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。     

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。     

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。     

直流场下温度对硅橡胶电树枝起始特性的影响

直流电缆长期运行在高温下对电缆附件绝缘材料的电气性能有重大影响。为此选择新型超高压预制式电缆附件主绝缘材料硅橡胶作为研究对象,针对温度对硅橡胶材料直流电树枝起始特性的影响展开试验研究,在20、60、90和120℃下测定针尖完好和针尖有气隙两种硅橡胶试品的直流起树电压,并通过数字显微系统记录下电树枝形态。试验中观测到的硅橡胶直流电树枝形态仅有单枝状和树枝状两种。试验结果表明,针尖完好试品的平均起树电压随着温度的升高单调下降。针尖存在气隙时,起树电压明显比针尖无气隙时低,平均起树电压和树枝形态比例随温度变化均呈现出非单调的变化规律。试验中还发现,针尖有气隙试品的起树电压与二次起树电压基本一致。结合差热分析试验结果进行分析讨论后认为,温升引起硅橡胶局部链段松弛是温度场下硅橡胶直流起树电压下降的重要原因。温度对硅橡胶直流电树枝起始特性有显著的影响,因此长期运行在高温下的直流电缆系统性能势必会因此而受到影响,需要引起足够的重视。另外,针尖有气隙的试品可以模拟电缆中二次起树现象,为电缆二次起树电压的裕度设计提供了相应的理论依据。     

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.     

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。     

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。     

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。     

硅橡胶电树枝的引发与生长过程

交联聚乙烯电力电缆的应用日渐广泛,但电缆附件的电树枝击穿故障时有发生,电缆附件材料硅橡胶的电树枝引发和生长过程尚缺乏深入研究。为此,通过材料的测试分析与计算等手段,定量描述了硅橡胶材料微观结构,测试、分析了电树枝引发期的电树枝通道特征和局部放电特性。研究结果表明:硅橡胶中同时存在主链上的化学交联以及通过氢键吸附形成的物理交联;在交流场强下物理交联破坏使得材料中的微裂纹逐渐扩大,最终导致电树枝引发;硅橡胶电树枝通道呈现良好的绝缘特性,电树枝生长主要依靠局部放电下气体受热膨胀或电磁力产生的撕裂作用;增强机械性能尤其是撕裂特性可以提高材料的抗电树枝老化性能。研究硅橡胶材料的电树枝引发和生长过程为其在电缆附件中的合理使用提供了理论依据。     

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。     

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。     

高频下电树老化引起的高密度聚乙烯击穿现象

为了分析高频下电树老化引起的高密度聚乙烯击穿现象,实验研究了冰水淬火高密度聚乙烯(HDPE)薄膜在频率50 Hz~90 kHz范围内的交流电压作用下电树老化引起的破坏现象及电树生长过程中的电树形态特性的变化。观测高频下树老化引起击穿过程中电弧运动发现:不同频率下HDPE薄膜中电树生长过程中存在树枝、树干、丛状和击穿型4种基本电树形态;在高频下不同电树形态存在形态转换的关系,且随着频率和电压的升高,相同条件下电树老化引起的击穿破坏概率大大增加。试验结果表明,在较高频率下树的形态易向击穿型发展。最后从高频电压对材料极化过程的影响及高频所引起的材料疲劳效应、热效应加剧角度出发,对在高频下电树老化易于引发击穿的特性展开了深入的讨论,解释了高频或中频电气设备易发生绝缘老化破坏的现象。     

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。     

交流叠加冲击电压下XLPE绝缘中电树起始特性

ＸＬＰＥ绝缘在交流叠加冲击电压作用下电树起始特性的试验研究表明,电树的冲击起始场强不仅与预加的交流电压的大小有关,还与冲击电压与交流电压的相对极性有关,并有明显的累积效应,起晕也有明显的时延现象。     

压力注入电压稳定剂对热氧老化电缆绝缘性能的增强机理

为了研究压力注入电压稳定剂对热氧老化电缆的修复效果,通过配置修复液对电缆样本进行注入修复,研究修复液对电缆绝缘性能的增强效果及作用机理。选取抗氧剂300和二茂铁配置不同添加浓度的7种硅氧烷修复液,对热氧老化电缆样本进行注入式修复,测试修复前后XLPE绝缘的电树引发电压、直流电导率和介质损耗因数,对部分样本进行二次老化,并测试不同老化时间的氧化诱导期和电树引发电压。结果表明,注入2种类型的电压稳定剂均能够大幅提高热氧老化电缆的电树引发电压,但也会在一定程度上增大电导率和介质损耗因数;注入抗氧剂300能够提高热氧老化电缆的氧化诱导时间,并在较长时间内提升其抗热氧老化和抗电树能力。由扩散公式与实验结果可知,通过增大注入压力,升高扩散温度,选择有效浓度区间更大的电压稳定剂,选取较为保守的添加含量等措施,使电压稳定剂在绝缘层中的浓度分布处于有效浓度区域,是保证修复效果的有效措施。     

频率对聚乙烯电树起始的影响特性研究

为研究电压频率对聚乙烯电树起始特性的影响,用冰水淬火冷却高密度聚乙烯试验50Hz～90kHz交流电压下的电树起始特性。试验发现电树起始电压值在50Hz～1kHz间变化不大,>5kHz时电树起始电压为先增后减;在试验频率范围内共存在7种电树形态,电树形态种类随频率提高而增多,每种电树形态对材料的绝缘破坏程度不尽相同,7种电树形态的起始电压存在较大差异。最后对高频电压对电子加速过程的影响及高频所引起的材料疲劳效应加剧的试验结果展开了讨论。     

硅脂环境下硅橡胶的吸收特性及其关键电气性能研究

电缆附件在长期运行过程中,其界面硅脂与绝缘硅橡胶直接接触使其逐渐被硅橡胶吸收,导致硅橡胶性能下降,甚至引发电缆附件界面问题。文中以附件绝缘硅橡胶吸收硅脂的增重试验为基础,研究不同温度下硅脂/硅油在硅橡胶中的扩散规律并获得相应的扩散参数;研究硅脂对硅橡胶体积电阻率、相对介电常数、介质损耗角正切值和工频击穿场强等电气性能的影响规律。结果表明,不同温度下硅脂/硅油在硅橡胶中的扩散规律服从Langmuir扩散模型;硅橡胶对硅脂/硅油的吸收能力随温度升高而增强,且硅橡胶内硅油分子的脱附过程更强;随着硅橡胶对硅脂吸收量的增加,硅橡胶的体积电阻率逐渐降低,相对介电常数和介质损耗角正切值逐渐增加,但其工频击穿场强呈先增大后减小的趋势。     

A versatile method to study electrical treeing in polymeric materials

Electrical treeing in high voltage cable insulation has been studied widely as it is one of the major breakdown mechanisms for solid dielectrics subjected to high electrical stresses. The most frequently experimental set-up used to study electrical treeing is utilizing needles to achieve a high divergent field to promote the initiation of electrical trees. In this paper a new type of electrode configuration is described, which will be beneficial when examining electrical treeing in terms of both the capability to follow the course of events in real time and the small amount of insulation material is needed. This new electrode configuration makes use of a thin tungsten wire as electrode to obtain the high divergent electrical stress needed to initiate electrical trees. Multiple electrical trees are at times formed at different points along the wire during the testing, this indicates that the field are homogenous along the wire. This allows for determining the tree initiation field and the rate of tree growth. It is also shown that this electrode configuration is able to distinguish the increased electrical tree inception obtained by the addition of voltage stabilizers.     

交联聚乙烯电缆热老化与电树枝化相关性研究

热老化过程不但会影响交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘的物理化学性能,还对绝缘内电树的产生与生长有着一定的影响。研究了热老化后XLPE电缆绝缘中的电树行为．探讨XLPE电缆绝缘中电树枝过程与材料热老化的关系。采用带循环通风的热老化箱对XLPE电缆绝缘进行3个温度等级的热老化实验：采用针板结构电极进行电树枝实验,并利用数码显微镜观察电树枝的产生和发展情况;利用差示扫描量热法（DSC）、傅里叶红外光谱分析（FTIR）测试了不同温度热老化下XLPE电缆绝缘的物理化学性能;最后探讨了几种不同结构电树枝的生长机理．认为热老化并没有加速电树枝的生长．反而有一定的抑制作用．     

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。