基于累积损伤曲线的电寿命模型步进应力试验方法及在XLPE电缆中的应用

交联聚乙烯（XLPE）的反幂函数电寿命模型（IPM）表征了XLPE电缆绝缘的长期耐压特性,包括电压耐受指数（VEC）在内的IPM模型参数是电缆绝缘设计和预鉴定试验电压选取的重要依据。步进应力试验具有耗时短、效率高的优点,适用于求取电缆样品的电寿命模型参数。然而,步进应力试验参数的选择尚无规程可参考,目前主要依靠经验和主观确定,严重影响了试验结果的有效性和可比性。将固体绝缘材料累积损伤“D-t曲线”作为判断绝缘失效机理的主要依据,分析不同试验参数下步进应力与恒定应力试验的等效性,提出适合工程应用的步进应力试验参数选取及现场试验方案。通过该方法设计绝缘厚度分别为2.8 mm和3.5 mm的2种模型电缆的步进应力试验,并获取2种模型电缆的IPM电寿命模型参数,验证该方法的可行性。     

获取XLPE绝缘直流电压耐受指数的步进应力试验参数选取方法研究

交联聚乙烯(XLPE)绝缘的直流电压耐受指数n是材料的重要性能参数,也是直流电缆绝缘厚度设计及出厂试验电压参数选取的重要依据。步进应力法作为一种高效的电寿命试验方法,其试验参数的选取对耐受指数n值的结果影响较大。该文提出一种步进应力试验的参数选取方法,该方法以累积损伤-时间(D-t)曲线、损伤矩阵D方差与n值关系曲线S(n)及S(n)曲线的二阶导数d~2S(n)/dn~2三个指标作为试验参数选取的依据。该方法为绝缘材料的步进应力和恒定应力电寿命试验结果的等效性评价提供了理论支撑。试验数据表明,通过该方法筛选的步进应力试验参数获得的电压耐受指数n值(n=12.0)与恒定应力下的结果(n=12.2)具有较好的一致性。     

基于电应力损伤特征值的XLPE绝缘电压耐受指数评估方法研究

XLPE绝缘的电压耐受指数n表征绝缘电寿命特性,对加速寿命试验中获取的失效数据进行分析可以获取n值,然而,加速寿命试验中的外施场强与试验所获失效数据的分析方法影响n值的准确性。本文研究电压耐受指数n的评估方法,对XLPE绝缘试样分别进行恒定应力试验与步进应力试验,提出基于损伤特征值的试验数据分析方法,该方法通过损伤矩阵建立试验中累积损伤阈值(D_c)与n的映射关系,以矩阵秩的变化作为n值的选取依据。结果表明：本文所提方法在恒定应力试验中获取的XLPE绝缘电压耐受指数n₂=12.43,在步进应力试验中获取的XLPE绝缘电压耐受指数n₃=12.04,较线性拟合获取的XLPE绝缘电压耐受指数n₁=12.83仅相差3%与6%,且本文所提方法能够节省75%以上的试验时间,验证了该方法的有效性。     

高压XLPE电缆绝缘V t特性研究综述

交联聚乙烯（cross linked polyethylene,XLPE）绝缘电力电缆是输电线路的重要电 力设备。针对高压交流和直流电缆系统的运行现状,介绍了运用V t特性（击穿电压与击穿时间的关系）曲线描述XLPE电缆绝缘的电老化寿命模型,分析了国内外高压交、直流XLPE电缆绝缘V t特性的研究方法及相关结果。已有的研究结果表明,交流XLPE电缆绝缘的电老化寿命指数n值在9~25之间,直流XLPE电缆绝缘的电老化寿命指数n值在13~20之间。国内目前尚未见有关直流电缆绝缘V t特性研究的文献报道。     

66 kV交联聚乙烯海底电缆绝缘厚度设计

随着国内外海上风电工程的快速发展,66 kV交联聚乙烯(XLPE)海底电缆以其较低的生产、运维成本受到各方青睐。然而,国内尚无针对66 kV XLPE海缆设计的结构标准。为规范66 kV XLPE海缆的技术要求,有必要对其绝缘厚度进行合理设计。为此选取了66 kV海缆用XLPE试样进行了工频击穿试验和冲击击穿试验,发现XLPE的击穿场强与其厚度的关系符合反幂定律。然后,基于步进应力试验计算得到30℃和90℃下XLPE的寿命指数n分别为13.9和15.1,并进一步通过冲击和交流耐压试验的结果,综合得到66 kV海缆的推荐绝缘厚度为8.9 mm。基于该方法得到的66 kV海缆绝缘厚度与传统依靠经验设计的绝缘厚度相比更薄,为轻型66 kV海缆的绝缘厚度设计提供了理论参考和试验依据。     

交流500kV交联聚乙烯海缆绝缘材料的步进工频击穿特性及寿命模型

世界首条500 kV交联聚乙烯(XLPE)海缆已于2018年底在舟山敷设完成。为了研究500 kV XLPE海缆绝缘材料的绝缘与老化特性,对交流500 kV XLPE海缆绝缘材料进行不同温度下的短时工频击穿试验和步进应力工频击穿试验,并运用反幂模型对该材料在电-热应力下的寿命进行计算。结果表明:该500 k V XLPE海缆绝缘材料的短时工频击穿强度在25～85℃内呈现先上升后下降的趋势,工频击穿强度显著下降的阈值温度在70℃左右;相同温度下,步进应力下的工频击穿强度随加压时间步长上升而下降;相同加压时间步长下,步进应力下的工频击穿强度和耐压时间均随温度升高先增大后减小;寿命指数n和常数C随温度的升高也呈现先上升后下降的趋势。最后提出了基于反幂模型的该交流500 kV XLPE海缆材料的寿命计算公式,可为该材料类型海缆的寿命计算以及采用该材料进行电缆结构设计提供参考。     

基于失效时间统计特性的交联聚乙烯电寿命模型修正

为提高电缆绝缘材料电寿命评估的准确性，根据交联聚乙烯（XLPE）失效时间统计特性，对传统基于反幂定律的XLPE电寿命模型进行修正。首先对XLPE薄片样本进行电压耐久性实验，统计不同电场强度作用下XLPE失效时间。其次分析XLPE薄片样本失效时间统计特性，结果表明在相同电场强度作用下，XLPE失效时间大致分布在三个时间区间内，不同时间区间对应不同绝缘失效过程，电场强度不同时，占主导地位的失效过程也不相同。最后用处于主导地位失效过程样本的失效时间代表该电场强度下XLPE薄片样本的电寿命，由此得到修正后的XLPE电寿命模型。相较于传统电寿命模型，修正后的模型从失效时间统计特性的角度出发，确定了E-t特性曲线中拐点的位置。     

高压XLPE电缆的可靠性

高压XLPE电缆的可靠性与电缆的合理设计、制造工艺、施工和运行水平直接有关。众所周知,电缆的工作场强不仅决定其绝缘厚度,而且又主要决定XLPE电缆的寿命。随着XLPE电缆向高压化发展,电缆绝缘的工作场强亦就越来越高,例如,35kV及以下XLPE电缆的最大设计场强一般为3～4kV/mm,66～77kV电缆为6～7kV/mm,110～154kV电缆为7～8kV/mm,220～275kV电缆为9～     

交联聚乙烯电力电缆的电树枝化试验及其局部放电特征

电树枝化是影响交联聚乙烯（cross—linked polyethylene,XLPE）绝缘电力电缆长期安全运行的瓶颈,需要深入研究XLPE电缆绝缘的老化机制,尤其是电树枝化的规律,为XLPE电缆的设计制造和现场的运行管理,特别是在线诊断提供理论支撑。设计了交联聚乙烯电缆样品和相应的试验电极装置,并搭建基于实际XLPE电缆的电树枝化试验平台进行试验。结果表明该试验系统能满足XLPE电缆电树枝化试验研究的要求。以15kV的XLPE电缆作为试验样品,开展常温下工频12～21kV和50～90℃下的电树枝化试验,分析了电压和温度对电树枝形态的影响,得到电树枝局部放电的统计图谱,并将电树枝的生长发展分成4个阶段,分析了电树枝在不同生长阶段局部放电的最大放电量相位和平均放电量相位的分布,提取了其偏斜度等统计特征量,结果表明电压和温度对实际XLPE电缆中电树枝形态的影响与针一板电极得到的结果趋势相同,但是电树枝生长过程存在着一定的差异,同时最大放电量相位分布和平均放电量相位分布的3阶矩随着电树枝的生长发展而减小,可作为诊断电树枝生长发展阶段的参考量。     

尖端及气隙联合缺陷下XLPE材料电树枝起始特性及其影响因素研究

交联聚乙烯(XLPE)中内部缺陷是导致电缆中电树枝产生的主要诱因,而电树枝的出现将造成电缆绝缘的整体失效,探寻不同绝缘缺陷特征对电树枝起始的影响规律及机理,可为设计、生产环节中改善电缆绝缘提供理论依据。考虑到凸起及气隙的联合缺陷为电树枝引发的主要诱因,本文搭建了针-电极短电缆实验平台以模拟缺陷下电树枝的引发及生长,并建立了缺陷下电应力物理模型,明确了缺陷模型下各缺陷特征对电树枝起始发展的影响规律。研究表明：XLPE电缆中半导体层缺陷的最大电场分布可采用针-板电极下最大场强Mason模型进行描述;由实验及数值化模型结果分析出缺陷的突刺曲率、微孔压强及材料耐受阈值ΔW₀与电树枝起始电压呈正相关,可分别从制造工艺、安装铺设等过程中调控三类缺陷特征,以提高实际工程中XLPE电缆的抗电树枝老化能力。     

The improved voltage life characteristics of EHV XLPE cables

Although many researchers have investigated voltage life characteristics of XLPE cables, the voltage life curve of XLPE insulation has not been made clear because of large deviations in the obtained data. Moreover, the voltage life curve of a XLPE cable, which is significantly affected by defect size and shape, cannot be applied to another cable having different defects. The authors obtained an intrinsic stress life curve of XLPE which included no defects. The intrinsic stress life curve demonstrates the existence of a threshold stress, which causes no degradation in the insulation. The application of the intrinsic stress life curve makes possible to estimate the voltage life curve of any cable with known defects. A method for calculating the defect size that would not initiate any degradation in XLPE insulation under a given electrical stress is proposed     

Comparison of electrical aging tests on EPR-insulated minicablesand ribbons from full-sized EPR cable

The results of electrical endurance tests performed on ribbons cut from full-sized EPR cables are compared with those obtained by tests performed on cable models, having the same insulation as the full-sized cable. It is shown that the voltage endurance coefficient estimated on the basis of the short-term life test data has approximately the same value for cable models and ribbons, according to both inverse-power and exponential models. However, the surface roughness resulting from cutting the specimens can affect the result at high stresses     

Insulation characterization in multistress conditions byaccelerated life tests: An application to XLPE and EPR for high voltagecables

This paper focuses on accelerated testing procedures that can be applied to XLPE and EPR for high voltage cables and that are aimed to achieve the thermo-electrical endurance characterization of insulation. Several methods and techniques for single and combined thermo-electrical stress are illustrated; indices for the evaluation of electrical, thermal, and multi-stress endurance are reported and their derivation is shown. Indications on the feasibility of the design-stress inference from tests on laboratory specimens also are given. Experimental results mainly refer to cable models, but data relevant to full-sized cables, as well as to simple, flat specimens, are also considered     

我国高压及超高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的应用与发展

本文介绍我国 110 k V及 2 2 0 k V交联聚乙烯 (XL PE)绝缘电缆及其附件的发展。高压 XL PE电缆是我国城市电网建设与改造工程采用地下电缆输电系统的首选产品。本文叙述 XL PE电缆的绝缘设计原则、绝缘质量控制要求 ,特别是绝缘中杂质、微孔以及绝缘与半导电屏蔽界面的微孔与凸起、绝缘收缩与交联工艺的关系 ,及电缆附件的选型与预制附件橡胶应力锥的设计方法。介绍了我国特大城市 ,上海、北京与广州高压电缆系统的应用情况。最后对我国 110 k V及 2 2 0 k V XL PE电缆及附件进一步发展以及 5 0 0 k V XL PE电缆系统发展与应用前景作了预测     

Development of 500-kV XLPE cables

A 500-kV XLPE insulated cable with an insulation thickness of 27 mm has been developed for long-distance transmission lines. Basic studies on the 500-kV XLPE cable have shown that contaminants in the insulation may determine electrical performance. This hypothesis is justified by the good correlation obtained between statistical estimations of the size of the largest contaminant in the insulation and electrical characteristics of full-size cables. Voltage-withstand and long-term tests have confirmed design values for minimum breakdown stress, ac and impulse voltage, and degradation coefficients. © 1997 Scripta Technica, Inc. Electr Eng Jpn, 118 (1): 28–40, 1997     

Long-term electrical performance and life model fitting of XLPE andEPR insulated cables

The results of life tests performed on XLPE and EPR cable models are presented and discussed. The performance of the two insulating materials when subjected to electrical stress are compared on the basis of characteristic parameters derived by the best-fitting life models. It is found that while EPR is well described by linear models, XLPE data fit curvilinear life models, showing a tendency to electrical threshold. Hence the fundamental parameter for XLPE characterization is the threshold value, while the voltage endurance coefficient should be used to characterize EPR     

交联电缆的超低频耐压试验

论述了电力系统中应用广泛的中压交联聚乙烯电缆的绝缘试验的种类和要求,重点介绍了超低频耐压试验的标准及现场绝缘诊断技术。