线缆绝缘层电晕放电的研究

核心要点

• 线缆绝缘层的局部放电（电晕放电）是由于随着时间的推移导致电线/电缆绝缘缺陷损坏而产生的现象。

• 现代飞机电源电压较高，必须考虑局部放电（电晕放电）的长期影响。

• 内部导体和绝缘之间的电压差越大，对局部放电的敏感性就越高。

• 现有的标准测试方法（SAE AS 4373）给出了线缆局部放电（电晕放电）的评估方法，其他行业的试验方法也值得借鉴。




背景简介

几年前在一次包括EWIS DER（工程委任代表）在内的美国政府跨部门科技会议上，一位来自美国海军的代表向与会者表示，对航空航天电线和电缆标准的审查没有一种方法来验证线缆的最大工作电压水平。几十年来，美国军机一直使用115VAC (208VAC线对线)电源，现行的标准和试验方法还不足以评估新的电压体制下线缆和器件的性能。




在飞机高电压的供电体制下，飞机电线电缆的电晕放电问题必须被系统性评估。本文讨论了局部放电（电晕放电）的基本原理，对于电晕放电的理解影响了飞机布线系统的设计，以及用于评估元件局部放电性能的测试方法。电晕放电可能发生在：

(1)导体和绝缘之间，(2)绝缘空隙内，(3)绝缘层之间，(4)绝缘表面和屏蔽之间。如下图所示：

电晕放电是一种电压击穿或通过绝缘体的现象。不同于绝缘彻底击穿，电晕放电时线缆的绝缘层仍保持基本完整，依然作为电阻而存在，可能会轻微损坏。电晕放电可能发生在导体和绝缘体之间的界面上，也可能发生在绝缘体内部，或沿着绝缘体的外表面。电晕放电发生的位置和电压取决于线缆的结构。




电晕放电的产生




当绝缘体之间有足够高的电压差时，就会发生电晕放电。想象一个单一的均匀挤出型绝缘线，从外面看，它看起来像一个光滑的均匀绝缘体。事实上，在绝缘层挤出过程中，绝缘层内有可能存在微小的空隙(气泡)。现在把绝缘体夹在有电压的导体和接地面之间。在绝缘内部，有一个电压梯度。例如绝缘厚度为10mil (0.254 mm)，导体与地之间的电压为1000V，则电压梯度为100V / mil(或约4kV / mm)。






更进一步的说，如果线缆绝缘层中有一个1mil的空隙，那么就会有一个足够高的电压差，从而在这个1mil间隙中产生火花。对于交流电力系统，电压循环将导致放电发生在某些阈值电压以上，当交流电压低于维持电晕事件所需的电压时，放电停止。对于直流系统，电压可能永远不会低于“熄灭电压”，从而产生连续的电晕放电。

电晕放电也可能发生在导体和绝缘之间的间隙或沿绝缘表面存在电压差的地方。

虽然电晕放电是一种电压击穿现象，但它是一个低能量事件。由于从电源到地(或多相系统中的线到线)的电路径包括多层绝缘层，相当于在电路中有一个大电阻。一个紧密的平行线缆电路相当于是把一个小电容器在一个有大电阻的电路中放电。




电晕放电的影响

电晕放电，即使在低能量时，也会引起绝缘损坏，主要是通过绝缘碳化。这种碳化是一个非常缓慢的过程，特别是当电压水平仅高于电晕放电的起始电压时。炭化使绝缘慢慢变成半导电，直到有一个导电路径最终导致绝缘(介质)击穿。一旦发生，电晕放电会产生类似于电弧事件的现象。






线缆因电晕而老化的速率

线缆绝缘层由于电晕放电而老化的速率由以下几个因素决定：

• 系统电压

• 系统频率

• 波形形状(例如，正弦与脉宽调制)

• 温度

• 高度

• 电路噪声(例如，来自继电器的反电动势)

• 组件设计

这些因素的组合以及它们如何降低组件寿命是一个正在进行的研究领域，在过去的几年中，国外公司一直在研究这些参数对EWIS组件的影响。但事实是，这些研究虽然对航空航天领域来说可能是新的，但总体上并不新鲜。多年来，高压供电系统一直是铁路运输的一部分。我们可以从其他行业中学到很多东西来支持航空航天的发展。

首先要考虑的是使绝缘层变厚。如果绝缘较厚，则绝缘层内电压梯度会减小。考虑前面的例子，如果绝缘是两倍厚，电压梯度将是50V/mil而不是100。但是因为对重量的极度敏感，对于航空航天领域这一做法并不现实。

其次可以考虑改进材料和加工工艺或不同的电路配置来限制线缆之间的电压差。从材料方面来说，避免碳化绝缘结构的非碳基材料等绝缘材料是可行的，但该材料被证实容易退化。




标准中如何检查PDIV/PDEV

与大多数评估布线的试验方法一样，对于电晕放电的试验有几个标准可供选择。SAE AS 4373有一种设置相对简单的局部放电（电晕放电）测试方法。将试样导线平铺在导电片上，缓慢增加导线导体与片间的电压，直到检测到局部放电(PDIV)，然后降低电压，直到观察到消光电压(PDEV)。虽然这是一种测试方法，它确实符合预期的应用场景(例如，金属导管中的电线或对着结构铺设的电线)，只是试验件可能与导电片站之间存在不必要的缝隙。

需要注意的是，虽然电晕测试是AS4373导线测试方法标准的一部分，但它从来没有在AS22759导线标准中被引用。

测试更多的电线绝缘的一种方法是在样品上放置一个屏蔽，并将其作为接地返回。要做到这一点，屏蔽层必须紧贴线缆绝缘层。一种常见的方法是使用热收缩管进行热缩，以确保屏蔽层和线缆绝缘层的紧密接触。

另一种方法是MIL-DTL-17测试方法。考虑到MIL-DTL-17电缆是同轴的，一个屏蔽已经在中心导体周围存在，固有地在整个电缆上创造一个一致的梯度。在这种电缆结构中，典型的是梯度在中心导体和屏蔽之间，而护套没有局部放电测试。




结论

航空航天工业的高电压需求将推动新型电线电缆的发展。当然，这些部件的长期可靠性是不确定的，除非它们经历长期加速老化试验，并加载各类环境参数进行逐步评估。

以上欢迎讨论学习。

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