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。     

交直流叠加电压下硅橡胶内电树枝特性

直流电缆附件在运行过程中不仅要承受直流电压,还要承受因整流器件而产生的交流电压,在这种工况下,电树枝的引发和生长将不同于纯直流和交流的情况。在直流叠加交流电压下对硅橡胶中的电树枝进行了实验,研究了不同直流电压幅值对电树枝起始、生长和击穿特性的影响。实验结果表明:固定交流电压下,直流电压幅值的增加使电树枝起始电压先上升后下降;电树枝长度随着直流电压幅值增长基本呈现单一增长趋势,扩展系数随直流电压幅值增长而下降;当直流幅值相同时,正直流电压下电树枝的扩展系数均小于负直流下电树枝的扩展系数;随着直流幅值的增加,正直流电压下电树枝形态结构的变化趋势与负直流电压下的情况类似,试样的电树枝击穿概率增加,并且正直流电压对试样的击穿概率的影响较为显著。     

针尖曲率半径对硅橡胶电树枝老化特性的影响

针对硅橡胶材料电树枝老化特性展开了试验研究。采用针板电极结构,测量了不同针尖曲率半径的起树电压和电树枝形态。结果表明,硅橡胶的起树电压较低,抗电树枝老化性能较差,导致了硅橡胶预制式电缆附件故障频发;硅橡胶中的起始电树枝多以单枝状的通道形成为标志,随后发展为4种不同的电树枝形态。进而提出了硅橡胶电树枝形态发展模型,并以此讨论了不同形态的电树枝老化特性。研究还发现,现场实际运行的硅橡胶预制式电缆附件故障解体后发现了单枝通道起始电树枝,其在运行电压作用下容易发展为细枝型形态,但同样会引发电缆附件的击穿。试验结果为现场故障分析提供了参考依据。     

无外界干预下硅橡胶电树枝自恢复特性的研究

为深入理解硅橡胶(SiR)电树枝的自恢复机理,本文对SiR电树枝自恢复特性进行研究,观测SiR电树枝自恢复过程中的形貌变化,表征SiR试样在电树枝自恢复过程中弹性模量和交联密度的变化,并对SiR电树枝自恢复机理进行分析。结果表明：在没有外电场以及修复填料等外界干预下,SiR电树枝表现出自恢复特性,其部分分支会逐渐退化并最终消失,分形维数逐渐降低,自恢复速率呈现先快后慢的阶段性特征。在电树枝自恢复过程中,SiR试样的弹性模量略有增加,由0.964 MPa增大至0.977 MPa;交联密度略有减小,由1.886×10^-4 mol/g减小为1.883×10^-4 mol/g。自恢复后电树枝劣化区域的物理交联密度略有提升,由0.55×10^-4 mol/g提升至0.58×10^-4 mol/g。结合SiR电树枝生长机理,分析认为SiR电树枝的自恢复过程本质是树枝通道的弹性收缩过程,受控于通道内的气体流动,并伴随着氢键的重建过程。     

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。     

分形分析方法在电树枝结构研究中的应用

聚合物绝缘材料中电树枝结构复杂多样,不同结构电树枝具有不同的分形维数。本文利用Matlab编程,采用计盒维数法对不同结构形状电树枝图像的分形进行了分析计算。计算结果表明电树枝形状越复杂,其计盒分形维数和局部分形维数越大。在二维平面上,电树枝的计盒分形维数越小,其发展空间越大,发展速度越快。不同结构电树枝的稳定局部分形维数分布在一定的范围内,因此可以从分形维数理论上对不同结构形状的电树枝进一步进行分类。本文基于所提出的方法,分别对聚乙烯及聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料中不同生长阶段和复杂结构的电树枝进行了分析计算。     

环氧树脂在低温环境下的电树枝生长特性EI北大核心CSCD

电树枝老化是导致电缆附件绝缘性能下降的重要原因。为解决该问题,重点研究了高温超导电缆终端环氧树脂绝缘材料在低温条件下的电树枝生长特点。分别在30、-30、-60、-90、-120、-196℃环境下进行实验,采用针-板电极对试样施加正极性脉冲电压,电压幅值为10、12、14 k V,频率为300、400、500 Hz。实验结果表明,低温下环氧树脂会产生2种结构的电树:树枝状和树枝-松枝混合状。低温对环氧树脂中电树枝的生长有抑制作用;然而一旦电树枝产生,低温下材料的劣化区域增加,从而对材料造成严重破坏。低温环境下脉冲电压的幅值和频率对电树枝生长的影响与室温时相似,增加脉冲幅值和频率均会加速电树枝的发展。     

实际XPLE电缆模型下升压速度对电树枝生长特性的影响

电树枝化是影响交联聚乙烯(XLPE)电力电缆运行安全与寿命的技术瓶颈。笔者采用金属针缺陷模拟电缆中集中的电场应力,研究了在工频交流电压下(50 Hz),不同实验起始升压速度(0.1 kV/s,1 kV/s)对XLPE电缆中电树枝生长特性的影响。结果表明,在高的升压速度下电树枝起始快,同时电树枝形态会由纯枝状变为稠密枝状,分形维变大。     

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。     

交联聚乙烯电力电缆电树枝生长的混沌特性分析

采用实际的XLPE电缆作为试验样品,以针尖模拟电场应力的集中,开展了工频12～21kV电压和常温到70℃下的电树枝化试验;引入了混沌理论分析电树枝生长的过程,并以电树枝局部放电单位时间内的最大放电量和总放电量作为分析对象,结合电树枝的生长的物理机理,分析了电树枝生长的混沌特征。结果显示XLPE电缆电树枝的生长过程具有确定性混沌特性,电树枝混沌特征的最大Lyapunov指数和关联分形维数值表现出随树枝分形维数的增大而减小的趋势。     

硅橡胶中局部放电发展与电树枝生长的关系研究

研究硅橡胶中电树枝化微观物理过程与局部放电宏观表征之间的关系,能够为基于局部放电严重程度在线评估电缆中间接头的绝缘状态提供理论依据。制备了带有缺陷的硅橡胶切片试品,在逐级升压过程中实时测量了硅橡胶绝缘劣化起始直至击穿全过程中的电树枝照片和局部放电信号,生成了电树枝面积和单位时间内局部放电能量随时间的变化曲线,阐述了两条曲线之间的对应关系。基于电树枝面积曲线的变化规律,将电树枝生长全过程划分为引发及生长、滞长、快速生长共计3个阶段,讨论了各阶段电树枝的生长模式;基于局部放电能量的发展变化规律,将局部放电发展全过程划分为5个阶段,得到了各阶段局部放电相位特征谱图,提取了灰度图空穴面积和局部放电相位宽度作为表征局部放电严重程度的特征量。研究结果表明,电树枝面积曲线和局部放电能量曲线的发展趋势具有高度的一致性,电树枝生长的3个阶段分别对应于局部放电发展的1-2阶段、3阶段以及4-5阶段,从而建立了硅橡胶劣化微观物理过程和局部放电宏观表征之间的关系,为电缆中间接头绝缘状态的在线评估奠定了基础。     

硅橡胶电树枝通道微观形貌研究

电树枝是引起聚合物绝缘材料破坏的重要因素之一,电树枝通道形貌包含了材料绝缘寿命、缺陷形成机理等重要信息。为此,利用共焦显微镜,首次使用荧光显微法对电缆内绝缘用硅橡胶(SIR)材料中电树枝老化通道进行逐层扫描观测,得到荧光显微法三维电树枝形态图和透射光源法电树枝微观形态图。另外,利用扫描电子显微镜(SEM)对电树枝通道横切面进行观测,得到电树枝通道横切面电镜图像并利用暗视野显微成像得到电树枝通道落射光法显微图像。通过上述4种实验观测方法得到的电树枝通道形貌图表明,硅橡胶电树枝通道整体形态为由球状破坏点连成的树枝状中空气隙通道,这种形貌特点首次通过实验方法直接观测得到。进而,基于这一实验结果和电树枝局部放电理论,提出了硅橡胶电树枝球状生长模式,不仅与实验观测相符合,也可为进一步研究硅橡胶中电树枝生长机理提供基础。     

工频电压下110 kV 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。     

机械应力对硅橡胶高压电缆附件运行可靠性的影响

近年来由于高压电缆附件产品（终端与接头）的加工制作、安装施工不当等原因而引发了多起电缆线路故障,导致了爆炸、火灾等,造成了严重的经济损失,并给电网的安全运行带来了极大的风险隐患。为此,针对近年国内发生的多起重大的、具有共性特点的高压电缆附件工程热点故障案例,对故障及非故障接头进行了电树枝观测、材料性能试验以及电场、力学仿真计算,剖析了多起故障发生的共性原因及机械应力对高压电缆附件长期运行可靠性的重要影响作用。研究结果表明：电缆附件预制件承受的机械应力过大时将致使其环向机械应力增加,极端情况下可能导致电缆附件绝缘介质内部发生结构损伤和破坏,即使在较低电场强度下也可诱发电树枝,最终导致电缆附件绝缘介质本体击穿;而电缆附件预制件承受的机械应力较小时,会导致电缆附件预制件与电缆绝缘表面界面压力过小,进而会在界面处产生微小气隙等缺陷,引发界面放电。该分析结果可为后续硅橡胶高压电缆附件结构选型优化、试验检测以及安装质量控制等技术研究和工程实施提供借鉴。     

机械应力作用下硅橡胶材料的击穿特性研究

预制式硅橡胶高压电缆附件在运行过程中由于过盈配合长期承受较大的机械应力,会对其主绝缘材料硅橡胶的性能产生一定影响。本文首先研究了机械应力对硅橡胶击穿特性的影响,测试了不同拉伸比例下硅橡胶材料的击穿特性,并对比了相同厚度下拉伸与未拉伸状态试样的击穿场强,以及拉伸前后试样击穿场强的变化。然后对拉伸后的试样进行红外光谱、密度、力学性能和TSC测试,分析了不同机械应力作用对材料相关理化性能和电气性能的影响。结果表明:拉伸比例从0增大到125%时,厚度为1 mm和2 mm的硅橡胶绝缘材料的击穿场强分别增大了35.4%和51.0%;排除厚度变化的因素,材料在拉伸情况下的击穿场强仍比原始状态下高;撤掉应力后,其击穿场强反而比未拉伸试样低。     

机械应力影响环氧树脂绝缘电树枝劣化研究进展

环氧树脂凭借其优异的电气绝缘、耐热与机械性能以及良好的可塑性,被广泛应用于支撑绝缘子、绝缘拉杆等电气设备绝缘部件.随着电气设备电压等级的提高,环氧树脂绝缘部件运行工况日趋严苛,机械应力带来的绝缘失效问题更为突出.根据国内外参考文献,文中综述了机械应力下环氧树脂电树枝劣化引发绝缘击穿现象的研究进展.根据环氧树脂承受应力的不同,介绍了拉伸、压缩应力下电树枝生长的形貌特征,总结了温度工况下机械应力对电树枝生长的影响规律.基于环氧树脂分子链的物理微观结构与电荷输运特性,从能量角度探讨了绝缘材料在机械应力下的电树枝劣化机理.阐述了电气设备环氧绝缘部件的电树枝研究的关键问题与解决思路,为开发高绝缘性能的环氧树脂绝缘材料提供了参考.     

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。     

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。     

XLPE电缆绝缘中的电树枝结构及其生长特性

为研究不同频率下半结晶XLPE电缆绝缘材料中的电树枝引发、生长及结构特征,系统的归纳了XLPE电缆绝缘中可能出现的电树枝特征及其与材料聚集态和残存应力的关系;采用变频高电压发生器、实时显微数字摄像技术及专用试样加工工艺,进行了大量的电树枝培养实验。实验研究发现,由于半结晶高聚物的不均匀结晶和电缆生产过程中在绝缘层中产生的残存应力的影响,使得50Hz施压频率下XLPE电缆绝缘试样中会生成枝状、枝状与丛林混合状及纯丛林状3类电树枝,而>500Hz高频下则只能生成稠密枝状电树枝,它们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,而高频下则关系不大。分形分析这些电树枝的结构后发现,电树枝的生长特性与其分形维数及其分形维数的变化有对应关系,故可用分形维数分类和定量描述这些电树枝.最后探讨了几种不同结构电树枝的生长机理。