退役高压电缆附件绝缘状态及理化性能分析

为了探究长期服役对高压电缆附件老化状态的影响,研究退役电缆附件的绝缘特性及理化性能.以三元乙丙橡胶(EPDM)和硅橡胶(SIR)两种退役电缆附件绝缘为研究对象,测试其力学性能、微观结构及化学成分,测试并分析其介电性能和绝缘状态.结果表明,EPDM样品中C?O?C键的出现以及SIR样品分子链上有机基团的减少可作为电缆附件绝缘老化的标志,附件的绝缘老化在宏观上表现为力学特性的下降;经历老化或击穿事故的电缆附件,其分子链在电、热等综合作用下断裂成小分子,小分子可能重结晶,导致样品晶型及聚集状态的改变;经历严重老化的电缆附件,其介电性能发生明显劣化.样品理化性能及介电性能的改变可基本反映电缆附件的绝缘及老化状态.     

高压电缆附件绝缘理化性能与电气特性研究

为了研究长期服役对硅橡胶(SIR)和三元乙丙橡胶(EPDM)绝缘高压电缆附件的理化性能和电气特性的影响,对退役110 kV电缆附件绝缘的材料特性、热学性能、介电性能和陷阱分布特性进行了测试和分析.结果表明:附件绝缘的介电性能受材料理化特性影响,老化使SIR绝缘分子主链Si-O-Si和侧链Si-CH3发生断裂,放电事故导...     

硅橡胶绝缘高压电缆附件的老化特性研究

为研究高压电缆附件绝缘在电、热和环境等多因素作用下的老化特性,文中以6种退役硅橡胶绝缘高压电缆附件样品为研究对象开展工作。采用SEM、FTIR和XRD分析了不同运行环境下样品的理化特性和微观分子结构变化,通过介电测试和表面电位衰减测试获得了样品宏观介电性能和微观电荷特性,采用拉伸实验获得了绝缘样品的力学性能数据,最后结合上述表征对电缆附件的绝缘和老化状态进行评估。结果表明硅橡胶附件老化过程中以Si-O主链降解为小分子为主,小分子物质进一步发生氧化和重结晶反应,导致分子的交联度下降和极性增强,同时微粒团簇形成应力集中点和放电通道,外在表现为力学性能下降和介电常数改变;硅橡胶绝缘表面在电、热和应力作用下出现裂纹和孔洞,分子链断裂形成低密度区,影响材料表面的陷阱密度和能级深度,宏观体现为电缆附件绝缘击穿场强和电阻率的变化。     

基于双极性载流子输运模型的高压直流电缆附件绝缘EPDM/LDPE界面电荷的数值模拟

高压直流塑料电缆是直流输电系统的关键装备,作为其重要连接环节的直流电缆附件由于介质的不连续性,容易产生界面电荷积聚,威胁电缆输电系统安全。为此,通过设置界面特性相关的表面态、界面势垒和载流子迁移率等参数,利用双极性载流子输运模型仿真研究了不同界面条件下空间电荷在乙丙橡胶(EPDM)/低密度聚乙烯(LDPE)双层介质中的注入和输运特性,并分析了界面电荷累积对复合绝缘系统电场分布的影响。仿真与实验结果证明材料表层的深陷阱能级、较高的界面势垒以及两种介质间较大的载流子迁移率差异均能造成界面电荷密度的增大,同时界面电荷积累也使电场分布畸变更加严重。因此可以从改善材料表面态分布,降低界面势垒和提高载流子迁移率匹配程度等方法出发,以解决高压直流电缆附件绝缘界面电荷积累问题。     

电老化过程中直流电场对油纸绝缘空间电荷特性的影响

通过研究不同电老化过程中直流电场对油纸绝缘的空间电荷特性的影响,可为换流变压器在长期高场强运行下油纸绝缘的空间电荷特性提供试验依据。利用电声脉冲法研究了油纸绝缘在20 k V/mm的直流电场下老化1 000 h不同阶段下的空间电荷特性,结果表明:在电老化的不同阶段,油纸绝缘在极化过程中的空间电荷特性主要表现为都出现了同极性电荷注入和积聚;随着老化程度的加深,油纸绝缘内部积聚电荷量越大,去极化电荷消散速率越慢,老化过程中陷阱密度和深度都在增大,促进空间电荷被陷阱捕获而积聚;整个电老化过程中,快速运动电荷量变化不大,而慢速运动电荷量逐渐增大主要是由于陷阱密度的增大,导致电荷迁移率下降;电老化过程中电荷的积聚导致极化过程中电场畸变明显,容易产生大电流而使击穿电压下降。     

电荷陷阱对XLPE绝缘电老化特性的影响

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由于良好的电气性能而常被用作高压直流电缆的绝缘材料,但其内部缺陷形成的电荷陷阱会导致空间电荷积聚,从而加速绝缘材料的电老化。文中基于电荷陷阱对XLPE电缆绝缘电老化的影响,研究了电荷陷阱在XLPE电缆绝缘电老化过程的作用机理,并运用自由能增量理论定量地分析了电荷陷阱对电老化的影响。将电缆样品进行热老化预处理,得到具有不同电荷陷阱参数的XLPE样品,对其进行空间电荷测试和步进应力实验,验证了空间电荷陷阱和电老化进程之间的关系。结果表明,在XLPE电老化过程中,浅陷阱密度与材料的电老化速率正相关,而深陷阱对电老化过程起抑制作用。     

不同涂层对XLPE和EPDM双层绝缘介质空间电荷特性的影响

为研究不同绝缘涂层对直流电缆附件界面空间电荷分布特性的影响,对直接接触、涂抹普通硅脂涂层和涂抹极性硅脂涂层3种不同界面状态的交联聚乙烯(XLPE)和乙丙橡胶(EPDM)双层绝缘介质,在不同外施电场下的空间电荷分布进行试验,分析了加压和短路过程中界面电荷的动态变化过程,研究涂层材料对直流电缆附件界面电荷的影响规律。结果表明:不同界面状态对XLPE/EPDM双层绝缘介质界面空间电荷分布的影响不同,且在不同外施电场下,其变化趋势也不同。在相同温度和电场下,极性硅脂涂层界面积累的空间电荷量最大。     

绝缘纸中空间电荷效应的模拟研究

为明晰空间电荷对油纸绝缘纸板中电场强度的畸变效应、纸板老化状态与空间电荷的作用机制,采用双极性载流子输运模型,对不同老化状态的绝缘纸板中的空间电荷特性进行数值模拟。对于同一老化状态下的绝缘纸板施加直流电压时,纸板中会出现同极性电荷积聚现象,且正极性电荷的分布范围较负极性显著变窄;随着加压时间的增加,纸板中的电场畸变率呈增大趋势。当绝缘纸板老化程度加深时,其陷阱密度和深度均会增加,致使空间电荷在纸板的近电极侧大量积聚,进而削弱纸板和电极边界处的电场强度,加剧纸板内部的场强畸变;且绝缘纸板老化愈严重,空间电荷对电场的畸变作用愈突出,使得绝缘纸板加速老化,容易诱发绝缘击穿故障。研究结果可为变压器油纸绝缘设计提供参考。     

高压退役电缆空间电荷特性

由电缆老化引起的绝缘层空间电荷的积累与消散对于电缆绝缘性能有很大影响。选择2根退役及1根备用110 kV交联聚乙烯电缆,利用电声脉冲法测量了不同位置的空间电荷分布,初步分析了空间电荷特性与电缆老化之间的关系。结果表明:老化后的试样不同位置的正极性电荷和异极性电荷(不包含正极性电荷)均增加;极化阶段平均体电荷密度差异很小,无法判断电缆老化状况;去极化起始阶段,电荷脱陷使得平均体电荷密度跃变,不同电缆样品不同层的初始值差异较大;随着时间增加,电荷消散速度逐渐减小,很好的反应了绝缘层陷阱能级的变化。总的来说,电荷消散过程中平均体电荷密度的变化及陷阱能级差异更能反应电缆老化状况。     

全尺寸空间电荷测量在水中老化电缆状态评估中的应用

水树老化严重威胁电缆的运行可靠性,为有效评估电缆绝缘状态,选取未老化电缆与水中老化电缆作为研究对象,通过等温松弛电流(isothermal relaxation current,IRC)法检测了其老化状况,并应用全尺寸空间电荷测量法研究了电缆本体的空间电荷分布。研究结果表明:电缆经水中老化后,去极化电流曲线上移、老化因子增大,深能级陷阱大量增加;极化时空间电荷积累加剧,高场下阳极附近注入同极性电荷,短路时浅陷阱电荷逐渐消失,处于深能级陷阱的电荷仍驻留形成一明显正电荷峰,短路平均体电荷密度增加。分析认为电缆经过水老化处理后,由于绝缘外界环境的水分侵入而可能导致外半导电层处产生"外导水树枝",同极性电荷由"外导水树枝"尖端注入,处于较深能级陷阱,与IRC法测量到的去极化电流、陷阱密度、老化因子等均高于未老化电缆的结果一致。实验结果证明了IRC法的有效性以及全尺寸空间电荷测量能够评估电缆的局部绝缘状态,可有效用于电缆高危故障点的诊断与排查。     

±320kV直流电缆交联聚乙烯/三元乙丙橡胶附件击穿特性

高压直流电缆接头与终端为电缆系统故障的多发点,其击穿强度为直流输电系统安全稳定运行的重要基础。文中以±320 kV高压直流海底电缆中交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)/三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)附件为研究对象。首先,研究电缆及附件负荷循环耐压试验,发现附件界面为击穿薄弱环节;其次,研究绝缘材料电导率随温度变化特性对电场分布的影响规律,通过有限元仿真模拟电缆空载和满载运行时附件的温度分布与电场分布,发现最大电场出现在电缆绝缘靠近附件应力锥一侧,为29.5 kV/mm,低于附件材料的击穿场强;最后,研究界面在直流电场下空间电荷特性对电场分布规律的影响,通过电声脉冲法测试复合叠层片状样品介质界面的空间电荷及其电场分布,发现场强畸变率约为100%~200%。同材料本征绝缘匹配相比,界面空间电荷积聚对附件内部电场造成的畸变程度更严重,在后续附件提升中应更注重开发抑制空间电荷的绝缘材料。     

预处理温度对高压直流电缆附件绝缘材料空间电荷的影响

采用电声脉冲法(pulsed electro-acoustic method,PEA)研究了经过不同预处理温度处理后的高压直流电缆附件绝缘材料——硅橡胶(silicone rubber,SIR)及三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)绝缘层的空间电荷分布。为分析导致此空间电荷积累不同的原因,采用拉伸性能测试和动态热机械分析(dynamic thermal mechanical analysis,DMA)研究了高压直流电缆附件绝缘材料化学分子结构的变化。实验结果表明,SIR材料经过150℃预处理后,硫化更充分、交联密度增加,从而使得绝缘层中的空间电荷量减少,因此SIR的预处理以150℃为宜;EDPM材料经过150℃预处理后,综合表现为解聚反应,从而使得绝缘层中的空间电荷量增加,因此EDPM预处理温度以80℃为宜。     

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明：由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。     

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明：由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。     

挤包绝缘高压直流电缆及附件绝缘性能的研究

在直流输电中,挤包绝缘高压直流电缆及附件是关键设备之一,而空间电荷的抑制作为科学和工程问题,是人们长期以来研究的热点.众多学者和工程界人士都将注意力集中到如何抑制电缆绝缘中的空间电荷.事实上,高压直流电缆和附件,如果两者所用的绝缘材料电性能不匹配,则会在两者界面之间产生大量的极化空间电荷,从而导致界面处的电场分布产生畸...     

多应力条件下电缆附件局部放电的演变过程

电缆附件界面是多层复合介质绝缘结构,在温度、气压、电场等物理条件下都易产生局部放电(partial discharge, PD)。为了研究多种应力条件下局部放电的演变过程,在10 kV电缆终端中设计典型刀痕缺陷,并在实验室搭建“冷热负荷-工频电压-冲击电压”多应力条件下的协同老化平台,利用该平台对电缆进行老化试验,利用工频局放测试平台检测不同老化时间下电缆终端的局部放电。利用波动法对不同老化阶段下的电缆附件局放信号进行消噪,并采用阈值窗提取消噪后的局放信号中的PD脉冲,构建电缆附件局放相位分布(phase resolved partial discharge, PRPD)谱图。实验结果表明：多应力条件下,在不同老化程度下,刀痕缺陷电缆附件的局放经历三个“起伏”击穿,放电幅值存在多段式“增-减”的变化趋势。     

Long-term testing of a low-loss 800 kV PPLP insulated SCFF cable

This paper describes the dielectric and accelerated aging tests on an 800 kV AC polypropylene laminated paper (PPLP) insulated low-loss SCFF cable prototype. The test program was developed to validate the PPLP technology for future Hydro-Quebec 765 kV St-Lawrence under-river crossings. The paper reports on the cable and accessories characteristics, the test line construction, the test program, and the main results obtained. The successfully completed program has shown the overall very good performance of the cable and its accessories     

Successful testing of 345-kV XLPE cables and premolded joints atIREQ

Extruded polymeric cables and accessories are an alternative to self-contained fluid filled (SCFF) cables for extra-high-voltage (EHV) systems. Crosslinked polyethylene (XLPE) insulated cables have many advantages over the traditional fluid-filled pressurized cable system with the elimination of the hydraulic system and the associated equipment and complications during the installation and operation/maintenance of such systems. Other advantages of the extruded cable system arise from the new accessory technologies and the use of splices and terminations that are prefabricated and pretested in the factory and require less time to install on site. Concerns over the long term reliability of high voltage cable systems, in particular the accessories and the lack of service experience above 300 kV led to the decision of Hydro-Quebec to carry out a prequalification (long-term) test program to assess the reliability of the cable materials and to verify the cable and accessory installation methods to be employed. The cables were installed in duct banks and manholes simulating actual installation conditions used in Hydro-Quebec underground cable network. This paper describes the program and results of the prequalification tests of 345-kV XLPE cables and accessories performed at Hydro-Quebec's Research Institute (IREQ) in partnership with three international cable manufacturers, Alcatel, Fujikura and Pirelli     

温度对电缆附件界面缺陷处局放引发影响机制研究

温度对局部放电(partial discharge,PD)的发展过程有着重要的影响,但温度对PD的引发机制目前尚不明确。针对温度变化对电缆附件界面缺陷处PD引发机制进行研究。首先,对电缆附件界面单元与缺陷位置进行设计与仿真,并对界面单元不同温度下气隙缺陷PD特征进行测量。然后,搭建含有半导电层突起缺陷的电缆电热老化平台,通过电流通断模拟冷热负荷对电缆运行温度的影响。对界面单元和缺陷附件的局部放电起始电压（partial discharge inception voltage,PDIV）和PD相位谱图（phase resolved partial discharge,PRPD）进行对比分析,结果表明：随着测试温度的升高,界面单元的PDIV从8.3 kV降至6.9 kV,局部放电量有大幅提升,PRPD图显示出明显的内部放电特征。真实电缆附件缺陷处PD则会在温度快速上升时出现短暂的活跃,此时局部放电量与局部放电数都会出现明显增加,温度稳定后PD逐渐被抑制。上述现象主要与温度变化导致的界面处空间电荷分布和界面材料热胀冷缩所带来的“呼吸效应”有关,研究结果表明：真实电缆附件在大温度梯度下进行局放测试可提高局放检出率,为解决传统测试对局放检出可靠性不足提供了理论依据。     

基于脉冲电声法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术的研究进展

空间电荷现象严重制约着高压直流塑料电缆的发展。目前,脉冲电声法（pulse electric acoustic,PEA）是国际上常用的测量固体电介质中空间电荷分布的非破坏性的方法之一。首先从高压脉冲的注入方式出发,简述了几种基于PEA法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术;同时,提出了一种基于高压脉冲从测量电极注入电缆试样的改进测量装置,在该装置中通过蓄电池、环氧底座以及光电转换器等将采集数据的示波器进行对地隔离,从而提高了测量系统测量信号的频带宽度;然后,介绍了同轴塑料电缆空间电荷波形的恢复方法;最后,概述了空间电荷测量技术在评估电力电缆老化程度中的应用和未来在线测量空间电荷的可行性及发展方向。