交联工艺对交联聚乙烯中空间电荷的影响

空间电荷是描述介质微观缺陷（介质局域态密度或陷阱密度）的重要表征参数,空间电荷在有机材料中聚集会导致材料的老化和击穿性能下降.文章以交联聚乙烯为研究对象,用电声脉冲法（ PEA）测量了在不同电场强度和短路条件下交联聚乙烯试样中空间电荷的分布,分析了交联温度和交联时间对空间电荷的影响,并用红外光谱（ IR）分析了空间电荷对交联聚乙烯局部化学结构的影响.通过研究,认为从空间电荷角度来看,温度为 170℃、交联时间为 20分钟或以上时交联效果最佳,此时,试样中因添加剂等小分子所导致的杂质粒子减少到最小程度,减少了电荷陷阱,因此在直流电场下空间电荷积聚也最少.     

热老化下双层聚酯薄膜空间电荷特性的试验与数值仿真研究

双层电介质广泛应用于高压电气设备绝缘系统中，由此引入的空间电荷积聚和局部电场畸变问题已得到普遍关注。为揭示界面空间电荷特性及其影响影响因素，文中以热老化处理（130℃）的双层聚酯薄膜（PET）为研究对象，采用电声脉冲法（PEA）测量技术对不同热老化程度双层介质的空间电荷特性进行研究，基于测试结果从3个方面对双层介质表面态特性进行表征，建立改进的双极性电荷输运模型（BCT），模拟空间电荷的动态演变过程，揭示了表面态对电荷特性的影响规律。试验结果表明：随着老化时间增加，界面电荷密度先增加后减小，界面区域以电子性陷阱为主，但该区域电子和空穴陷阱呈现非对称特性。仿真结果表明：表面态对界面电荷行为有重要影响，介质表面陷阱深度、密度及其分布范围的增加导致界面电荷的积聚更加严重。     

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。     

热老化对纤维素绝缘纸的空间电荷及陷阱特性的影响

为理解变压器用纤维素绝缘纸在其热老化过程中的空间电荷特性演变规律及其影响机制,采用电声脉冲法研究不同老化程度绝缘纸在不同电压等级(30、15和5kV/mm)下的加压和去压后的电荷密度分布规律,分析了绝缘纸热老化程度与其空间电荷特性演变规律间的联系。结果表明:纤维素绝缘纸体内电荷注入量及注入速率与外施电场等级成正比关系。热老化能够降低纤维素绝缘纸空间电荷注入的起始阈值,并减缓绝缘纸体内电荷注入和迁移的速率,从而削弱了体内电荷的复合现象。随着热老化程度的增加,纤维素绝缘纸体内陷阱的分布密度和陷阱能级的深度都将增大,致使材料体内残留电荷不仅总量逐渐增大,而且衰减速率逐渐降低。研究成果为理解热老化对纤维素绝缘纸空间电荷积聚和消散的影响机制提供了理论支撑。     

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。     

绝缘纸热老化对油浸绝缘纸空间电荷生成及迁移特性的影响

油纸绝缘介质在高压直流电场的作用下容易在其内部积聚空间电荷,造成电场畸变进而引发材料绝缘性能的下降,为了深入探索油纸绝缘系统空间电荷的生成机理,研究区分绝缘纸老化和绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷生成及迁移的影响具有重要意义。首先将纤维素绝缘纸在130℃下进行加速热老化,然后将不同老化状态绝缘纸浸渍新绝缘油,得到不同老化状态的油纸试品,最后运用电声脉冲(PEA)法研究油纸试品的空间电荷注入、迁移和消散特性,并分析单纯绝缘纸老化对油纸绝缘试品在加压和去压过程中的空间电荷总量变化规律的影响,以及对油纸试品表面陷阱能级密度分布的影响。结果表明:随着绝缘纸老化程度的加深,加压过程中阳极处的正电荷密度峰值以及试品内部负电荷密度峰值逐渐增大,去压后空间电荷衰减速率减小;绝缘纸老化越严重,试品内部积聚的空间电荷总量、试品的表面陷阱能级密度也越大。与绝缘油老化对油浸绝缘纸空间电荷特性的影响相比发现,绝缘油与绝缘纸的老化均会改变油纸绝缘介质空间电荷分布,增大空间电荷注入总量,从而对材料绝缘性能造成巨大影响。     

电荷陷阱对XLPE绝缘电老化特性的影响

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由于良好的电气性能而常被用作高压直流电缆的绝缘材料,但其内部缺陷形成的电荷陷阱会导致空间电荷积聚,从而加速绝缘材料的电老化。文中基于电荷陷阱对XLPE电缆绝缘电老化的影响,研究了电荷陷阱在XLPE电缆绝缘电老化过程的作用机理,并运用自由能增量理论定量地分析了电荷陷阱对电老化的影响。将电缆样品进行热老化预处理,得到具有不同电荷陷阱参数的XLPE样品,对其进行空间电荷测试和步进应力实验,验证了空间电荷陷阱和电老化进程之间的关系。结果表明,在XLPE电老化过程中,浅陷阱密度与材料的电老化速率正相关,而深陷阱对电老化过程起抑制作用。     

绝缘纸特性和极性反转对油纸绝缘空间电荷效应的影响

油纸绝缘系统的空间电荷效应将畸变绝缘介质内部的电场,进一步影响其老化和击穿等电气特性。在直流电场、复合电场及极性反转等复杂工况下,换流变压器内绝缘系统的空间电荷效应将更为突出。基于双极性电荷输运模型,通过数值模拟方法探究绝缘材料厚度、老化状态和极性反转等关键因素对空间电荷效应的影响。研究表明,绝缘纸厚度的变化不改变空间电荷密度曲线中正/负电荷区的极性偏移特性,但厚度变小缩短或消除了零电荷区;绝缘纸老化程度的加深,其电荷陷阱及深陷阱数目均会增多,这一方面加强了空间电荷效应的极性偏移,另一方面使得正电荷区呈变小趋势,从而使绝缘纸内电场畸变加剧;极性反转工况下,绝缘纸中陷阱电荷的脱陷或复合均需一定的时间滞后,使得净空间电荷密度曲线的负/正电荷区呈现初值不对称和沿介质厚度方向分布均不对称的特征,致使绝缘纸内部电场畸变愈发严重。研究结果可以为换流变压器油纸绝缘设计与防护提供参考。     

绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷形成及迁移特性的影响

探索绝缘油老化或绝缘纸老化对油纸绝缘介质在老化过程中空间电荷形成及迁移特性的影响,能为有效抑制油纸介质空间电荷的形成提供科学依据。首先在130℃下将绝缘油进行22 d加速热老化,并对其老化状态进行表征;然后通过电声脉冲法测量由不同老化程度绝缘油浸渍的油纸试品,分析在加压、瞬时去压和去压情况下绝缘油老化对油纸试品直流空间电荷动态行为的影响;最后通过计算分析绝缘油老化对油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级分布和电场畸变率的影响。结果表明:在负极性电源电压下,贴近阳极(铝板)侧绝缘纸层内注入的正电荷密度以及在靠近阳极侧绝缘纸–绝缘纸界面处积聚的负电荷密度均随绝缘油老化程度加深而增大;绝缘油老化越严重,相应绝缘油浸渍油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级密度和电场畸变率也越大。     

介质击穿与界面区陷阱特性的关联

为了研究介质击穿与陷阱特性的关联,分别制备掺杂1%质量分数的聚丙烯/氮化铝和聚丙烯/氧化铝纳米复合电介质,测试了试样的热刺激电流、介电频谱、电阻率和直流击穿特性。实验结果表明：纳米复合电介质的深陷阱密度、体积电阻率和直流击穿强度均高于纯聚丙烯试样。分析发现纳米复合电介质的电阻率和击穿场强与深陷阱密度呈正相关性,深陷阱密度增加,其电阻率和击穿场强增加。基于电荷输运模型和交互区势垒模型,解释了直流击穿机理：介质体内深陷阱密度的增多来源于纳米掺杂形成的界面区;深陷阱密度的增加增强了捕获效应,限制了载流子迁移,导致载流子平均自由程、载流子迁移率和能量减小,使得电导率降低;高场强时,捕获效应增强抑制了介质体内载流子倍增过程,导致碰撞电离不易发生,直流击穿场强增加。     

聚丙烯/Al_2O_3纳米复合介质直流击穿特性与电荷输运仿真研究

聚丙烯以其优异的电气性能被广泛用于电力电容器,并且是一种潜在的环保型高压直流电缆绝缘材料。直流电压作用下的空间电荷注入和积聚特性是绝缘介质电击穿的重要因素。为研究击穿特性与电荷输运的关联,分别制备掺杂质量分数为1%、7%和15%的聚丙烯/氧化铝纳米复合介质,测试极化、热刺激去极化电流、高场电导、正电子湮灭和直流击穿特性。实验结果表明:1%质量分数的纳米复合介质的直流击穿场强相较于纯聚丙烯增加,这对应于在1%质量分数的复合介质中较深的陷阱;而7%和15%复合介质的击穿场强和陷阱能级均减小。复合介质的自由体积尺寸未发生明显改变。基于双极性电荷输运模型,仿真计算空间电荷和电场畸变特性随陷阱能级和升压时间的动态演变过程。仿真结果表明,在较大的陷阱能级时的注入电荷密度和电场畸变率均减小;电荷向介质体内的迁移深度在较大的陷阱能级时变浅;随着加压时间的增加,在电场达到一定阈值后的电荷注入和电场畸变才较为明显。深陷阱捕获载流子后形成的同极性电荷积聚和抑制的载流子迁移率均有利于直流击穿性能的提升。     

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.     

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。     

不同热老化程度油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为理解油纸绝缘介质的热老化程度与其体内空间电荷特性间的关系,对由#25矿物变压器油和普通植物纤维素绝缘纸组合而成的油浸绝缘纸试样进行加速热老化试验,应用电声脉冲（PEA）法测量了不同热老化程度下试样在直流电场（20 kV/mm）作用时和作用后的空间电荷密度分布图像,讨论了热老化程度对试样内部空间电荷分布及电荷总量的影响。结果表明：随着油浸绝缘纸试样热老化程度的加深,外加直流电场时试样中部空间电荷注入量呈增大趋势,电荷密度到达极值所需时间延长;去压后试样内部积聚电荷消散所需时间明显延长,将致使材料内部场强畸变时间增加。研究得到去压后试样内空间电荷密度极值及电荷总量与消散时间呈现指数衰减关系,可用衰减时间常数τ来表征不同老化状态油纸绝缘的电荷消散能力。该研究成果为进一步评价油纸绝缘介质在不同热老化程度下的空间电荷特性提供了参考依据。     

空间电荷碰撞电离退陷阱化导致介质击穿的理论

引言聚合物介质在高电场或电子束辐照下会产生带电现象,建立空间电荷。当时带电的介质进行短路放电时,可引起介质的击穿或接地树枝的产生。为什么这些空间电荷在形成过程中没有引起介质击穿,反而在短路释放瞬时引起介质的击穿破坏呢? 本文针对这一现象开展研究,探讨空间电荷在退陷阱化过程中引起介质击穿的机理,并从实验上进行研究和验证。 1.理论介质中的空间电荷由自由电荷和陷阱电荷组成。其中陷阱电荷可由场发射、热发射或者热、场发射实现退陷阱化,成为自由电荷。最近,有作者指出,入陷载流子还可以通过     

热老化对电压稳定剂改善交联聚乙烯绝缘性能的影响

为了进一步提高交联聚乙烯(XLPE)的电气性能,该文选用间氨基苯甲酸作为电压稳定剂,用溶液法制备了质量分数为1％的XLPE共混物试样,并对试样进行加速热老化实验.利用空间电荷、电导率和表面电位衰减测量,研究了添加电压稳定剂和热老化前后材料的电气性能.通过试样在添加电压稳定剂与老化前后的电场和陷阱能级分布,分析了电压稳定剂以及热老化对试样内部陷阱的影响.结果表明,间氨基苯甲酸能够有效抑制XLPE中的空间电荷积聚,改善试样内部电场分布,同时降低试样的直流电导率.热老化后,试样内部出现了明显的空间电荷积聚,电场畸变明显,表面电位衰减速率下降,直流电导率有明显上升.由此可知,电压稳定剂的添加导致试样内部深陷阱和浅陷阱密度的增加,提高了电荷注入的势垒.热老化使陷阱密度下降,深陷阱加深,导致材料中空间电荷积聚,电场畸变明显,从而降低了材料的电气性能.     

热处理温度对三元乙丙橡胶交流电场特性的影响研究

通过三元乙丙橡胶片状试样在100℃和200℃常压环境下分别18h热处理后,对试样中副产物含量、交流击穿场强、陷阱参数和空间电荷等特性进行检测和对比,研究热处理温度对乙丙橡胶交流电场特性的影响。检测结果表明:试样中主要杂质含量和空间电荷量随热处理温度上升而减少,其中100℃处理后击穿场强、陷阱能级变化不大,200℃处理后击穿场强下降11%,深能级陷阱密度大幅上升。击穿场强和陷阱密度的变化趋势表明,100℃处理后绝缘性能无明显变化,但200℃热处理后绝缘已明显老化。未处理试样中半导电电极侧和铝电极侧分别表现为明显的异极性电荷和同极性电荷积累,且在交流电场180°区域未出现明显的电荷积累;200℃处理后的老化试样在两电极侧区域均为同极性电荷积累,且铝电极侧在交流电场180°区域出现了显著的负极性电荷积累。根据空间电荷等密度线扩散趋势和不同类型电荷在正、负半周电场下的迁移方向,可以推测电极侧的同极性电荷主要源自电极注入,异极性电荷主要源自杂质解离形成的离子。交流电场180°区域的负极性空间电荷积累,可能与200℃处理后试样老化导致的0.72～0.95eV范围内的陷阱大量形成相关,正半周内注入电荷被深陷阱大量俘获,且在10ms半周期内无法快速脱陷,残留至负半周。     

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。     

基于双极性载流子输运模型的高压直流电缆附件绝缘EPDM/LDPE界面电荷的数值模拟

高压直流塑料电缆是直流输电系统的关键装备,作为其重要连接环节的直流电缆附件由于介质的不连续性,容易产生界面电荷积聚,威胁电缆输电系统安全。为此,通过设置界面特性相关的表面态、界面势垒和载流子迁移率等参数,利用双极性载流子输运模型仿真研究了不同界面条件下空间电荷在乙丙橡胶(EPDM)/低密度聚乙烯(LDPE)双层介质中的注入和输运特性,并分析了界面电荷累积对复合绝缘系统电场分布的影响。仿真与实验结果证明材料表层的深陷阱能级、较高的界面势垒以及两种介质间较大的载流子迁移率差异均能造成界面电荷密度的增大,同时界面电荷积累也使电场分布畸变更加严重。因此可以从改善材料表面态分布,降低界面势垒和提高载流子迁移率匹配程度等方法出发,以解决高压直流电缆附件绝缘界面电荷积累问题。     

变频电机绝缘介质热刺激电流的测量

为了从微观上解释聚合物的电老化与击穿现象，国际上广泛开展了空间电荷理论及测量的研究。热刺激电流是一种研究电介质电荷存储及陷阱能级参数的重要手段。本文充分讨论了各种干扰和温度漂移对测量结果的影响，设计了一种测量聚合物pA级热刺激电流的装置，并以此装置实测了变频牵引电机用固体绝缘介质的热刺激电流。