集中在100～250pC。老化300h時(shí)，A1、A2終端放電統(tǒng)計(jì)分別如圖5a和圖5b所示，與老化50h時(shí)相比，A1、A2終端的PD強(qiáng)度均增加。其中，A1終端從20mV增長(zhǎng)至100mV，平均放電量集中在50～150pC；A2終端從100mV增長(zhǎng)至300mV，平均放電量集中在250～500pC。A2終端放電重復(fù)率較A1終端增長(zhǎng)更迅速，正、負(fù)半周的放電呈現(xiàn)極不對(duì)稱(chēng)性。

（a）A1終端(填充)

（b）A2終端（未填充）

圖4 終端老化50h的PD譜圖

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

（a）A1終端（填充）

（b）A2終端(未填充)

圖5 終端老化300h的PD譜圖

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

A1、A2終端老化50h、300h時(shí)放電特征參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2，氣隙缺陷填充TiO2復(fù)合涂料的A1終端PD放電能量明顯低于A2終端，說(shuō)明復(fù)合涂料可抑制氣隙缺陷PD。由于PD的燒蝕作用會(huì)改變氣隙缺陷表面形貌，而表面形貌特征又影響氣隙缺陷處PD。為此，對(duì)A1、A2終端氣隙缺陷的表面形貌特征作進(jìn)一步測(cè)試分析。

表1 終端老化50h放電特征參數(shù)

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

表2 終端老化300h放電特征參數(shù)

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

2.2 掃描電鏡及能譜分析結(jié)果

將A1、A2試驗(yàn)終端試樣進(jìn)行切片，觀察氣隙缺陷位置的表面形貌，研究老化過(guò)程中PD對(duì)缺陷表面的燒蝕。選取放大40倍對(duì)缺陷表面總體情況進(jìn)行觀察，再選取放大500倍進(jìn)行局部細(xì)節(jié)觀察。放大40倍A1終端氣隙表面如圖6a所示，氣隙缺陷表面整體較平整，局部區(qū)域可以觀察到團(tuán)聚物凸起。將圖6a所示矩形區(qū)域在放大500倍下觀察，如圖6b所示，可以發(fā)現(xiàn)氣隙缺陷表面團(tuán)聚物凸起分布散亂，大小不一。A2終端氣隙表面放大40倍如圖7a所示，氣隙缺陷表面較粗糙，可以觀察到明顯的通道痕跡。將圖7a所示矩形區(qū)域在放大500倍下觀察，如圖7b所示，可以觀察到氣隙缺陷表面散落著大量顆粒物，顆粒物形態(tài)較統(tǒng)一，分布較均勻，顆粒表面圓潤(rùn)光滑。進(jìn)一步通過(guò)EDS分析A1、A2終端兩個(gè)試樣斷面上形態(tài)特征并不統(tǒng)一的團(tuán)聚物及顆粒物元素構(gòu)成，能譜分析結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚物主要為一些含Ti元素的顆粒，這與A1終端氣隙缺陷處填充了TiO2復(fù)合涂料吻合，推測(cè)這些為納米TiO2團(tuán)聚顆粒；A1終端氣隙缺陷表面的團(tuán)聚物中C元素質(zhì)量占28.73%，A2端氣隙缺陷表面的碳化顆粒中C元素質(zhì)量占59.3%，可見(jiàn)終端氣隙缺陷處TiO2復(fù)合涂料填充能有效降低PD對(duì)氣隙缺陷表面的燒蝕損傷，減緩終端絕緣劣化。

（a）放大40倍

（b）放大500倍

圖6 掃描電鏡下A1終端氣隙表面形態(tài)

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

（a）放大40倍

（b）放大500倍

圖7 掃描電鏡下A2終端氣隙表面形態(tài)

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

表3 顆粒物主要元素能譜分析結(jié)果

Tab.3 EDS analysis results of the particles

A1終端缺陷表面經(jīng)PD燒蝕后較平整，等面積區(qū)域內(nèi)碳質(zhì)量百分比明顯低于A2終端，PD對(duì)缺陷表面有機(jī)物燒蝕較輕。為避免偶然性，在35kV終端上進(jìn)行了相同試驗(yàn)并得到了類(lèi)似結(jié)果。兩種電壓等級(jí)的終端是否填充涂料表現(xiàn)出的明顯差異主要與缺陷處PD特征有關(guān)，造成PD差異的原因在于缺陷處的電場(chǎng)分布及納米TiO2特殊性質(zhì)。為此，建立電纜終端氣隙缺陷有限元模型，結(jié)合缺陷處電場(chǎng)分布特征及TiO2特殊性質(zhì)進(jìn)一步闡述終端氣隙缺陷處TiO2復(fù)合涂料填充對(duì)終端PD的影響機(jī)制。

3 結(jié)果分析

3.1 電場(chǎng)特征

氣隙缺陷處電場(chǎng)畸變使終端發(fā)生PD，導(dǎo)致終端絕緣迅速劣化，影響氣隙缺陷處場(chǎng)強(qiáng)的兩個(gè)重要因素是：①外施電場(chǎng)0；②氣隙缺陷內(nèi)部的表面電荷積累構(gòu)成的反向電場(chǎng)p[14,15]。氣隙內(nèi)部電場(chǎng)構(gòu)成如圖8所示，合成電場(chǎng)t＝0-p。

圖8 氣隙內(nèi)部電場(chǎng)

針對(duì)氣隙缺陷處電場(chǎng)分布影響終端PD問(wèn)題，依據(jù)10kV電纜終端實(shí)際參數(shù)建立如圖9所示的終端氣隙缺陷截面的有限元模型。為簡(jiǎn)化分析，A1終端氣隙缺陷處填充介質(zhì)設(shè)置為T(mén)iO2復(fù)合涂料，A2終端缺陷處填充介質(zhì)設(shè)置為空氣。沿圖9b中虛線(xiàn)箭頭方向計(jì)算終端氣隙缺陷處的電場(chǎng)。仿真計(jì)算中，設(shè)空氣1=1、TiO2復(fù)合涂料2=10、XLPE主絕緣3=2.25，熱縮管4=2.8，A1、A2終端氣隙缺陷處的徑向電場(chǎng)分布如圖10所示。

（a）電纜終端剖面圖??（b）氣隙缺陷

圖10 氣隙缺陷處電場(chǎng)分布

圖10中，A1終端氣隙缺陷處填充TiO2復(fù)合涂料后氣隙缺陷處電場(chǎng)強(qiáng)度明顯下降，缺陷處周?chē)鹘^緣電場(chǎng)雖有增強(qiáng)但其強(qiáng)度仍然較小，遠(yuǎn)低于XLPE的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。由于僅在終端氣隙缺陷處填充了TiO2復(fù)合涂料，而未對(duì)終端其余部分進(jìn)行填充，涂料的填充將對(duì)缺陷處局部區(qū)域電場(chǎng)分布造成影響。而對(duì)于電纜終端整體而言，這種小尺寸氣隙缺陷TiO2復(fù)合涂料的填充對(duì)電纜終端電場(chǎng)的影響可以忽略，不會(huì)影響終端的正常運(yùn)行。

反向電場(chǎng)p與氣隙缺陷表面電荷耗散速度有關(guān)，而氣隙缺陷的表面電導(dǎo)率s直接影響缺陷表面電荷耗散速度，s越大，電荷耗散速度越快，反向電場(chǎng)p則越弱[16-18]。結(jié)合圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，A1、A2終端在老化300h時(shí)氣隙缺陷表面形態(tài)及結(jié)構(gòu)因受PD燒蝕存在顯著差異，進(jìn)而影響氣隙缺陷的表面電導(dǎo)率[19,20]。

為測(cè)試終端老化50h、300h時(shí)氣隙缺陷的s，以XLPE薄片為研究對(duì)象，通過(guò)在圖3中引入電極系統(tǒng)構(gòu)成表面放電老化試驗(yàn)平臺(tái)，電極系統(tǒng)包括柱電極、環(huán)氧樹(shù)脂板及接地電極。柱電極使用不銹鋼材料制作，直徑為5cm，邊緣曲率半徑1mm，接地電極為直徑10cm的銅板，XLPE薄片厚度為2mm。老化試驗(yàn)前先用無(wú)水乙醇清洗薄片表面，并將薄片置入烘箱中烘干。薄片表面一組噴涂TiO2復(fù)合涂料，另一組清洗后不作任何處理的作為對(duì)照試樣。對(duì)XLPE薄片進(jìn)行老化，放電區(qū)域及表面燒蝕區(qū)域如圖11所示。借助ZC36型高阻計(jì)對(duì)燒蝕區(qū)域的s進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

圖11 試樣放電區(qū)域及燒蝕區(qū)域

表4 不同老化時(shí)刻下氣隙缺陷的表面電導(dǎo)率

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

表4中，A1、A2終端老化300h時(shí)氣隙缺陷的s較老化50h時(shí)得到顯著提高，缺陷表面電荷耗散加快，進(jìn)一步削弱反向電場(chǎng)p。因此，老化300h時(shí)A1、A2終端氣隙缺陷處的合成電場(chǎng)t幅值更大，終端放電幅值進(jìn)一步提高，這與實(shí)際的PD測(cè)試結(jié)果相吻合。

3.2 局部放電特征

圖8中，氣隙缺陷表面電荷在電場(chǎng)切向分量及電荷間相互作用下沿氣隙缺陷表面進(jìn)行耗散，s越大，電荷耗散越快[19]。此外，異號(hào)電荷相互中和，會(huì)進(jìn)一步減少缺陷表面電荷數(shù)量。

在納米TiO2顆粒與XLPE的界面作用下，納米粒子與高聚物構(gòu)成的界面形成大量的淺陷阱[14,21,22]。影響PD的兩個(gè)重要因素：①電荷的駐留效應(yīng)；②初始電子發(fā)射的難易程度，初始電子發(fā)射與陷阱的能級(jí)有關(guān)，陷阱能級(jí)越淺，電子越容易脫陷[14,22]。由于A1終端淺陷阱數(shù)量較多，初始電子較A2終端更易發(fā)射，從而導(dǎo)致A1終端放電重復(fù)率明顯高于A2終端。另外，無(wú)機(jī)納米TiO2耐PD燒蝕，納米粒子與聚合物構(gòu)成的界面陷阱數(shù)量在終端老化300h時(shí)增加不明顯。表4中，A1終端氣隙缺陷的s在老化300h時(shí)得到明顯提高，降低了氣隙的表面電荷數(shù)量及反向電場(chǎng)強(qiáng)度p，增強(qiáng)了合成電場(chǎng)t，放電幅值進(jìn)一步提高。這與圖4a、圖5a相吻合，即A1終端老化50h時(shí)PD譜圖表現(xiàn)出的放電重復(fù)率高、放電幅值小以及放電相位分布較廣；老化300h時(shí)，放電重復(fù)率和放電幅值得到進(jìn)一步提高。

A2終端老化300h時(shí)放電重復(fù)率明顯提高，主要原因在于XLPE在PD燒蝕作用下發(fā)生降解和炭化，使缺陷表面淺陷阱數(shù)量增加，初始電子更易發(fā)射[21]。結(jié)合表4可以發(fā)現(xiàn)，表面放電老化試驗(yàn)進(jìn)行300h時(shí)，A2終端氣隙缺陷的s提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，從而導(dǎo)致缺陷表面電荷的耗散更加迅速與合成電場(chǎng)t的進(jìn)一步增強(qiáng)，這與圖5b中A2終端放電重復(fù)率、放電幅值在終端老化300h時(shí)得到進(jìn)一步提高的發(fā)展趨勢(shì)相吻合。

結(jié)合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，電纜終端在不同老化時(shí)刻下正、負(fù)半波的放電極不對(duì)稱(chēng)。其原因在于氣隙缺陷位置靠近終端半導(dǎo)電層截?cái)嗵?，接近地電位，?dāng)外施工頻電壓位于負(fù)半周時(shí)，初始電子更易獲取，負(fù)半波更容易產(chǎn)生放電。因此放電在正半波放電量大，放電次數(shù)少；負(fù)半波放電量小，放電次數(shù)多。此外，放電過(guò)程中，氣隙處絕緣燒蝕導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化，使氣隙處的放電比較復(fù)雜，除了內(nèi)部放電，在氣隙處仍然存在其他形式的放電，如沿氣隙內(nèi)壁的表面放電和幅值較大的單極性放電，進(jìn)一步增加了放電在正負(fù)半波的不對(duì)稱(chēng)性[23]。

電纜終端氣隙缺陷處TiO2復(fù)合涂料的填充不僅對(duì)氣隙缺陷進(jìn)行了填充修補(bǔ)，同時(shí)也改善了由于缺陷造成的電纜終端絕緣結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性。此外，TiO2在氣隙缺陷表面形成一層無(wú)機(jī)保護(hù)層，能有效阻擋PD產(chǎn)生的帶電粒子及高能輻射線(xiàn)對(duì)有機(jī)物層的破壞，有利于電纜的長(zhǎng)期運(yùn)行[24,25]。

3.3 缺陷表面形貌特征

結(jié)合圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，A1、A2終端氣隙缺陷表面形貌特征存在顯著差異。A1終端缺陷表面燒蝕程度明顯低于A2終端，其主要原因在于偶聯(lián)劑的引入使TiO2復(fù)合涂料與主絕緣之間具有一定的粘接性，納米級(jí)的TiO2因其特殊的表面效應(yīng)，吸附能力強(qiáng)，有效消除了主絕緣與TiO2復(fù)合涂料之間的間隙，缺陷表面的無(wú)機(jī)TiO2能有效吸收高能射線(xiàn)（如紫外線(xiàn)）的能量，將高能射線(xiàn)阻擋在無(wú)機(jī)層之外，放電過(guò)程產(chǎn)生的高能粒子在撞擊納米TiO2粒子時(shí)，大部分能量耗散在與納米TiO2粒子碰撞的過(guò)程 中[24,25]。另外，無(wú)機(jī)TiO2的引入增加了氣隙缺陷的表面電導(dǎo)率，使氣隙表面電荷不容易累積，減小了反向電場(chǎng)的強(qiáng)度和放電量，這說(shuō)明氣隙缺陷處TiO2復(fù)合涂料的填充有改善電場(chǎng)的作用。

A2終端缺陷表面受到嚴(yán)重?zé)g的原因在于高能粒子、紫外線(xiàn)和化學(xué)氧化等直接作用于XLPE材料。隨著放電燒蝕的進(jìn)行，缺陷表面XLPE被逐漸炭化，表面的碳顆粒數(shù)量多并且分布也比較均勻，從而導(dǎo)致缺陷的s增加，這與表4的測(cè)試結(jié)果相 吻合。

由表3可以發(fā)現(xiàn)，終端填充TiO2復(fù)合涂料后，在氣隙缺陷表面等面積區(qū)域內(nèi)碳元素質(zhì)量含量由59.30%下降到28.73%，降低顯著。表明在電纜終端氣隙缺陷處填充TiO2復(fù)合涂料能夠有效抑制終端氣隙處PD對(duì)XLPE的燒蝕損傷，減緩終端絕緣的劣化速度。

4 結(jié)論

本文將有機(jī)-無(wú)機(jī)TiO2復(fù)合電介質(zhì)涂料填充到電纜終端氣隙缺陷處，利用電纜附件電熱老化與檢測(cè)分析平臺(tái)對(duì)終端PD特征及氣隙缺陷表面形貌特征進(jìn)行分析，結(jié)論如下。

1）在氣隙缺陷處填充TiO2復(fù)合涂料能有效降低終端放電幅值，放電重復(fù)率隨終端老化試驗(yàn)的進(jìn)行差異較小。

2）無(wú)機(jī)納米TiO2在終端氣隙缺陷表面發(fā)生團(tuán)聚并形成無(wú)機(jī)保護(hù)層，不僅加速了缺陷表面電荷耗散，而且能有效阻止PD對(duì)XLPE的燒蝕損傷。

3）在電纜終端氣隙缺陷處填充TiO2復(fù)合涂料能有效降低電纜終端的PD放電能量，減緩終端絕緣有機(jī)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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51477106）。

2015-02-28 改稿日期 2015-09-22

周 凱 男，1975年生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。E-mail: zhoukai_scu@163.com

吳 科 男，1990年生，碩士，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。E-mail: wukesc@163.com（通信作者）