工频叠加冲击电压下XLPE绝缘中电树枝的生长特性研究

为了研究工频叠加冲击电压对XLPE绝缘中电树枝生长特性的影响,搭建了工频叠加冲击电压实验平台。首先,对XLPE样本施加工频电压以培养出电树枝,然后对工频电压作用下不同生长时刻的电树枝样本施加冲击电压,通过实时显微观测系统完整记录样本中电树枝的生长过程。利用扫描电镜观察电树枝的微观结构,使用COMSOL有限元仿真软件根据其微观特征搭建电树枝的电场仿真模型,进一步分析工频叠加冲击电压作用下电树枝的生长过程与微观结构的关系。结果表明:当工频叠加冲击电压作用于XLPE样本时,电树枝尖端电场畸变严重,样本中无定形区分子链快速断裂,导致从电树枝尖端处快速生长出枝状电树枝;由于工频叠加冲击电压作用时XLPE样本被注入空间电荷,撤去冲击电压后仅工频电压作用于样本时,空间电荷累积在电树枝尖端均匀了尖端电场,使电树枝向地电极方向的生长受到了抑制。     

外施电压频率对XLPE电缆绝缘中电树枝生长特性的影响

本文研究了半结晶交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘试样在50～2000Hz正弦电压下电树枝的结构特征与生长特性,发现由于XLPE的半结晶聚集态物理结构,在小于250Hz施压频率下会生成枝状、枝状与丛林混合状及纯丛林状三类电树枝,在500Hz以上高频下则只能生成稠密枝状电树枝,分别对应于不同的生长机理.低频下电树枝生长特性和电树枝结构与材料的聚集态密切相关,而高频下的电树枝生长特性与材料的聚集态关系不大.高频电树枝与环氧树脂、有机玻璃等高聚物材料中的生长规律相同.半结晶高聚物在低频下的电树枝生长特性主要取决于晶界与无定形界面的微孔、杂质集中情况以及针尖电极与晶块或无定形区所处的相对位置,而在高频下电极向介质中注入与抽出电荷的过程较低频下猛烈,会形成较均匀的介质弱区,因此高频电树枝引发与生长规律较为单一.     

交联聚乙烯电缆绝缘中的导电和非导电型电树枝

研究发现,交联聚乙烯中存在导电型、非导电型和混合型三种电树枝,分别对应于不同的生长机理,主要取决于介质的聚集态和施压频率等.实验表明,均匀结晶态中的电树枝为导电型,非均匀结晶态大球晶界面的电树枝为非导电型;频率会促进非导电型电树枝的发展,但对导电型电树枝的引发与生长不产生显著影响.非导电型电树枝引发过程较弱时,会缓慢发展成为混合型.研究分析证实,空间电荷限制下的树枝尖端微击穿是深入到晶体中的导电型电树枝缓慢发展的主要过程,局部高温高压气体沿晶界弱区迅速膨胀、树枝通道中的局部放电和电荷复合等是非导电型电树枝发展的主要过程.     

空间电荷与电树枝的引发(摘要)

本文在宏观实验结果的基础上,提出了在有机玻璃介质中无气隙非均匀电场下电树枝的引发模型。藉助电子注入产生树枝的实验结果,分析了空间电荷在不同条件下对电树枝引发所起的具体作用。在恒定电压作用下,电树枝引发是由于介质局     

MgO/LDPE纳米复合材料抑制空间电荷及电树枝化特性

应用经硅烷偶联处理后的纳米氧化镁(MgO)粉末与低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)共混,制得MgO/LDPE复合介质。高成分衬度扫描电镜(scanningelectron microscope,SEM)中图像表明,粒径为100 nm左右的MgO纳米粒子均匀的分散于介质中。通过电声脉冲法(pulsed electro-acoustic,PEA)测试发现,当纳米MgO填料的质量分数为4%时,可以有效抑制空间电荷的注入,伏安特性的实验结果表明,复合介质拥有更高的空间电荷注入阈值场强。通过电树枝实验,发现复合介质可以抑制电树枝的引发和生长。最后,对实验结果进行了分析,探讨了纳米复合介质抑制空间电荷和树枝化生长的机制。纳米颗粒与基体材料界面电荷行为可能是复合介质电学性能改善的原因。     

XLPE直流接地电树枝生长特性及形态结构

电树枝化是交联聚乙烯(XLPE)绝缘劣化的重要表征。为此,对直流接地电树枝生长特性和电树枝形态结构进行了试验研究,重点分析了正负极性直流接地电树枝生长机理。同时,利用分形维数定量描述了电树枝结构特征,并结合电树枝生长过程中分形维数变化规律对不同极性接地电树枝生长机理进行了分析。最后通过提出导电通道分压理论和电树枝尖端屏蔽机理对直流接地电树枝生长特性进行了解释说明。试验结果表明:直流接地电树枝生长特性具有显著的极性效应;正极性直流接地电树枝生长速度较快,电树枝分枝较少且通道颜色较浅,形成明显的稀疏枝状结构;负极性直流接地电树枝生长方向具有分散性,细小分枝较多且分枝主干道颜色较深,形成相对密集的枝状结构。该试验结论可为今后同类型试验研究及高压直流电缆安全稳定运行提供理论参考。     

不同温度下高压直流电缆纳米复合绝缘中的周期性直流接地电树枝特性

该文自主研发了一种以交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)为基体,添加0.5 wt%纳米Mg O颗粒的新型高压直流电缆绝缘材料。为研究不同温度下该材料中直流接地电树枝特性及其影响因素,对该材料和某商用级XLPE高压直流电缆绝缘材料进行了20~80℃下不同极性不同电压幅值的周期性直流接地电树枝实验。结果表明:电子比空穴更易注入,且在材料中拥有更大的平均自由程,因此负极性下电树枝比正极性下更易引发,且生长更为分散;纳米Mg O的添加增加了材料中的陷阱密度,减弱了电荷注入,故纳米Mg O/XLPE绝缘材料表现出更好的抗电树枝化性能;温度升高增强了电荷注入与脱陷,提高了电子平均自由程与电荷分布均匀度,使电树枝更容易引发和生长,且形态更加茂密。由此可见,电压极性与温度的改变,以及纳米Mg O的添加均会对材料中的周期性直流接地电树枝的引发与生长产生影响。     

基于微逾渗理论的电树枝引发和生长特性

为研究绝缘介质内电树枝的引发与生长机理,该文提出微逾渗理论,进而建立电树枝的微逾渗模型,并利用环氧树脂CY1311的数值模拟与实测结果进行了有效性验证。数值模拟结果显示,微逾渗模型针对环氧树脂CY1311在7、10和15kV下的电树枝仿真图像与实验结果非常贴近,且7、10kV时数值模拟结果的分形维数与实验结果间的最大误差仅为5.8%。结果表明,在工频电压作用下,由针尖注入的电子增加了微区域的键逾渗概率,以及热电子对聚合物分子链的撞击,二者共同引发电树枝,并形成绝缘失效区;而邻近微区域中高能电子的冲击可进一步确定电树枝的生长方向。进一步地,外加电压与温度的升高均会增大微逾渗概率。所得结果有助于从微观层面理解电树枝的引发及生长过程,为探究电树枝的抑制措施提供参考。     

硅橡胶绝缘介质中电树的特性研究

电树枝的生长是聚乙烯(PE)和交联聚乙烯(XLPE)电力电缆绝缘电老化的主要原因。电缆附件中结构复杂、电场分布不均匀,其主绝缘材料———硅橡胶长期处于高场强下。因此,非常有必要研究硅橡胶绝缘介质中电树枝的生长特性及机理。笔者选取了电缆附件应力锥的硅橡胶材料作为试验样本,研究了其电老化现象。实验过程中采用了典型的针—板电极,通过施加直流和交流电压以及改变试验参数等方式促进电树枝的生长。实验中使用数字显微成像系统实时拍摄了电树枝的整个生长过程。结果表明:硅橡胶绝缘介质中由硅的化合物形成的电树枝通道是绝缘的,完全不同于PE和XLPE电力电缆中具有导电或者半导电性质的碳化通道;电树枝的生长速度和结构完全依赖于试验电压种类、交流电压幅值和电源频率,随着电压幅值以及电源频率的增加,生长速度明显增快。     

电树枝起树后电压幅值对生长形貌和局部放电特性的影响

电树枝在XLPE电缆故障中是一种常见现象，在电缆运行过程中可能会存在电压的波动，然而鲜有报道电树枝起树后电压幅值对其生长形貌和局部放电特性的影响。本文研究了电树枝起树后不同电压幅值下电树枝生长形貌和局部放电特性的差异。结果表明：施加电压越高，电树枝的形貌趋向发展为丛状电树枝，施加电压越低，电树枝的形貌趋向发展为枝状电树枝或单枝状电树枝；在较高电压下的最大局部放电强度试验可用于预测击穿故障，而在较低电压下很难通过局部放电强度预测电树枝的生长；电树枝的放电间隔Δt最大值随着加压时间的增加而变长，放电的间歇性也更加明显，电树枝放电间隔与电树枝的生长联系紧密，当电树枝生长停滞时才有概率出现局部放电的间歇性，电树枝处于生长时局部放电几乎不会停滞。     

不同工频电压下110 kV级XLPE电缆绝缘中电树枝生长情况与局放特征

通过实时观测110 kV电缆切片中电树枝老化过程,发现在不同电压等级下电树枝生长特性各异。将其生长特性与各阶段采集到的局部放电数据进行统计分析,发现一个工频周期内的最大放电量和放电次数与树枝生长有一定关系,9 kV时电树枝生长过程中有一段时间有局部放电熄灭现象,整个过程的最大放电量在电树枝生长的前期阶段;12 kV时电树枝生长过程中局部放电特征量存在一个衰减期,但最大的放电量在生长末期;18 kV时局放特征量都有平稳缓慢增长趋势。结果表明,通过局部放电某些特征量能较好地反映电树生长严重程度。     

XPLE电树枝生长过程中局部放电SHF信号特性研究

交联聚乙烯(XLPE)电缆中电树枝的生长伴随局部放电(PD)的产生,二者间存在一定关联。XLPE材料绝缘强度较高,其中发生的PD在超高频(SHF,3～30 GHz)频段的信号幅值相对较高。文中采用基于针-板电极结构和XLPE绝缘材料的试样,在不同温度和电压下对电树枝生长过程中的形态和PD的SHF信号进行同步检测,分析了电压与温度条件对二者的影响,并研究了二者间的特征关系。研究表明XLPE中电树枝的长与宽和温度与电压呈正相关,电压较低时对分形维数较低,较高时分形维数无明显变化。SHF信号幅值也与温度和电压呈正相关关系,电压较高时,信号幅值呈现先增大再减小至平缓趋势,频率在电压较低时信号有一定程度下降。电树枝生长情况和SHF信号的幅值呈正相关关系,且当电树枝生长速度较快时,SHF信号的频率也会升高。     

高温下交联聚乙烯电缆绝缘中电树枝测试系统设计

设计了高温下交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中电树枝化的实验系统,在外施工频电压有效值为13 kV下,对不同温度下高压XLPE电缆绝缘中电树枝生长及其局部放电特性进行研究,结果表明,温度对电树枝的生长具有重要影响,整个系统可以用于高温下电树枝生长过程的实时观测与局部放电连续测量,为研究高温下XLPE电缆绝缘中电树枝引发与生长机理及其局部放电特性分析提供了实验研究平台。     

交联聚乙烯电缆绝缘中的双结构电树枝特性及其形态发展规律

根据从电树枝动态生长过程中所拍摄的大量实验照片和生长特性数据，探讨了在XLPE电缆绝缘中的电树枝发展特征与材料聚集态结构的关系。研究表明，由于半结晶高聚物不均匀聚集态、不均匀结晶和残存应力的影响，会在XLPE电缆绝缘中生成枝状、丛林状、藤枝状、松枝状和混合结构电树枝。并且在电树枝发展过程会呈现非常清晰的三个基本阶段，即引发阶段、滞长阶段和迅速发展阶段。引发阶段猛烈时生成迅速生长的纯枝状电树枝，引发阶段较弱或材料均匀时易导致丛林树状电树枝产生，发展于极不均匀区的电树枝多为鲜明的双结构；另外，引入一种新的参数，电树枝扩展系数来描述电树枝生长特性，并综合电树枝生长过程分形维数的变化规律和速度关系对产生这种实验现象的机理进行了分析。     

频率对高密度聚乙烯电树老化特性的影响

为了解频率对高密度聚乙烯电树老化特性的影响,在50Hz~90kHz较宽频率范围的交流电压作用下,研究了冰水淬火高密度聚乙烯(HDPE)薄膜的电树老化特性。结果表明,频率对电树起始形态具有重要的影响,随着电压频率的升高,树枝型电树的起始几率逐渐降低,丛状型电树的起始几率逐渐升高,电树逐渐由树枝型起始为主向丛状型起始为主转变,树干型和直击型为高频下所特有的电树起始形态。随着电树的生长,电树形态存在转换的可能,低频下,起始占主导的树枝型电树向丛状和树干型转变;高频下,起始占主导的丛状型电树则极易转变为树干和击穿型,导致绝缘的破坏。电树的发展可分为起始、滞长、生长和击穿期4个阶段。频率的提高加快了电树的发展速度且减少了电树的发展阶段,使发生击穿的几率大为增加。     

基于紫外成像技术的电气设备放电故障定位

夜间型紫外成像仪获得的放电图像往往因其拍摄条件及其设备的限制,不能很好的实现电晕放电位置的定位,为此在对紫外图像进行降噪预处理的基础上,分别依据紫外图像灰度值的不同、放电部分的灰度值均高于环境部分灰度值、放电部分与环境部分灰度值相差明显且人眼对黑色敏感习惯以及放电部分边界梯度变化大的原理,采用等位图法、阈值法、反转法和边缘法研究了基于紫外成像技术的电气设备放电故障定位。实验结果表明4种方法均可实现放电定位。通过对结果的对比分析,确定了各种方法的适用情况,此研究有利于基于紫外成像技术的电气设备放电故障诊断的实现。     

Relation between the superstructures and the tree deterioration in polypropylene

The initiation and growth of the electrical tree in crystalline polymers are influenced by the superstructure. However, there are still many unclear points in the relationship between the tree deterioration and the superstructure (spherulites). To study the relationship between the tree deterioration and the spherulite, we designed the measuring apparatus which allows simultaneous observation of these phenomena. The sample was set on the stage of the polarizing microscope to make observations of the tree initiation and growth in polypropylene. This paper reports the results of some observations concerning the tree initiation and growth in polypropylene with 60-Hz ac voltage. The results are as follows:

• 1 Prior to the initiation of trees, a fine deterioration zone is formed on spherulite surfaces. Thereafter, the discharge occurs along the spherulite surface, and the trees occur.
• 2 Tree shapes change under the influence of the distribution state of spherulite.
• 3 Tree initiation voltage is 5.8 kV for the spherulite inside and 5.1 kV for the spherulite boundary, respectively.

     

工频电压下110kV级XLPE电缆绝缘中电树枝生长阶段特性

基于实时显微数字摄像技术和局部放电连续测量相结合的实验方法,研究了不同外施工频电压下110kV级XLPE电缆绝缘中电树枝的结构特征及其生长特性。结合大量实验结果,研究发现在不同外施电压的作用下,电树枝结构呈现出多样性的特点,生长过程及其局部放电具有鲜明的阶段特性,而且每个阶段存在不同生长机理。