热老化对挤塑绝缘XLPE直流电缆空间电荷特性的影响

对国产200 k V挤塑绝缘交联聚乙烯直流电缆进行切片热老化研究,通过空间电荷测试分析热老化对电缆空间电荷特性的影响。试验结果表明:未热老化试样表面靠近电极区域出现大量异极性空间电荷,导致试样内部电场发生严重畸变。这些异极性空间电荷主要源于电缆制造过程中的交联副产物,因制造过程中脱气不充分而残留在电缆绝缘内部。热老化初期,试样表面区域的异极性空间电荷快速消失,这可能是由于热老化过程中的高温加速了交联副产物的释放,降低了异极性空间电荷量,试样内部的电场畸变得到有效抑制。热老化后,试样表面区域的空间电荷由异极性电荷转变为同极性电荷,且同极性空间电荷量大致随热老化时间的增加而缓慢增加,表明XLPE材料经历了较缓慢的老化过程。     

温度梯度影响高压直流电缆用交联聚乙烯中空间电荷分布的作用机理

实验结果显示温度梯度会加剧交联聚乙烯(XLPE)低温侧的异极性电荷积聚,而在高温侧仅形成少量的同极性电荷。针对这一问题,分别基于杂质电离和注入载流子抽出受限这2种理论,探讨了温度梯度影响XLPE中空间电荷分布的机理,并指出介质内部存在的温度梯度可以通过影响载流子的迁移率来影响空间电荷分布,而两侧电极上的温度差会通过影响两侧载流子的注入和抽出来影响整体空间电荷的分布。为了验证以上推论,测量了不同厚度的试样在不同温度条件下的空间电荷分布,结果显示:在相同温度差和不同温度梯度下,薄试样中会积聚更多的异极性电荷,由此验证了介质内部的温度梯度可以促进低温侧异极性电荷的积聚;在相同温度梯度和不同温度差下,厚试样中会积聚更多的异极性电荷,由此验证了两电极间的温度差可以促进低温侧异极性电荷的积聚。     

直流叠加冲击电压下XLPE中空间电荷特性研究

高压交联聚乙烯（XLPE）直流电缆在工作状态下，会受到电力系统中由投切等操作引起的操作冲击电压的破坏，导致绝缘受到影响，而目前缺乏多次冲击累积效应引起空间电荷累积导致电缆绝缘劣化的相关研究。本文基于实验室已有的直流叠加冲击电压下的PEA法空间电荷测量系统，分别测量了直流电压、冲击电压、直流叠加冲击电压作用下XLPE电缆绝缘中的空间电荷特性。结果表明：正直流电压下XLPE体内以异极性电荷为主，负直流电压下SC电极上出现同极性负电荷的注入；连续的高幅值冲击电压作用会导致双电极上大量的同极性电荷注入，且负极性冲击下电荷注入量略多；当直流叠加冲击电压时，同极性叠加方式比异极性叠加方式更能促进双电极上同极性电荷的注入，而且冲击电压作用时间越长，XLPE试样内部积聚的电荷量越多。     

热处理温度对三元乙丙橡胶交流电场特性的影响研究

通过三元乙丙橡胶片状试样在100℃和200℃常压环境下分别18h热处理后,对试样中副产物含量、交流击穿场强、陷阱参数和空间电荷等特性进行检测和对比,研究热处理温度对乙丙橡胶交流电场特性的影响。检测结果表明:试样中主要杂质含量和空间电荷量随热处理温度上升而减少,其中100℃处理后击穿场强、陷阱能级变化不大,200℃处理后击穿场强下降11%,深能级陷阱密度大幅上升。击穿场强和陷阱密度的变化趋势表明,100℃处理后绝缘性能无明显变化,但200℃热处理后绝缘已明显老化。未处理试样中半导电电极侧和铝电极侧分别表现为明显的异极性电荷和同极性电荷积累,且在交流电场180°区域未出现明显的电荷积累;200℃处理后的老化试样在两电极侧区域均为同极性电荷积累,且铝电极侧在交流电场180°区域出现了显著的负极性电荷积累。根据空间电荷等密度线扩散趋势和不同类型电荷在正、负半周电场下的迁移方向,可以推测电极侧的同极性电荷主要源自电极注入,异极性电荷主要源自杂质解离形成的离子。交流电场180°区域的负极性空间电荷积累,可能与200℃处理后试样老化导致的0.72～0.95eV范围内的陷阱大量形成相关,正半周内注入电荷被深陷阱大量俘获,且在10ms半周期内无法快速脱陷,残留至负半周。     

直流电老化对160kV直流电缆材料空间电荷分布特性的影响分析

本研究对160 k V直流电缆切片在40 k V/mm的高直流电场下进行电老化试验,采用电声脉冲法(PEA)对电老化前后的空间电荷分布特性进行了研究,并对XLPE在直流电场下的老化机理进行分析。结果表明:电老化导致直流电缆绝缘的同极性空间电荷注入现象增强,空间电荷向绝缘内部迁移。随着老化时间的增加,空间电荷总量以及电荷陷阱深度增加,电荷脱陷过程变得更加困难。在整个老化周期内未发现异极性空间电荷,表明虽然试样内空间电荷量有所增加,但其老化程度并不严重,大部分XLPE分子链保持完整,说明160 k V直流电缆材料具有较强的空间电荷抑制能力及耐老化特性。     

老化方式对交流交联聚乙烯电缆空间电荷分布的影响

为了研究高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆老化状态与绝缘空间电荷特征的关系,通过测量高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆不同位置绝缘的空间电荷特性,分析了老化方式对XLPE电缆空间电荷分布规律的影响。采用电声脉冲(PEA)法测量XLPE内空间电荷分布规律,发现未老化电缆铝电极附近积累同极性电荷,而老化后电缆的铝电极附近积累异极性电荷。沿电缆径向由内向外,未老化电缆及实际运行22a电缆电荷量增高,加速老化1a电缆电荷量降低。分析认为,加速老化电缆的老化可能起始于电缆绝缘内侧,实际运行电缆老化可能起始于电缆绝缘外侧。结果表明不同老化状态下交流XLPE电缆绝缘空间电荷行为明显不同,空间电荷测量可以作为评价交流XLPE电缆老化状态的有效手段。     

热老化对电压稳定剂改善交联聚乙烯绝缘性能的影响

为了进一步提高交联聚乙烯(XLPE)的电气性能,该文选用间氨基苯甲酸作为电压稳定剂,用溶液法制备了质量分数为1％的XLPE共混物试样,并对试样进行加速热老化实验.利用空间电荷、电导率和表面电位衰减测量,研究了添加电压稳定剂和热老化前后材料的电气性能.通过试样在添加电压稳定剂与老化前后的电场和陷阱能级分布,分析了电压稳定剂以及热老化对试样内部陷阱的影响.结果表明,间氨基苯甲酸能够有效抑制XLPE中的空间电荷积聚,改善试样内部电场分布,同时降低试样的直流电导率.热老化后,试样内部出现了明显的空间电荷积聚,电场畸变明显,表面电位衰减速率下降,直流电导率有明显上升.由此可知,电压稳定剂的添加导致试样内部深陷阱和浅陷阱密度的增加,提高了电荷注入的势垒.热老化使陷阱密度下降,深陷阱加深,导致材料中空间电荷积聚,电场畸变明显,从而降低了材料的电气性能.     

交联聚乙烯直流电缆料高温空间电荷行为特性

为研究进口交联聚乙烯(XLPE)直流电缆料高温空间电荷行为,开展了XLPE试样脱气前后的直流电导、介电和高温下空间电荷稳态暂态过程试验。结果表明:未脱气XLPE的电导电流和介质损耗均大于脱气XLPE;在-30 MV/m下脱气前后XLPE内部均为负极性电荷积聚,且在30℃和70℃下电场畸变率不超过25%;70℃、-100 MV/m下极化初始2 s的快速测量发现,脱气XLPE出现正空间电荷包的快速迁移,而-150 MV/m下则出现了负空间电荷包的注入与迁移,正、负空间电荷包的运动过程均遵循负微分迁移率。分析认为:脱气处理降低了XLPE交联副产物的含量,减少了离子电离,从而减小了低频区的电导率;在-30 k V/mm时,试样内部积聚的少量负电荷主要由交联副产物及杂质电离所产生,随着场强的提高,开始出现由电极注入的正电荷且杂质离子产生的速率要高于正电荷的注入速率;70℃、-150 MV/m下极化初始阶段,正电荷快速迁移至阴极附近,致使阴极附近电场严重畸变(畸变率最大达61.5%),导致阴极大量注入负电荷并在试样内部形成负空间电荷包。     

水分含量对直流电场下油纸绝缘空间电荷动态特性的影响

为研究水分含量对直流电场下油纸绝缘内部空间电荷积聚特性与消散特性的影响,使用快速空间电荷测量系统与极化去极化电流测量系统分别测量了不同水分含量的油纸绝缘试样在直流电场下的电导情况与加压短路过程的空间电荷分布情况。结果表明:0. 91%水分含量条件下,油纸电导与场强呈现线性关系; 5. 21%水分含量条件下,电导与场强呈二次抛物线关系,且水分含量的上升使油纸绝缘电导提升多个数量级;相同水分含量条件下,外加场强的上升能增加电极处积累的同极性空间电荷。0. 91%水分含量条件下,油纸内部积聚的正极性空间电荷在加压过程中不断增加,且正极性空间电荷注入的深度不断提高; 5. 21%水分含量条件下,随加压持续,阴极积聚的同极性空间电荷向油纸内部迁移;不同水分含量条件下,加压过程中水分含量的上升使电极处积聚的同极性空间电荷与感应电荷增,而原先油纸内部积聚的正极性空间电荷减少。且油纸靠近电极处积聚的异极性空间电荷增多;短路过程中,水分含量的上升加快了油纸的放电过程,并抑制了电极处极性反转现象的出现。     

不同温度热老化条件下交联聚乙烯电缆绝缘热性能和力学性能的劣化趋势研究

对110 k V交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘在100℃和160℃进行加速热老化实验,研究不同温度热老化条件下XLPE绝缘热性能和力学性能的劣化规律。通过红外光谱分析(FTIR)和差示量热扫描分析(DSC)表征了热老化试样中抗氧化剂的含量;通过X射线衍射(XRD)计算了不同热老化试样的结晶度;通过热重分析(TGA)研究了热老化试样的热降解特性;通过拉伸实验研究了热老化试样的力学性能。结果表明:热老化引发的氧化反应导致XLPE试样中的抗氧化剂逐渐消耗。当抗氧化剂存在时,氧化反应被抑制,XLPE试样的热性能和力学性能并未明显劣化,甚至还出现了一定程度的提升。当抗氧化剂消耗完毕后,氧化反应快速进行,引发剧烈的分子链断裂,结晶度下降,导致热性能和力学性能快速劣化。相比100℃热老化试样,160℃热老化试样的热性能和力学性能劣化更快,这是由更快的氧化反应速率以及结晶区遭受到更严重的破坏导致的。     

不同含水量油纸绝缘热老化过程中的空间电荷特性研究

水分会导致油纸绝缘电气性能下降并加速老化,但是水分对油纸老化过程中空间电荷特性的影响鲜有报道。本文利用电声脉冲(PEA)法研究了不同老化阶段、不同含水量油纸中的空间电荷特性,结果表明当含水量较低时,增加含水量可以加速空间电荷到达稳态,但是进一步增加含水量反而会减速;老化初期的油纸主要以异极性电荷积聚为主,而随着老化程度的加剧,逐渐演变为同极性电荷注入。随着含水量的增加,需要更长的老化时间电荷注入类型才会发生变化,继续增大含水量将加速注入类型的转变。分析认为水分一方面会加速老化,加剧空间电荷积聚,另一方面会加快或减缓空间电荷到达稳态的过程,所以电荷注入类型会发生转变,转变时油纸中的空间电荷会很快到达稳态,阳极附近空间电荷积聚变少,电场畸变程度小。     

高压直流电缆用交联聚乙烯绝缘材料交联特性及机理

高压直流电缆绝缘材料的交联特性直接影响电缆的运行温度和空间电荷特性,因而主要通过凝胶质量分数、流变行为和热延伸测试分别分析了北欧化工(试样1)和陶氏化学(试样2)生产的2种新型高压直流电缆用XLPE材料交联特性的差异,并研究了交联效应对材料空间电荷性能和热力学性能的影响。结果表明:试样2在低交联剂添加量的情况下保证了较高的交联度,耐热性较好。对比2种材料的空间电荷特性,发现试样1两电极附近的同极性注入较明显,而试样2内部的电荷注入较深。在低场强下,试样2内部积累的电荷量较少;而随着场强的增加,试样2内部积累的正电荷量变大,且电荷衰减速率较慢。此外,从XLPE的分子结构和结晶形态对2种材料的交联机理进行了探讨,研究结果为未来如何通过降低交联剂含量开发国产化高压直流电缆XLPE材料提供了新思路。     

500 kV直流电缆用交联聚乙烯绝缘特性研究

研究了两种新型500 k V直流电缆用交联聚乙烯(XLPE)材料的直流电气强度、空间电荷特性和电导率与温度及场强的关系,并对测试结果进行了对比分析,然后结合材料的微观结晶形态对绝缘性能差异进行了讨论。结果表明:两种材料的直流击穿特性几乎相当,特征电气强度均大于500 k V/mm;两种材料均具有较小的电导率-温度系数,其中2#材料的电导率-温度系数为0.048/℃;30 k V/mm场强下,两种材料中几乎没有发现异极性空间电荷的积聚,1#试样在正负极附近出现同极性电荷注入,而2#试样主要在正极处存在同极性电荷注入。     

温度梯度–直流电场长期协同老化下XLPE中的空间电荷特性

为研究实际电缆运行中的温度梯度效应对高压直流交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆绝缘长期运行可靠性的影响,采用自制的多组片状试样适用的温度梯度场–直流电场协同老化装置,分别对3种XLPE绝缘料(包括国产XLPE料、纳米改性后的XLPE料、北欧化工产高压直流XLPE料)进行温度梯度场–直流电场协同老化试验。为了进行对比研究,同时对以上3种XLPE绝缘料进行了传统高温场–直流电场协同老化试验。通过电声脉冲法空间电荷测量设备,测量了不同老化时间后(未老化、老化一个月和三个月)三种XLPE试样的空间电荷特性。同时测量了3种XLPE试样老化后的电阻率变化及红外光谱特性。结果表明,高温老化试样中空间电荷在体内均匀分布;而温度梯度老化试样中异极性空间电荷主要聚集在两电极附近。同时3种XLPE电阻率均随老化时间增加而降低,且温度梯度老化试样电阻率低于相同条件下的高温老化试样。另外,国产纳米改性XLPE老化后羰基吸收峰峰值最小,表明其老化程度最低,体内电荷积聚最少。     

LDPE中掺入浮石粉对其空间电荷分布特性的影响

为研究低密度聚乙烯和掺杂浮石粉的聚乙烯中的空间电荷分布规律,采用热共混法制备了掺杂不同质量分数浮石粉的低密度聚乙烯(LDPE)材料,并利用脉冲电声法,分别测试了在不同电场强度下以及短路状态下的空间电荷分布随时间的变化。得出在电场的作用下,纯聚乙烯中的空间电荷主要积聚在电极附近且大部分为同极性电荷;相对地,浮石粉复合聚乙烯中则有大量的异极性电荷在阴极附近出现,并且电荷量随着浮石粉质量分数的提高而增加,而当浮石粉质量分数为5%时,且电场强度较高时,有大量正电荷从阳极注入并向阴极移动的空间电荷包现象;短路实验的结果表明,纯聚乙烯和浮石粉的质量分数为1%的复合聚乙烯中的空间电荷衰减较快,然而浮石粉质量分数为2%和5%的复合聚乙烯中的空间电荷衰减较慢。测试结果表明,浮石粉复合低密度聚乙烯材料中出现的异极性电荷和正电荷注入将有助于改善空间电荷分布,从而提高高聚物材料的介电性能。     

半导电屏蔽材料对高压XLPE电缆绝缘电气性能的影响

为研究半导电屏蔽材料对高压XLPE电缆绝缘中电荷输运行为的影响，本研究选用国内外3种不同型号的半导电屏蔽材料配合同一XLPE绝缘，模拟实际电缆结构试制了屏蔽-绝缘-屏蔽的三明治结构试样，并对其进行高场强电导测试以及空间电荷测量。结果表明：屏蔽层的引入使绝缘内部的电导方式发生了改变。相较于纯XLPE绝缘试样，含屏蔽层配合的绝缘试样电荷注入明显增加，其中进口屏蔽料配合的试样绝缘-屏蔽界面对电荷注入的抑制能力较强，电荷注入程度较弱。电荷注入会对空间电荷在绝缘内部的积聚程度产生影响，其中，含国产屏蔽料配合的试样的空间电荷积聚较为严重，含进口屏蔽料配合的试样空间电荷积聚程度较轻。此外，空间电荷测量还需要注意因试样结构的特殊性带来的阻抗不匹配问题。     

热老化对交流配电XLPE电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响

为了研究热老化对交流配电交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响,先对已运行两年的10kV交流XLPE电缆样段进行135℃加速热老化试验,随后采用车床和特质刀具将电缆样段沿轴向环切得到薄片试样,通过直流电导率、空间电荷测量、表面电位衰减和直流击穿测试,结合载流子迁移率、活化能和陷阱参数的计算,对老化前后交流配电XLPE电缆的直流绝缘性能进行研究.结果 表明:随着老化时间的增加,交流XLPE电缆绝缘试样的直流电导率和载流子迁移率先下降后上升,长期老化后空间电荷积累阈值场强与试样的活化能明显减小,试样的直流电导率随着测量温度的升高而增加,其空间电荷积累阈值场强随着测量温度的升高而减小;随着老化时间的增加,试样中积累的空间电荷由异极性转变为同极性,深陷阱数量与直流击穿场强均呈现先上升后下降的趋势;分析认为短期热老化有利于提高交流配电XLPE电缆改为直流运行后的直流绝缘性能.     

交联聚乙烯试样中空间电荷输运特性的数值模拟

挤塑型交联聚乙烯(XLPE)高压直流电缆绝缘中空间电荷的积聚会造成局部场强畸变,导致材料的绝缘性能下降。电缆内导体的热效应在绝缘层产生的温度梯度会进一步影响电荷行为,纳米颗粒改性是抑制空间电荷的一种有效措施,但抑制作用具体如何实现,尤其是对于微观层面载流子输运过程的影响规律还需深入分析。试样内空间电荷的数值仿真可以探究各种微观粒子之间的相互作用和演化过程,因此文中基于载流子抽出受限的双极性电荷输运模型,对温度梯度下的电荷行为,深陷阱与浅陷阱对于载流子迁移过程的影响进行了研究。结果表明：低温侧会因抽出受限而积聚异极性电荷,深陷阱会限制载流子输运且深陷阱作用存在瓶颈,随着迁移率增大,电荷分布由同极性变为异极性分布,当迁移率足够大时,异极性电荷不再增长甚至开始降低。     

热循环处理下电缆绝缘空间电荷特性研究

电缆绝缘特性的变化与实际运行工况有关,绝缘层的温度会随负荷波动发生变化,恒温热处理不能对其进行模拟。为了研究电缆投运时绝缘层的温度变化对其交联聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)绝缘空间电荷特性的影响,对3个不同电缆厂家生产的110 kV电缆绝缘分别进行了最高温度为80℃、90℃和100℃的热循环处理,并结合傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、差示扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)和空间电荷实验结果,分析了热循环20次前后XLPE绝缘的空间电荷特性变化。结果表明:热循环处理前,XLPE残留的交联副产物等杂质成为试样电极处异极性电荷的主要来源;热循环处理后,试样内部出现次级结晶,同时XLPE支链和极性端基增多,使得其陷阱数目增大,且以浅陷阱为主;热循环处理温度越高,不饱和基指数越小,极化阶段平均体电荷密度越小,试样中生成的陷阱数目越少;在热循环刺激作用下,XLPE的熔融温度升高,结晶度增大,试样内部的深陷阱数目增多;热循环处理温度越高,次级结晶形成的片晶厚度越厚,试样中生成的深陷阱数目越多。短时适当提高电缆投运时的绝缘层温度,有助于减少电缆绝缘内部杂质以及生成的陷阱数目。     

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。