基于硅氧烷的XLPE电缆水树修复方法研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘电力电缆在经过长时间运行后会发生水树老化,降低电缆绝缘强度,威胁电力系统的安全稳定运行。笔者设计了一套XLPE电缆绝缘水树修复装置,利用硅氧烷修复液对电缆试样进行了修复工作,详细介绍了修复过程并深入分析了修复机理。然后仿真对比了修复前后不同类型水树区域的电场变化,测试了修复后电缆介质损耗角正切与绝缘电阻的变化趋势,接着对电缆进行了加速水树老化实验,利用光学显微镜观察老化后XLPE绝缘中的水树生长情况。研究表明:修复液与水能快速反应产生聚合物填充水树孔隙,逐步提升电缆整体绝缘性能;生成物的介电性能与XLPE接近,能显著改善水树区域特别是尖端的电场,抑制水树的进一步生长,有效延长电缆使用寿命。     

XLPE 电缆绝缘水树老化的无机修复机理及试验分析

为解决电网中大量运行电缆的水树老化问题,采用一种能生成TiO2无机颗粒的修复液对水树老化交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘进行修复,研究了修复效果和绝缘提升机理。将修复液与水直接反应,利用数字电桥和扫描电镜(SEM)研究生成物的介电性能和微观特征。用水针电极法加速XLPE电缆绝缘水树老化,利用修复液对老化绝缘进行修复,测量了样本的击穿电压。通过SEM和能谱分析(XPS),对水树内的填充物进行了观察和分析。实验结果表明:该修复液能扩散到水树区域消耗水分、生成绝缘性能良好的有机-无机复合填充物填充水树空洞;同时,分析认为生成的大量TiO2颗粒能均匀电场、吸收紫外光、降低热电子加速,使修复后样本的击穿电压高于老化样本和新样本的击穿电压。通过实验研究证明,该修复液不但能修复水树老化电缆绝缘,还能进一步提升老化区域的击穿性能。     

XLPE电缆绝缘老化修复技术的工程应用研究

通过水针电极老化法加速XLPE电缆绝缘产生明显水树,采用一种硅氧烷修复液对水树老化XLPE电缆绝缘进行修复,比较了修复前后老化XLPE电缆绝缘的介损和直流泄漏电流,并通过显微镜和扫描电镜（SEM）对水树及其内部的填充物进行了观察。结果表明：修复液能扩散到水树内消耗水分,生成绝缘性能良好的填充物填充水树空洞,使介损和泄漏电流明显下降,绝缘性能逐渐恢复到接近老化前水平。利用修复液对老化样本绝缘进行修复,对现场运行老化电缆进行了绝缘修复实验表明,修复后电缆的介损和直流泄漏电流下降一半以下,显著提高了水树老化运行电缆的绝缘性能。     

修复液抑制XLPE电缆局部放电的有效性研究

针对XLPE电缆中存在水树缺陷引起局部放电导致电缆绝缘迅速劣化的问题,提出了一种通过注入修复液修复电缆水树缺陷抑制电缆局部放电的方法,从XLPE电缆试样局部放电特征及缺陷表面微观形貌结构两方面研究修复液对XLPE电缆局部放电的影响。采用水针电极法加速XLPE电缆绝缘水树老化,并对生成水树缺陷的电缆试样进行注入式修复,测试分析修复前后电缆试样的局部放电特征,并对修复后电缆试样缺陷处的表面形貌特征进行分析。此外,建立XLPE电缆水树缺陷的有限元模型,结合水树缺陷处电场仿真进一步阐述修复液对XLPE电缆局部放电的影响机理。结果表明:修复后XLPE电缆局部放电的放电幅值和放电次数均大幅减小,表明修复液可以抑制电缆局部放电的发展,减缓XLPE电缆绝缘的劣化。     

有机硅注入技术延长运行电缆使用寿命的研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)电缆运行数年后其绝缘层内部普遍会出现水树缺陷,电缆修复是提升运行电缆绝缘水平合理有效的方法.对工业运行电缆进行了绝缘修复,修复时使用压力注入系统从电缆样本缆芯注入硅氧烷修复液,修复液渗透到绝缘层中与水树缺陷中的水分发生反应,生成一种有机硅树脂对水树空洞进行有效填充,达到水树修复的目的.之后对工业运行电缆样本进行了电镜能谱分析、通大电流实验以及工频击穿实验,并使用仿真软件对水树区域进行了电场仿真.结果表明,修复液能迅速渗透到绝缘层内部并有效地修复水树缺陷,改善水树区域电场分布,抑制水树进一步生长,提升其击穿电压,且对运行电缆散热及通流能力没有影响.通过分析研究发现,硅氧烷修复液能安全、迅速、有效地提升工业运行电缆的绝缘水平,延长其使用寿命.     

硅氧烷对水树老化后的交联聚乙烯电缆的修复研究

采用了一种硅氧烷修复液对水树老化电缆进行绝缘修复,并对修复效果及水树尖端电场进行了分析和讨论。首先,采用水针电极加速老化系统对10kV交联聚乙烯(XLPE)电缆样本绝缘进行高频高压老化,直到电缆介质损耗因数达到20%左右。此后,通过压力注入式修复系统从老化样本缆芯注入修复液,修复液渗透进入绝缘进行修复。通过比较修复前后电缆介质损耗因数和击穿电压的变化,发现随着修复时间的延长,老化电缆的绝缘性能逐渐恢复到新电缆水平;同时,通过显微镜观察到水树空洞被反应生成的有机化合物有效填充,达到了消除绝缘层微孔中水分的效果。此外,通过修复液直接与水反应实验和电场有限元仿真结果,进一步证实该修复液能有效提升水树老化电缆的绝缘性能。结果表明,修复液能渗透到水树区并修复水树老化电缆。     

抗氧化剂对水树老化XLPE电缆绝缘修复效果的影响研究

为研究抗氧化剂对交联聚乙烯(XLPE)水树老化电缆绝缘修复效果的影响,采用两种不同配方的修复液对水树老化电缆进行修复后,再次进行30天水树老化,分析老化后电缆的微观结构及电气性能变化情况。结果表明:相比未修复水树样本,修复样本水树长度明显减小,且添加了抗氧化剂的修复样本水树长度最小;修复后电缆样本的击穿电压明显提高,且含抗氧化剂修复电缆样本的击穿电压最高。这是因为抗氧化剂能够有效抑制水树生长中的分子链断裂氧化过程,从而抑制水树的进一步生长。     

在线注入有机硅修复液对交联聚乙烯电缆中水树生长的影响

提出了水树老化电缆的在线修复方法,讨论了在交变电场下修复液对水树的抑制作用及其绝缘修复机理。采用高频高压水针电极法对新样本、预修复样本和在线修复样本进行加速水树老化。老化一个月后,使用显微镜观察样本中水树形态并测量其水树长度。通过差示扫描量热法分析样本绝缘层的劣化程度,同时利用扫描电镜和能谱分析仪对比水树区域的微观形貌及化学结构变化。研究表明,在线注入有机硅修复液能有效地抑制水树的生长。在电场的作用下,修复液分子和水分子同时向强电场区域(如微孔、水树区域等)进行扩散并发生反应,消耗水分并且生成凝胶颗粒填充微孔,一定程度上缓解了绝缘的劣化。     

交联聚乙烯电缆水树缺陷的修复方法研究

采用硅氧烷修复液修复交联聚乙烯电缆老化试样中的水树,进而分析修复效果及机理。将介质损耗因数为4%～6%,绝缘电阻7 500～10 000 MΩ的短电缆在7.5 kV 450 Hz交流电压下老化至介质损耗因数达到20%左右,绝缘电阻3 500～5 000 MΩ。然后用压力注入式修复装置把修复液注入缆芯对水树缺陷进行修复。以介质损耗因数、绝缘电阻和击穿电压为指标对修复效果进行评判;通过显微镜切片观察修复前后水树微观形态;通过仿真修复前后水树附近电场分布来分析和验证水树的修复机理。实验结果证明,修复液可以充分与电缆水树中的水发生反应生成胶状聚合物填充水树通道;修复后电缆介质损耗因数、绝缘电阻和击穿电压恢复到新电缆水平;改善了绝缘层电场分布;有效地抑制了水树生长。实验表明,该修复液可有效修复电缆中的水树缺陷,提高电缆绝缘水平。     

长链硅烷修复液对水树老化电缆修复效果长期性的影响研究

为了研究长链硅烷修复液对水树老化交联聚乙烯(XLPE)电缆电气性能提升的长期性效果,对用两种不同配方修复液修复的水树电缆样本和未修复的水树电缆样本进行电热老化,随后结合击穿电压测试、扫描电镜观测和红外光谱测试,分析老化后电缆的电气性能及绝缘微观结构的变化情况。结果表明:电热协同老化35天后,修复样本的水树长度明显小于未修复的水树样本,且添加了长链硅烷的修复样本水树长度最小。修复后电缆样本的击穿电压明显高于未修复样本,且添加了长链硅烷的修复样本击穿电压最大。添加长链硅烷成分的修复液能更好地保留在水树老化区域,能更有效地抑制水树的生长,具有更好的长期性效果。     

在XLPE电缆加速老化过程中理解水树的自愈性

针对加速XLPE电缆绝缘水树老化过程中发现的绝缘自愈现象,对水树生长和绝缘自愈性机理进行了分析讨论。利用水针电极法对XLPE电缆绝缘进行加速水树老化,样本介质损耗因数随老化时间推移而增大,但一旦停止施加电压,介质损耗又会逐渐恢复到较低水平,出现了自愈现象。通过建立由一系列充水微孔和微观通道连接而成的水树模型,进行电场有限元计算,发现当水树通道打开时水树尖端电场畸变严重,由此产生的扩张能量使绝缘疲劳断裂,水树生长,介质损耗增加;停止施加电压后,水树通道内出现弹性恢复使水分被挤出,通道逐渐关闭,水树区变成孤立的充水微孔,绝缘自愈。再次施加电压后,充水微孔端部和关闭的水树通道内电场显著提升,水树通道逐步打开。研究表明,水树的自愈和水树通道的打开是一个逐步的过程,需要一定的时间,主要决定于施加的电场大小和绝缘的屈服强度。     

热老化对交联聚乙烯电缆绝缘中水树的影响研究

热老化过程不但会影响交联聚乙烯电缆绝缘的电磁学和物理化学性能,还对绝缘内水树的产生与生长有着一定的影响。通过研究热老化过程对XLPE电缆绝缘中的水树现象的影响,以及在几个有可能的影响因素当中,哪个因素对水树现象的影响最大。实验结果表明,在与XLPE电缆绝缘的热老化有关的各种因素对水树现象的影响中,热氧化对XLPE电缆绝缘表层水树的产生和生长的影响最大。尽管热氧化所引起的缺陷有可能就是XLPE电缆绝缘中水树生长过程中的起始点,但是它在一定程度上抑制着水树的成长,甚至有着"水树延迟效果"的美称。     

以分子链疲劳断裂理论理解XLPE电缆绝缘水树生长规律

为研究XLPE电缆绝缘中水树的生长规律,对不同老化时间下XLPE材料的水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极法加速电缆绝缘水树老化,利用光学显微镜和扫描电镜观察不同老化时间下电缆水树的微观结构特征,并对水树尺寸进行测量统计。结果表明:不同老化时间下的水树形态和尺寸均存在明显差异,随着老化时间的增加,水树枝变得密集,染色区域颜色变深。在电机械应力作用下XLPE分子链疲劳累积断裂,水分以密集充水细枝的方式向四周辐射扩散,逐渐形成水树通道和微孔,随着通道和微孔数量的增加,水树逐渐变长。     

有机硅修复后水树电缆在电热老化下的电气性能和微观结构变化

为了研究电缆水树修复的长期效果,对修复和未修复的水树老化电缆样本进行了电热协同老化,对比分析了2组电缆样本的电气性能和微观结构变化。利用加速水树老化实验平台,采用水针电极老化法在交联聚乙烯(XLPE)电缆样本中生成了水树缺陷,对其中1组样本进行了注入式修复,对另1组样本则不做处理,之后利用电热协同老化实验平台对2组样本同时进行了电热老化。对电热老化前后样本的显微镜观测结果表明,电热老化2周时间后,修复样本的水树整体尺寸明显小于未修复样本;介质损耗因数的测试结果表明,电热老化2周时间后,修复样本的绝缘性能远高于未修复样本;对2组样本水树老化区域的扫描电镜(SEM)观测和能谱仪(EDS)分析结果表明,修复样本在电热老化2周时间后,水树空洞内部仍有修复生成的填充物与XLPE基体紧密结合。基于以上发现,证明了在电热老化过程中,水树空洞内的修复填充物能够有效抑制已有水树的继续生长并保持长期作用。     

缺陷形状对XLPE材料水树生长特性的影响

利用砂纸在XLPE薄片样本表面压制缺陷,模拟工业实际运行电缆中存在的不同形状的缺陷,然后对XLPE薄片进行加速水树老化实验,对比分析不同缺陷下的实验结果。利用光学显微镜和扫描电镜观察薄片样本水树长度及微观形态,统计不同缺陷下生长的水树长度。搭建水树老化的微观模型,并进行电场仿真分析。结果表明:缺陷深度相同时,不同形状缺陷下生成的水树长度和微观形貌差异较小,水树尺寸分散性较小。未生长水树时,电场畸变严重区集中在缺陷尖端,不同形状缺陷前端处的电场相差较大,缺陷形状对水树引发的影响很大;水树生长中后期,由于水树区域的电导率远大于XLPE材料的电导率,导致电场畸变严重区转移到水树尖端,大幅弱化了缺陷前端处的场强,因此缺陷形状对水树生长中后期的影响很小。     

用有限元分析交联聚乙烯电缆中水树成长行为的研究

水树是电缆主绝缘的主要劣化现象之一,严重影响电缆的使用寿命。正确评价长有水树的材料的电场分布,对于理解水树的生长机理以及水树引起的介质击穿是非常重要的。采用具有不同物理化学性能的热老化XLPE电缆绝缘和与外加电场梯度方向成一定角度的非常规的水针电极结构进行水树枝加速老化实验,用有限元方法对水树加速老化实验中采用的结构模型进行数值电场分析,研究了水树尖端处电场增强对水树枝老化发展的影响。     

由异常水树形态洞察力学取向对水树生长的影响

为了进一步理解机械应力对交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树生长的影响,研究了机械应力和XLPE样本中水树形态之间的关系,并提出了XLPE材料的力学取向对水树生长的作用机制。以热钢针在两组XLPE样本中扎孔的方式模拟电缆绝缘受到的机械应力作用,并仅对其中一组样本进行加速水树老化实验,另一组样本仅利用偏光显微镜观察针孔缺陷周围的应力纹形态(XLPE材料取向的宏观形态)。在水树老化样本中发现了异常水树形态,而此异常水树形态和未进行水树老化的样本中观察到的应力纹形态极其相似。以高分子力学取向理论为基础,并结合电场仿真模型,分析了XLPE材料的力学取向和水树形态的内在联系。研究表明,XLPE材料的力学取向在很大程度上决定了水树的生长方向。由于XLPE材料取向后出现各向异性,在取向方向上水树生长将得到促进,而在与取向方向垂直的方向上水树生长将受到抑制,从而导致异常水树形态的出现。     

有机硅注入技术对电缆水树缺陷的绝缘修复研究

通过有机硅液体压力注入的方式,对交联聚乙烯(XLPE)电缆的水树缺陷进行绝缘修复,并分析其修复效果和原理.通过加速水树老化实验,使电缆介质损耗因数达2％左右,绝缘电阻低于3500 MΩ,利用压力注入式修复装置把修复液注入缆芯对水树缺陷进行填充和修复,比较了修复前后的介质损耗、击穿电压和电场强度等.结果表明:该修复液能在...     

一种新的加速XLPE薄片水树老化的方法及其研究

基于原有的XLPE薄片水树老化方法,提出了一种能有效加速XLPE材料中水树生长的新型老化方法,然后对XLPE薄片进行加速水树老化实验,并对比分析实验结果。利用光学显微镜和扫描电镜观察薄片样本中的水树微观形态,并统计其长度。搭建水树老化的微观模型,并进行电场仿真分析。结果表明:采用新的老化方法可在短时间内有效培养出符合实际工业运行电缆中的水树,生成的水树长度和微观形貌差异较小,并且可以培养出非独立多棵水树;对于非独立多棵水树,其单棵水树的宽度变窄,重叠区域的水树枝密度与未重叠区域一致,水树长度集中在800μm左右,水树尺寸分散性较小,生成的水树符合"珍珠串"的典型结构。仿真结果显示:水树内部存在的电场屏蔽效应使成片水树重叠区域的水树枝密度与未重叠区域一致,单棵水树与非独立多棵水树前端的电场强度一致,交界处受到的Maxwell应力相同,产生的横向应力和纵向应力一样,对XLPE分子链的撞击力一样,引起的分子链疲劳断裂相同,因此水树长度相近。     

修复液沿交联聚乙烯电缆高度方向的浓度分布及其变化对修复效果的影响

为了认识修复液沿交联聚乙烯(XLPE)电缆高度方向的浓度分布及其对修复效果的影响,研究了预修复(老化前预先注入修复液)电缆样本上侧和下侧的水树生长特征以及绝缘层的微观形貌变化。对两组预修复电缆样本分别进行不同时间的加速水树老化。通过光学显微镜观测不同老化时间的样本其上下侧的水树形态和尺寸,同时利用扫描电镜(SEM)和红外光谱(IR)观测(检测)样本上下侧水树区域的微观形貌和修复液浓度变化。测试结果表明:加速老化30天后,样本上侧的水树尺寸达到310.5μm,大于样本下侧的水树尺寸(251.2μm)。此外,样本下侧水树区域C—Si键吸光度(与修复液浓度呈正比)为0.83%,高于样本上侧水树区域的C—Si键吸光度(0.72%),表明此时样本下侧水树区域的修复液浓度高于样本上侧。而加速老化40天后,样本下侧的水树尺寸达到371.8μm,反而超过样本上侧的水树尺寸(350.3μm)。此时样本下侧水树区域C–Si键的吸光度降至0.48%,低于样本上侧水树区域C—Si键的吸光度(0.63%),表明此时样本下侧水树区域的修复液浓度反而低于样本上侧。该研究表明,重力对修复液沿电缆高度方向的浓度分布及其变化具有重要影响。受重力作用,修复液在电缆中易于向下渗透,从而使得样本下侧水树区域的修复液浓度降低,并导致样本下侧的水树生长速率和老化程度增加。