气泡及气隙裂纹缺陷对硅橡胶电树枝起始特性的影响

超高压电缆附件用硅橡胶的电树枝化严重制约了电力电缆的长期安全稳定运行。为此,采用针板电极结构,在硅橡胶试品的针尖处模拟了气泡和气隙裂纹两种缺陷,在工频电压下测量其电树枝起始电压,并通过数字显微观测系统记录电树枝形态,研究缺陷对硅橡胶电树枝起始特性的影响。结果表明,试品存在气泡缺陷时,电树枝起始电压比无缺陷时有小幅下降,起始阶段松枝状电树枝与树枝状电树枝出现的比例分别为65%和35%,与无缺陷产品相比不同电树枝形态出现的比率变化不大;而存在气隙裂纹缺陷的试品,电树枝起始电压则大幅下降,电树枝形态仅为树枝状。分析表明,硅橡胶具有优异的抗氧化性能使得缺陷中的氧对其电树枝起始特性影响较小;气隙裂纹导致的机械损伤和应力集中,是引起电树枝起始电压大幅下降的根本原因。     

针尖曲率半径对硅橡胶电树枝老化特性的影响

针对硅橡胶材料电树枝老化特性展开了试验研究。采用针板电极结构,测量了不同针尖曲率半径的起树电压和电树枝形态。结果表明,硅橡胶的起树电压较低,抗电树枝老化性能较差,导致了硅橡胶预制式电缆附件故障频发;硅橡胶中的起始电树枝多以单枝状的通道形成为标志,随后发展为4种不同的电树枝形态。进而提出了硅橡胶电树枝形态发展模型,并以此讨论了不同形态的电树枝老化特性。研究还发现,现场实际运行的硅橡胶预制式电缆附件故障解体后发现了单枝通道起始电树枝,其在运行电压作用下容易发展为细枝型形态,但同样会引发电缆附件的击穿。试验结果为现场故障分析提供了参考依据。     

温度对硅橡胶电树枝老化特性的影响

电缆系统运行温度对新型超高压预制式电缆附件主绝缘材料高温硫化(HTV)硅橡胶的性能具有重要的影响。为此,针对温度对HTV硅橡胶材料电树枝老化特性的影响展开了试验研究,测定了温度对HTV硅橡胶材料电树枝老化特性的影响规律,并对试验结果进行了理论分析。研究结果表明,在试验温度范围内,温升导致HTV硅橡胶击穿场强呈现略微下降的趋势,而起树电压则随温度的升高明显下降。试验中还发现HTV硅橡胶电树枝形态与温度密切相关,室温条件下以树枝状和松枝状电树枝为主,而高温下则以丛状电树枝为主。对上述试验结果的分析讨论后认为,温升引起HTV硅橡胶起树电压的大幅降低是导致新型预制式硅橡胶超高压电缆附件绝缘故障频繁的重要原因,因此,在电缆附件的绝缘结构设计时,对于温度变化而引起材料电气性能参数变化的相关问题应给予更多的关注。     

温度梯度叠加极性反转电压下硅橡胶电荷输运及电树枝特性

直流电缆长期运行在高温度梯度作用下,且时常遭受极性反转、冲击电压等暂态电压,严重影响电缆绝缘可靠性。该文选用电缆附件主绝缘硅橡胶材料,针对不同温度梯度场和极性反转电压下的电树枝起始特性进行研究。搭建极不均匀场下双极性载流子输运模型,研究不同温度梯度和极性反转过程中电荷输运和电场分布特性。研究结果表明：随着针尖温度的上升,空间电荷注入量和注入深度不断增加,反转前后电场的变化更大。温度从30℃增加至120℃,电树枝起始电压下降26.2%,电树枝形态趋于密集,但电树枝长度先增加后减少。结合空间电荷输运特性,给出极性反转电树枝起始的过程,并分析温度梯度对电树枝引发特性的影响规律。     

热老化时间对硅橡胶电树枝起始特性的影响

电缆系统长期运行在高温下会对新型超高压预制式电缆附件主绝缘材料硅橡胶(SIR)的性能产生影响。针对电缆长期最高运行温度(90℃)下热老化时间对硅橡胶材料电树枝老化特性的影响展开试验研究,测定90℃温度场下老化1 000 h对硅橡胶材料电树枝老化特性的影响规律,并进行理论分析。试验结果表明,90℃热老化作用下,硅橡胶随着老化时间的增加,起树电压出现先增再减的趋势。硅橡胶电树枝形态与老化时间密切相关,老化过程中树枝状比例很低,随着老化时间增加,丛状树枝比例先增再减,松状比例先减再增。另外,通过对最大放电量的测试可以发现,最大放电量的变化随时间先减再增。结合差热分析、平衡溶胀等试验对试验结果进行分析讨论后认为,90℃下硅橡胶交联网络破坏是硅橡胶起树电压大幅下降,电树枝形态改变的重要原因。运行温度下的热老化对硅橡胶的性能产生了严重的影响,需要引起重视。     

硅橡胶热老化特性及其对电缆附件运行可靠性的影响

电力电缆大力发展,使得新型硅橡胶绝缘材料由于其优良的机电热性能得以广泛应用在超高压电缆附件绝缘领域,但是绝缘故障时有发生,成为电缆输电线路的薄弱环节.本文提出材料老化特性是影响超高压电力电缆附件运行可靠性的重要因素,对硅橡胶材料电树老化性能进行了深入研究,研究温度对电树起始电压、形态的影响规律和电树随着时间的发展规律.研究显示硅橡胶电树起始电压随温度的升高明显下降,电树形态从树枝状、松枝状向丛状树枝过渡,表明硅橡胶绝缘材料在电缆运行温度范围内存在明显的热破坏特性,对硅橡胶电缆附件绝缘可靠性造成不利的影响,而较高温度的丛状电树的滞长特性则将成为电缆附件的长期性故障隐患.在特性研究的基础上,对比分析了温度对硅橡胶和聚乙烯电树老化性能的差异,认为当前硅橡胶电缆附件故障频发的主要原因之一是对硅橡胶老化特性缺乏了解,造成现有的常规结构设计上冗余不足.     

频率对硅橡胶起树电压及电树枝形态的影响

超高压预制式电缆附件用硅橡胶材料的电树枝化制约了电力电缆系统的长期安全稳定运行。为了解电压频率对硅橡胶电树枝特性的影响,在50 Hz~130 kHz这一较宽频率范围的交流电压作用下,试验研究了硅橡胶中电树枝的引发及生长特性。结果表明,随着频率的升高,起树电压呈现出明显的阶段性下降特点。硅橡胶电树枝起始后,经过一定时间的生长主要发展为3种形态:树枝状电树、松枝状电树和丛状电树。3种形态的出现几率受频率影响较大,低频下以树枝状电树和松枝状电树为主,而高频下则以丛状电树为主。经分析认为,高频下作用于针尖处频繁的机电应力导致了弹性材料硅橡胶起树电压的降低。同时高频下急剧增大的介质损耗产生的热量导致了电树枝对材料的强烈侵蚀。     

机械应力对硅橡胶电树枝起始性能的影响

选取电缆附件用硅橡胶材料为研究对象,研究了不同机械应力(0~0.5 MPa)下硅橡胶材料内部电树枝的起始特性。测量了硅橡胶材料的应力应变曲线,结合Mooney-Rivlin模型进行仿真计算。结果表明:随着外施压力的增加,电树枝的起树电压单调下降,出现单枝状电树枝的概率增加,密集形态电树枝(松枝状和丛状)的出现比例下降。当压强大于0.3 MPa时,丛状和松枝状电树枝消失。硅橡胶材料在承受外施压应力时,在内部的正交方向上将产生拉伸应力,解释了硅橡胶电树枝的起始特性。在电缆设计过程中,需要综合考虑机械应力对电树枝特性的影响,以保证电缆绝缘的有效运行。     

交直流叠加电压下硅橡胶内电树枝特性

直流电缆附件在运行过程中不仅要承受直流电压,还要承受因整流器件而产生的交流电压,在这种工况下,电树枝的引发和生长将不同于纯直流和交流的情况。在直流叠加交流电压下对硅橡胶中的电树枝进行了实验,研究了不同直流电压幅值对电树枝起始、生长和击穿特性的影响。实验结果表明:固定交流电压下,直流电压幅值的增加使电树枝起始电压先上升后下降;电树枝长度随着直流电压幅值增长基本呈现单一增长趋势,扩展系数随直流电压幅值增长而下降;当直流幅值相同时,正直流电压下电树枝的扩展系数均小于负直流下电树枝的扩展系数;随着直流幅值的增加,正直流电压下电树枝形态结构的变化趋势与负直流电压下的情况类似,试样的电树枝击穿概率增加,并且正直流电压对试样的击穿概率的影响较为显著。     

不同温度下XLPE-SIR异质绝缘的交/直流电树枝及局部放电特性

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆本体与附件构成的异质绝缘的电树枝化严重威胁电缆及附件的安全运行。为探明不同温度下XLPE-硅橡胶(silicone rubber,SIR)异质绝缘的交/直流电树枝及局部放电特性,分别在30、50和70℃下,对XLPE-SIR进行交/直流下的电树枝实验及局部放电检测。结果表明,局部放电特征量与电树枝发展阶段密切相关,其中放电量变化率相关性最强;异质绝缘界面对电树枝发展起阻碍作用;交/直流下试样击穿路径不同,推测这与实际界面的非理想接触状态及交/直流下界面附近电荷分布与局部放电差异有关;此外,温度升高不仅促进电树枝的引发与生长,同时对交流电树枝形态有显著影响。结果可为高压交/直流XLPE电缆附件处的绝缘老化状态监测与评估提供一定理论依据。     

硅脂对硅橡胶电树枝劣化特性的影响机制研究

电树枝劣化是硅橡胶电缆附件绝缘性能下降甚至击穿的主要原因,但电缆附件安装时在电缆本体与附件界面处涂覆的硅脂对硅橡胶电树枝劣化性能的影响目前尚缺乏研究。该文研究硅脂对硅橡胶电树枝劣化特性的影响,发现硅脂导致硅橡胶的起树电压由13.5kV下降至10.8kV,电树枝形貌由枝状向丛状转变。进一步的表面电位衰减特性、热分解过程和交联密度的测试结果表明,硅脂导致硅橡胶主链断裂,硅橡胶与白炭黑的物理交联结构被破坏、交联密度下降,硅橡胶中的自由体积增大,电荷迁移率上升。因此,注入的电荷在电场作用下获得更高的能量,撞击分子链段使其破坏程度加剧,最终导致硅橡胶绝缘起树电压降低。同时,自由体积的增大使得在较低的径向电场下,电荷也能加速获得足够的能量打断分子链。因此,电树枝形貌逐渐由树枝状向丛林状转变。     

硅橡胶中电树枝各阶段形态及局部放电特性研究

电树枝老化是导致硅橡胶电缆附件劣化的首要原因。目前主要通过局部放电检测预防故障,但经常无法及时发现绝缘缺陷,因此有必要研究硅橡胶电树枝形态与局部放电特性之间的联系。本文搭建了硅橡胶电树枝局部放电老化平台,记录并分阶段分析了恒定工频电压下电树枝形态变化过程和局部放电现象。结果表明:硅橡胶中电树枝的发展过程经历了起始期、生长期和滞长期3个阶段,每个阶段的主要形态分别为单枝状、松枝状和丛状;起始期和生长期局部放电信号的相位和图形特征明显;滞长期局部放电信号微弱而难以识别,但绝缘结构已存在隐患。     

直流叠加交流电压下交联聚乙烯中电树枝特性研究

电树枝在直流电压和交流电压下具有明显不同的引发和生长特性。为了研究直流电缆系统中直流成分和交流成分对电树枝特性的影响,该文研究了直流叠加交流电压情况下电树枝的引发和生长特性。研究结果表明,交流分量的引入极大地降低了电树枝的引发电压,并使得电树枝的生长速度较单纯直流电压下大大增加。直流叠加交流复合电压下电树枝的引发主要受交流分量的影响,而直流电压对其影响较小。负极性直流偏置电压下,电树枝主要为双结构的松枝状树枝,生长速度较慢,且直流电压的增大并未对其生长速度造成明显影响;而正极性偏置电压下,电树枝分支较少,生长速度较快,生长速度随着电压的增大而迅速增加。实验结果表明直流电缆系统中若存在较大的交流分量,将对直流电缆系统的绝缘安全构成较大威胁。     

温度对高压直流电缆中间接头内电场分布的影响分析

高压直流电缆附件中的电场分布主要取决于绝缘材料的电导率而非相对介电常数,由于交联聚乙烯(XLPE)和硅橡胶(SR)2种绝缘材料电导率差异较大,且受电场强度和温度影响较严重,导致直流电缆附件的设计比交流附件复杂得多。为此,采用软件仿真手段分析了不同温度梯度作用时,直流电压、直流叠加冲击电压下电缆接头中的电场分布情况。研究结果表明:在直流电压下,随着温度的升高电缆接头内的最大电场强度(简称场强)及XLPE/SR分界面的切向场强会大幅增加,而且绝缘内最大场强出现位置也会由高压屏蔽端部转移到应力锥根部;当直流叠加冲击电压作用时,接头内的电场分布会出现3个场强极大值点,压接管端部高压屏蔽内侧的场强最大,且不随冲击电压极性和线芯温度的变化而变化;直流叠加正极性冲击电压作用下,压接管端部SR材料内侧和应力锥根部XLPE材料内侧的场强随温度的升高而降低,而在直流叠加负极性冲击电压作用下这2点的场强随温度的升高而增大。以上研究结果可供高压直流电缆附件设计参考。     

电缆附件冷热交替循环电压试验方法研究

电缆终端的电气绝缘是电缆系统的绝缘薄弱环节,针对运行于高寒地区的电缆附件,提出采用冷热交替循环电压试验进行试验考核,并基于电缆附件的热循环电压试验方法,提出电缆附件冷热交替循环电压试验方法,以GIS终端为试品进行试验研究,研究结果可为运行于高寒地区的电缆系统附件提供试验考核方法。     

电缆附件冷热交替循环电压试验方法研究

电缆终端的电气绝缘是电缆系统的绝缘薄弱环节,针对运行于高寒地区的电缆附件,提出采用冷热交替循环电压试验进行试验考核,并基于电缆附件的热循环电压试验方法,提出电缆附件冷热交替循环电压试验方法,以GIS终端为试品进行试验研究,研究结果可为运行于高寒地区的电缆系统附件提供试验考核方法。     

直流电压下XLPE电树枝化过程中的局部放电特性

为揭示XLPE直流电缆绝缘中电树枝生长与局部放电之间的相关性,该文基于针–板电极结构建立直流电树枝生长与局部放电实验,并通过油浴循环研究温度对直流电树生长与局部放电特性的影响。此外,借助电树枝放电的气–固两相电荷仿真模型,探讨空间电荷与温度对直流电树枝放电的影响机制,揭示直流电压下局部放电驱动的电树枝生长机理。研究表明,当直流电树枝发展至地电极附近时,会因在地电极附近形成的介质阻挡层而“转向”沿水平方向生长。同时,当电树枝沿电场方向生长时,放电强度会增大,而沿垂直电场即水平方向生长时,放电量保持稳定,甚至会出现因新旧电树枝通道的产生与自愈造成放电强度波动。根据气–固两相电荷仿真,表明温度是影响直流电树枝生长的一个关键因素。一方面,温度升高使固体绝缘中电荷的迁移扩散速度加快,针尖处电场增强,增幅达45%;另一方面,高温下电树枝气体通道内电子碰撞电离加剧,带电粒子浓度与放电电流增加,提升了直流电树枝放电强度,加快了直流电树枝发展。     

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。     

国内文摘与专利

正直流电压下XLPE电缆绝缘中电树枝的生长特性研究/刘英;曹晓珑/西安交通大学学报,2014(4)为了研究XLPE电缆绝缘材料中直流电树枝的生长规律、形态特征及通道特性,利用树枝化试验及显微观察系统,结果显示,电树枝由细单枝逐渐发展为稀疏丛状结构,树枝通道为非导电型;电树枝生长缓慢,生长速率不超过1.0μm/min;树枝长度主要取决于加压周期数及直流电压幅值,电压持续时间在高压下影响增大;针极意外接地情况下,电树枝将瞬间引发或快速生长。     

低温下硅橡胶直流击穿特性变化规律研究

为了研究硅橡胶绝缘材料低温环境下直流击穿特性的变化,采用恒温试验箱对硅橡胶材料进行低温冷冻,利用球球电极与棒板电极模拟不均匀电场,试验测定不同温度下、不同氢氧化铝含量硅橡胶材料的直流击穿电压随温度的变化规律,分析了其中的原因机理,并测量了体积电阻率。试验结果表明:随着温度的降低,硅橡胶材料的直流击穿呈现出先增大后趋于稳定的特性;在相同的低温处理下,氢氧化铝质量分数为130%的硅橡胶样品具有最大的直流击穿电压;施加正极性直流电压时,硅橡胶绝缘材料的击穿电压略小于施加负极性直流电压时的击穿电压。