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。     

长期服役XLPE电缆绝缘的空间电荷与热性能

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)具有良好的电绝缘性能,被广泛用于高压电缆的绝缘材料,但长期服役会使电缆绝缘遭受不同程度的老化,降低绝缘性能,造成供电故障。为了评估不同运行年限XLPE的绝缘老化状态,进行了陷阱参数、空间电荷、表面化学组成、热性能以及介电性能的测试与分析。结果表明,XLPE电缆随运行年限的增加,表面电位衰减速率和电荷陷阱密度逐渐增加;而且新电缆积聚异极性电荷,以深陷阱为主;运行过的电缆积聚同极性电荷,以浅陷阱为主。DSC测试获得的熔融–结晶性能结果显示随着运行年限的增加,XLPE电缆绝缘结晶度降低,使载流子更易在试样内部形成击穿通道;此外,浅陷阱对电荷的捕获能力较弱,导致材料的击穿场强降低。交联副产物的变化和羰基的形成使得电缆老化或故障时绝缘材料的浅陷阱密度增加。总之,随着服役年限的增加,XLPE电缆绝缘出现明显劣化,产生C=C键、C=O以及—OH等极性基团和物理缺陷形成新的陷阱,增加了介质的浅陷阱密度,降低了绝缘的击穿性能。     

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。     

交流电场下XLPE绝缘空间电荷研究综述

XLPE电缆目前广泛地应用于电力系统中,如何评估和预测现场运行电缆的老化及早期劣化的程度,是电缆绝缘状态评估的重要内容,然而这项研究在国内仍是空白。XLPE电缆的制造工艺过程、运行中的过电压和温升以及耐压试验过程都可能造成XLPE电缆绝缘特性的改变,导致绝缘性能下降,形成陷阱,特别是空间电荷的形成,畸变原有电场分布,直接影响XLPE电缆的绝缘特性。大量研究表明,在直流电场下空间电荷危害XLPE电缆绝缘,关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的探索较少。综述了交流电场下空间电荷效应对XLPE电缆绝缘影响的相关研究成果,并介绍了测量固体介质空间电荷分布的电声脉冲法,为从空间电荷测量角度研究XLPE电缆绝缘老化程度和状态评估提供了参考。     

温度梯度下XLPE同轴和平板结构试样空间电荷行为对比性研究

直流电场下,电缆绝缘中的温度梯度效应导致绝缘材料空间电荷行为复杂,影响电缆系统长期运行的可靠性.目前,温度梯度下电缆绝缘空间电荷特性的研究多集中于平板结构的切片试样,但平板结构切片试样的空间电荷测量能否反映真实电缆绝缘中的空间电荷特性尚缺乏有力证明.该研究测量并分析了温度梯度场下2种不同结构(同轴结构、平板结构)10 kV交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)试样的空间电荷演变特性以及电场分布行为,基于去压状态下的空间电荷行为,计算了XLPE同轴电缆和切片试样的载流子迁移率以及陷阱深度分布,并对2种结构XLPE试样的空间电荷行为和电荷特性参数进行了对比性研究.该研究结果表明同轴结构和温度梯度效应均会加剧XLPE电缆外半导电层附近的空间电荷积聚,除了结构因素的影响,温度梯度场下XLPE同轴电缆和平板切片试样的空间电荷演变规律以及电荷特性参数均呈现出等效规律.     

交联聚乙烯电缆空间电荷与理化性能的关系

针对高压交联XLPE电缆,通过对未老化、加速老化1年和实际运行30年的电缆绝缘的空间电荷特性、力学性能及理化性能进行研究,分析了老化过程中电缆绝缘空间电荷分布与理化性能之间的关系。结果表明:沿电缆径向由内向外,未老化电缆电荷积累量增加,加速老化1年的电缆电荷积累量呈下降趋势,实际运行30年的电缆电荷积累量上升。结合力学性能及理化分析认为,加速老化电缆绝缘老化起始于绝缘内侧,并且影响到绝缘中间部位;而实际运行30年的电缆绝缘老化起始于绝缘外侧。     

高压电缆交联聚乙烯绝缘长期服役后的性能变化研究

为了准确表征电缆交联聚乙烯(XLPE)绝缘在长期服役过程中的性能演变,对比分析了110 k V新电缆XLPE绝缘和退役电缆XLPE绝缘的击穿特性、电荷陷阱特性和空间电荷特性的差异。结果表明:XLPE绝缘经过长期服役后,工频击穿强度变化较小,且绝缘层不同位置处击穿强度的差异性减弱;电荷陷阱能级由约1 eV减小至0.5～0.6 eV,且绝缘层不同位置处的能级差别不大,可以作为表征电缆绝缘在服役中性能演变的特征量;XLPE长期服役后在直流场下表现出明显的异极性电荷积聚,而新电缆XLPE绝缘则表现出少量同极性电荷注入。     

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。     

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.     

交流电压下基于空间电荷效应的XLPE电缆绝缘老化研究现状

交联聚乙烯(XLPE)电缆以其优良的机械和电气性能广泛应用于现代电力系统。研究表明,在直流电压作用下绝缘中容易形成空间电荷,导致电场畸变,加速绝缘老化。国内外很少关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的研究。本文综述了交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘老化的影响及其作用机理,并介绍了交流电压下测量空间电荷分布的改进的电声脉冲法。结果表明,交流电压下,空间电荷分布特性影响XLPE电缆绝缘老化。     

电声脉冲法研究热老化对160kV直流电缆绝缘材料陷阱特性的影响

交联聚乙烯(XLPE)老化会引起内部陷阱特性的变化,进而造成空间电荷分布的变化,威胁直流电缆的安全运行。对160k V直流电缆切片进行了90℃和135℃不同程度的热老化试验,并利用电声脉冲法(PEA)探究了热老化对直流电缆空间电荷分布的影响。通过分析空间电荷的衰减规律并结合等温松弛理论,提出了利用PEA法分析绝缘材料陷阱特性的方法,并对老化前后试样内的陷阱特性进行了分析研究。研究结果表明,90℃热老化前期由于后交联反应,试样部分深陷阱转为浅陷阱,直流电缆内部空间电荷消散特性变好;但随着老化时间的进一步增加,试样内的陷阱深度及密度均有一定程度的增长,空间电荷积累量也随之增加。试样在135℃高温热老化情况下,内部发生强烈的热氧反应,结晶形态遭到严重破坏,陷阱能级及密度均大大增加。     

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。     

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。     

不同温度热老化对高压配网交联聚乙烯电缆绝缘表面陷阱参数的影响

陷阱参数可影响交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆绝缘中载流子的注入和迁移过程,进而对XLPE电缆绝缘的介电性能产生影响。针对商用110kV的高压配电电缆绝缘,通过等温表面电位衰减(isothermal surface potential decay,ISPD)测试系统研究不同温度热老化过程对XLPE电缆绝缘表面陷阱参数的影响。实验结果表明,未老化的XLPE电缆绝缘表面以电子深陷阱和空穴深陷阱为主,当老化温度低于XLPE的熔融温度(T_m)时,浅陷阱密度增加,深陷阱密度变化幅度不大,XLPE电缆绝缘表面仍以深陷阱为主。而当老化温度高于Tm时,电子、空穴浅陷阱密度大幅增加,深陷阱密度大幅下降,陷阱能级下降,老化临界时间之后,XLPE试样表面以电子浅陷阱和空穴浅陷阱为主。热老化试样中浅陷阱密度的增加可能来源于羰基(C=O)等老化副产物的增加,深陷阱密度的下降可能是来源于老化过程对球晶的破坏。不同老化温度条件下表面陷阱密度和能级变化规律的差异可能是由晶体结构劣化方式的差异造成。     

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。     

直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法综述

交联聚乙烯(XLPE)因其优异的介电、理化性能而被广泛应用于电缆绝缘领域。在电缆的服役过程中,电缆绝缘内部会积聚空间电荷,严重时可引发电场畸变,导致电缆击穿事故发生。对于直流XLPE电缆,空间电荷的积聚及影响更加不容忽视。针对直流XLPE电缆绝缘中产生的空间电荷积聚效应,目前学界主要采用共混改性、聚合物链段接枝极性基团、纳米掺杂改性及制备高纯净绝缘料等方法来进行控制,改性后的直流XLPE电缆绝缘对空间电荷产生的抑制效果均有所提升。文中首先对上述直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法进行综述,介绍其抑制原理以及相应的抑制效果,然后对比总结不同抑制空间电荷方法的优缺点,最后对未来直流XLPE电缆绝缘中空间电荷抑制方法的研究发展作出展望。     

内部气压下电缆电树枝不同生长阶段的局部放电统计参量研究

交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘电热老化产生的气体会在绝缘层或绝缘材料微孔内产生局部高气压,为了研究内部气压作用下XLPE电缆绝缘的老化特征,分别以XLPE短电缆和电缆绝缘层切片为试验样品,搭建了试验系统,研究了局部气压作用在绝缘层或绝缘材料微孔内时的局部放电及其绝缘老化特征,并采用局部放电矩特征分析局部气压作用下XLPE电缆局部放电特征参量与绝缘老化程度之间的关系,探讨将其应用于交联聚乙烯电缆绝缘老化评估的可能性。结果表明:局部高气压使电树枝通道内局部放电加剧,绝缘老化加速;微孔内的气压相较于绝缘层气压对电树枝内局部放电的促进作用更加明显;最大放电量相位分布H_(qmax)(φ)谱图的偏斜度Sk、峭度K_u和放电次数相位分布H_n(φ)谱图的放电相位分布可作为评估XLPE中电树枝发展阶段的标准。     

等温松弛电流法在高压交联聚乙烯绝缘交流电缆状态评估中的应用EI北大核心CSCD

为探讨等温松弛电流法在高压交流(HVAC)电缆状态评估中应用的可行性,采用等温松弛电流法(IRC)对未老化和运行13 a的国产110 k V高压交联聚乙烯(XLPE)交流电缆进行了老化评估,并研究了直流电场下电缆绝缘切片的空间电荷分布,分析了绝缘内部的陷阱分布、松弛机理和绝缘状态的关联性。结果表明,未老化高压电缆的老化因子>1.89,绝缘切片样品表面区域存在明显的异极性空间电荷积累,残留在高压电缆内部的交联副产物以深能级陷阱形式存在,并与等温松弛电流中的第3类松弛相对应。运行13 a的高压电缆的老化因子明显高于未老化电缆的老化因子,且其绝缘切片表面区域的异极性空间电荷积累量和切片内部的最大电场畸变率增大,与等温松弛电流法提取的老化因子变化规律相同。因此老化因子可作为高压交流电缆绝缘老化状态的评估参数。     

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。     

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。