XLPE与MgO/XLPE纳米复合材料周期性直流接地电树枝与交流电树枝的温度特性

随着电力电缆的广泛应用,由电树枝化导致的电缆绝缘失效问题得到了人们越来越多的关注。以交联聚乙烯(XLPE)和纳米Mg O掺杂的交联聚乙烯(Mg O/XLPE)为研究对象,研究了这两种材料在20~80℃下的周期性直流接地电树枝和交流电树枝特性。实验结果表明:两种材料中的周期性直流接地电树枝呈枝状,对应的分形维数接近1,交流电树枝呈丛状,对应的分形维数接近2;纳米Mg O颗粒的添加对于抑制周期性直流接地电树枝的生长有显著效果,但对抑制交流电树枝的生长效果有限;XLPE中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升呈现先下降后上升的趋势,Mg O/XLPE材料中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升变化不明显,两种材料中的交流电树枝长度随温度的上升均呈现出增加的趋势,但增幅较小。     

高温下110kV交联聚乙烯电缆电树枝生长及局部放电特性

利用实时显微数字摄像与局部放电连续测量系统,采用典型针-板电极结构,研究了高温下不同外施工频电压作用时110kV级交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中典型电树枝的形态特征、引发、生长规律及其局部放电特性。实验结果表明,温度对XLPE电缆绝缘中典型电树枝的形态、引发与生长时间具有非常重要的影响。在高温下,不同外施工频电压作用时电树枝的形态呈现出多样性的特点,50°C下典型电树枝形态为枝状、枝-松枝状和丛状,70°C下为枝状,90°C下为滞长型和枝状。高温下电树枝引发时间随外施电压升高而减小,而且在同一外施电压下,电树枝引发时间随温度升高而减小,这是由于在高温下XLPE电缆绝缘中片晶熔化,无定形相增加,介质中自由体积扩大,从而更有利于电树枝引发。研究发现在低电压(9kV)下,电树枝生长过程中由于通道电导率增加而抑制了通道内局部放电的发展,局部放电作用减小,电树枝生长速度减慢,分形维数较高;而11kV以上电压作用时,电树枝在局部放电的连续作用下呈枝状向对面电极快速生长,同时高温下XLPE弹性模量下降,击穿场强降低,局部放电作用加剧,电树枝生长明显加速,电树枝分形维数较低。     

工频电压下110kV XLPE电缆电树枝生长及局放特性

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方法,采用典型针-板电极结构,研究了不同外施工频电压下110kV级XLPE电缆绝缘中的电树枝结构特征、生长规律及其局部放电特性。实验结果表明,外施电压有效值9kV下电树枝呈现出多样性的特点,为滞长型、枝状和枝-松枝状,滞长型电树引发和生长时间最长,滞长阶段局部放电腐蚀作用明显;枝状和枝-松枝状电树引发时间相当,枝状电树生长时间短,滞长阶段局部放电稳定;枝-松枝状电树滞长阶段局部放电减弱,同时松枝状结构出现并快速生长。外施电压有效值11、13和15kV下的电树枝分别呈枝状和丛状,其中枝状电树引发时间长,生长时间最短,局部放电对树枝生长作用明显;丛状电树引发时间短,利用盒计数法计算电树枝分形维数,根据放电雪崩模型理论,研究发现随着外施电压的升高,树枝丛状区域更加密集,电树枝的分形维数增加,对材料的破坏区域扩大,局部放电作用消弱,电树枝生长时间延长。     

针尖曲率半径对XLPE电树枝生长及局部放电特性的影响

电树枝在XLPE电缆中是一种常见现象,在电缆运行过程中可能会存在不同尺寸的尖刺缺陷。本文在不同针尖曲率半径下,研究了电树枝生长形貌和局部放电特性的关系。结果表明：针尖曲率半径小的试样在起树电压下大概率最终发展为枝状电树枝,曲率半径大的试样则大概率最终发展为丛状电树枝,丛状电树枝的放电量大于枝状电树枝。丛状电树枝的PRP...     

不同温度下XLPE电缆中电树枝的生长特性

为了研究温度对电树枝的引发和生长发展特性的影响,本文针对15kV交联聚乙烯(XLPE)电缆设计了一套采用金属针缺陷模拟集中电场应力的实验系统。通过在4个不同温度下对交联聚乙烯(XLPE)电缆进行电树枝生长实验,结果表明,温度对电树枝引发及生长影响显著。在潜伏期,一方面,电荷的注入及自由基的连锁反应因热的作用而加剧;另一方面,在高温下由于分子热运动和自由体积膨胀,聚集态发生了从玻璃态到高弹态的转变从而导致电树枝的引发时间的大大缩短。在生长发展期,XLPE电缆电树枝的分形维数随温度上升并不单调,而是与其聚集态紧密相关。在玻璃化转变温度(θg)以下,电树枝形态由枝状向丛状转变;在玻璃化转变温度(θg)以上,电树枝逐渐稀疏,分形维数减小;电树枝随温度升高有明显加速生长趋势。通过实验研究表明,在集中电场应力下,当XLPE电缆运行温度超过110°C时,即使是短时的电热作用,也会缩短其寿命。     

高温下电压稳定剂对交联聚乙烯电树枝化及局部放电特性的影响

为了研究高温环境下电压稳定剂对交联聚乙烯电树枝化及局部放电特性的影响，该文制备了含质量分数为1%的电压稳定剂的交联聚乙烯（XLPE）共混试样，通过设计的高温环境下电树枝实时观察与局部放电同步测量系统，研究不同试样在30℃、50℃和70℃下电树枝的引发、生长及其局部放电特性。结果表明，试样在高温下引发的电树枝呈现典型的枝状结构。随着温度的升高，试样起树电压降低，电树枝生长速度加快，分枝数量减少，局部放电量和放电重复率显著增大。电压稳定剂的添加对电树枝的引发、生长和局部放电有明显的抑制作用。利用陷阱理论和量子化学计算，研究发现电压稳定剂的加入使得试样内部陷阱能级降低，陷阱密度增加，因其特有的量子化学特性，高能电子缓冲能力增强，空间电荷积累减少，从而使得交联聚乙烯材料的耐电性能得到提升。     

交联聚乙烯绝缘老化的试验与建模研究

本文介绍了交联聚乙烯（XLPE）电树枝老化的试验方法，给出了XLPE绝缘在在交流电压作用下的电树老化曲线。利用多元统计分析建立了枝状放电、丛状放电的数学模型，为XLPE电缆的在线检测提供了理论依据。     

不同温度下局部气压对XLPE电缆电树枝生长及局放特性的影响

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆绝缘热老化产生的气体可能会在电树枝发生处产生局部高气压,为了研究不同运行状况下局部气压对XLPE电缆电树枝引发和生长特性的影响,以XLPE电缆制作绝缘层切块为试验样品搭建了试验系统,研究了不同温度下局部气压作用在电树枝通道时的局部放电特性和电树枝的生长规律。结果表明:XLPE处于玻璃态时,局部气压对电树枝的引发无明显作用,在生长过程中通道内流注的发展因高气压受阻,树枝发展被抑制;XLPE处于高弹态时,气隙放电的产生导致电树枝引发时间大大缩短。在生长发展期,高温造成XLPE结构上的缺陷促进了高气压下局放的发展。试验发现:高温高气压下电树枝很容易贯穿电缆绝缘,严重威胁XLPE电缆的安全稳定运行。     

高温高气压下XLPE电缆电树枝生长规律及局放特性

交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料电热老化产生的气体会在电缆绝缘层产生局部高气压,为了研究不同温度下气压对电缆电树枝发展特性的影响,以XLPE短电缆为样品搭建试验系统,研究了不同温度下气压作用在绝缘层内壁时电缆电树枝的生长规律及其局部放电特性。分析实验结果可知:低温下XLPE处于玻璃态,局放初期材料保持了良好的机械性能,气压的升高对局放引发和生长初期无影响。局放后期,剧增的局部放电使插针区域软化,在气压作用下产生形变,电树枝沿应力集中区迅猛发展;高温下XLPE处于高弹态,自由体积分数增加,气压越高绝缘材料受到的轴向拉力越大,材料电气性能下降越明显,电树枝越易引发。高温高气压下XLPE电缆的绝缘性能下降明显,电缆稳定运行受到严重威胁。     

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。     

交联聚乙烯中丛状电树枝的生长机制

为了研究交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)中丛状电树枝的生长机理,采用XLPE薄片试样进行电树枝老化实验,通过实时显微观测系统完整记录了在工频高压下电树枝从引发到击穿的全过程,利用扫描电镜观察丛状电树枝的微观结构,并对电树枝通道进行能谱分析。通过构建丛状电树枝不同阶段的有限元电场仿真模型,进一步分析丛状电树枝生长特性与微观结构的关系。研究表明:电树枝引发初期,气体的迅速膨胀促使非导电型电树枝沿无定形区快速生长;碳颗粒周围产生的局部放电和电-机械应力导致电树枝进一步分叉和生长,碳颗粒的不断聚集使非导电型电树枝逐渐转化为导电型电树枝;丛状电树枝团端部场强相对较小以及电树枝内部局部放电减少,是丛状电树枝滞长的主要原因;电树枝团端部由于电-机械应力作用可能形成新的微孔或裂纹,易形成新的电树枝,最终导致绝缘击穿。     

低频电压下XLPE电树枝生长及局部放电特性

低频电缆作为柔性低频交流输电系统中的关键设备,其绝缘介质在低频电压下的特性对电缆的设计和运行具有重要意义。为了研究低频电压下交联聚乙烯（XLPE）电树枝的生长及局部放电特性,设计并搭建了不同频率下电树枝生长实时观测和局部放电同步测量系统,探究了XLPE试样分别在20、30、40、50 Hz频率下电树枝的引发、生长及局部放电特性。结果表明：电压频率对XLPE电树枝生长及局部放电特性的影响有明显规律性。在20～50 Hz范围内,随着频率的降低,XLPE的起树电压略有升高,但电树枝生长速度加快,损伤面积增加,局部放电量和放电次数增大,放电相位分布基本不变。     

高温下交联聚乙烯电缆绝缘中树枝测试系统设计

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...     

高频交流电压下XLPE的电树枝形貌特征及生长机理分析

采用热压法制备XLPE试样,基于针-板电极系统研究了高频交流电压作用下XLPE中电树枝的形貌特征及生长机理。结果表明:在5 k Hz~7.5 k Hz高频交流电压作用下,XLPE中电树枝的引发时间普遍较长,所形成的电树枝形貌均为丛状或丛状-树枝状混合型电树枝。在电树枝形成的初始阶段,产生了"树干状"单枝通道,直径在数十微米数量级。随着外施电压频率的提高,电树枝的颜色加深,表明其侵蚀的区域增多;电树枝的平均生长速率也显著提高。分析认为,高频交流电压作用下XLPE中的局部放电现象是导致"树干状"单支通道和丛状电树枝的主要原因,频率提高使单位时间内发生局部放电的次数增多,进而使电树枝劣化的程度加剧。     

高压XLPE电缆中电树枝生长的局部放电检测

通过在线观测XLPE电缆切片中电树枝的生长过程,发现不同电压等级下的电树枝的生长及击穿特性各不相同,二次加压后丛林状电树枝生长速度加快,形状表现出枝状特征.分析电树枝生长过程各时期局部放电数据与电树枝生长程度对比,发现工频周期内的局部放电量之和及放电次数与丛林状电树枝生长长度的发展趋势较为一致,可以较好的反映电压等级较...     

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.     

添加纳米MgO对交联聚乙烯中直流接地电树枝的影响

对交联聚乙烯(cross linked polyethylene, XLPE)材料与质量分数为05%的 MgO/XLPE纳米复合材料分别进行了直流接地电树枝实验与基于电声脉冲法的空间电荷测量。电树枝实验表明,正极性下MgO/XLPE纳米复合材料表现出更高的50%电树枝引发电压;空间电荷测量结果表明XLPE中有更多同极性电荷注入,说明纳米颗粒的添加阻碍了针尖处同极性电荷的注入与抽出,进而阻碍了电树枝引发。正极性下MgO/XLPE纳米复合材料表现出更小的平均电树枝长度与宽度,这是由于高场强区产生的载流子与纳米颗粒发生碰撞,导致电树枝生长较慢。此外,正极性下MgO/XLPE纳米复合材料中平均电树枝长宽比随电压升高下降更快,这是由于电树枝无法穿透纳米颗粒,只能从其表面绕过,导致了电树枝通道方向的改变与细小分枝的产生。     

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。     

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。     

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。