以分子链疲劳断裂理论理解XLPE电缆绝缘水树生长规律

为研究XLPE电缆绝缘中水树的生长规律,对不同老化时间下XLPE材料的水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极法加速电缆绝缘水树老化,利用光学显微镜和扫描电镜观察不同老化时间下电缆水树的微观结构特征,并对水树尺寸进行测量统计。结果表明:不同老化时间下的水树形态和尺寸均存在明显差异,随着老化时间的增加,水树枝变得密集,染色区域颜色变深。在电机械应力作用下XLPE分子链疲劳累积断裂,水分以密集充水细枝的方式向四周辐射扩散,逐渐形成水树通道和微孔,随着通道和微孔数量的增加,水树逐渐变长。     

在XLPE电缆加速老化过程中理解水树的自愈性

针对加速XLPE电缆绝缘水树老化过程中发现的绝缘自愈现象,对水树生长和绝缘自愈性机理进行了分析讨论。利用水针电极法对XLPE电缆绝缘进行加速水树老化,样本介质损耗因数随老化时间推移而增大,但一旦停止施加电压,介质损耗又会逐渐恢复到较低水平,出现了自愈现象。通过建立由一系列充水微孔和微观通道连接而成的水树模型,进行电场有限元计算,发现当水树通道打开时水树尖端电场畸变严重,由此产生的扩张能量使绝缘疲劳断裂,水树生长,介质损耗增加;停止施加电压后,水树通道内出现弹性恢复使水分被挤出,通道逐渐关闭,水树区变成孤立的充水微孔,绝缘自愈。再次施加电压后,充水微孔端部和关闭的水树通道内电场显著提升,水树通道逐步打开。研究表明,水树的自愈和水树通道的打开是一个逐步的过程,需要一定的时间,主要决定于施加的电场大小和绝缘的屈服强度。     

单一极性直流电压下交联聚乙烯电力电缆水树生长特性

为研究直流电压极性对交联聚乙烯(XLPE)电力电缆水树生长特性的影响,对4种不同极性整流电压下的XLPE材料水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极老化法,分别在正弦电压和4种整流电压下对XLPE薄片样本进行了加速水树老化。经过22 d时间的老化后,对样本进行了切片染色并观察了水树形态,对水树尺寸进行了测量统计。观测结果表明:不同极性整流电压作用下的水树尺寸和形态均存在明显差异;正极性下的水树宽度大于负极性下,水树长度却小于负极性下;正极性下的水树枝干分明,较为稀疏,水树区颜色较浅;负极性下的水树密集,枝干较粗,水树区颜色较深。基于以上观察,提出了整流电压下水树生长的离子扩散模型,认为水合离子在材料中的扩散对于水树老化过程起着重要作用。不同极性整流电压下,离子在聚合物中的扩散通量不同,通过水合带入的水分子数量不同,从而导致水树尺寸存在差异。     

XLPE在电场作用下的取向对温度变化条件下水树生长的促进作用机理

为了深入理解温度变化对交联聚乙烯(XLPE)运行电缆中水树生长的影响,该文揭示了温度转换条件下(高温转低温或低温转高温)XLPE试样中水树出现加速生长的行为。在恒温和温度转换两种条件下对一组XLPE样本分别进行加速水树老化实验,通过显微镜对比观测了两种条件下的水树形态及尺寸。同时对另一组XLPE样本在0℃恒温和0℃转60℃条件下进行电压老化实验并检测此组样本的取向度。显微测试结果表明:0℃转至60℃条件老化样本中的水树尺寸显著高于0℃恒温条件老化样本中的水树尺寸。取向度检测结果表明,0℃转至60℃条件下进行电压老化样本中的水树区域存在取向。基于高聚物的取向理论,在0℃条件下进行水树老化时,水树及其前方一定区域的分子链段在电场力作用下发生取向。而当试样从0℃转至60℃时,在一定时间内水树及其前方区域的局部分子链段保持取向。在更为剧烈的分子热运动作用下,取向的分子链段之间更容易发生疲劳断裂,从而显著提高了水树的生长速率。这表明在许多温度交替变化的地区可能存在水树加速生长现象。     

基于有限元法和疲劳理论的电缆水树老化机理

针对电缆水树老化问题,本文通过水针电极老化法加速XLPE绝缘水树老化,研究水树的微观形态,并建立了基于电场仿真和材料疲劳断裂理论为基础的水树老化模型。研究结果表明:Maxwell应力作用下的XLPE分子链会发生疲劳,疲劳累积导致分子链断裂形成微孔和裂纹,随着疲劳断裂的发展及水分的积累,逐渐发展形成相互连接的充水微孔和细枝,并最终发展形成水树。     

低温环境下 XLPE 材料中水树生长特性的研究

为了研究低温条件下水树的生长特性,研究了XLPE薄片样本在0℃下不同老化时期的水树生长速率变化。在XLPE薄片样本中制造针孔缺陷,之后将样本分为3组,并对其在0℃下分别进行为期14 d、21 d、28 d的加速水树老化。利用光学显微镜观测样本中的水树微观形貌和水树长度,并结合电场仿真分析水树在低温下生长速率变化原因。实验结果表明,在低温条件下,样本中的水树明显呈枝状。此外,水树生长速率随着老化时间的增加逐渐增加。电场仿真结果表明,水树长度越长,水树尖端的电场越强。根据水树生长的电机械老化理论,电场越大,水树尖端处的XLPE分子链受到的麦克斯韦应力越大,分子链越容易发生疲劳断裂,导致水树生长速率越大。     

XLPE电缆在不同温度下的力学响应对水树生长的影响

为认识在不同温度下交联聚乙烯(XLPE)电缆受机械应力作用对水树生长的影响,研究了XLPE薄片样本在低温和高温下受机械应力作用时其中的水树生长特征并进行了理论分析。对两组XLPE样本分别采用冷/热扎孔两种方式制造针孔缺陷,并对两组样本进行加速水树老化实验,利用光学显微镜观测老化样本中的水树形态和尺寸。此外,分别利用偏光显微镜和红外光谱仪检测冷/热扎孔两种未老化样本中XLPE材料的取向情况,并研究不同温度下XLPE样本的力学响应及其对水树生长的影响。结果表明,在热扎孔未老化样本针孔一侧存在取向的倾斜应力纹。而在热扎孔老化样本针孔一侧出现和热扎孔未老化样本中倾斜应力纹十分相似的倾斜水树,且其长度显著高于冷扎孔老化样本针孔侧面的水树长度。基于高聚物的力学取向理论,XLPE材料的力学取向是导致出现倾斜水树的重要原因。温度升高时XLPE材料的屈服强度降低,更有利于力学取向。材料取向后,其中的水树生长方向将在很大程度上取决于取向方向,且水树生长沿取向方向加速,从而导致出现更大尺寸的倾斜水树。     

基于水树微观结构特征的水树老化电缆PDC支路参数特征

为了研究水树老化电缆极化-去极化电流(polarization and depolarization current, PDC)支路参数变化特征及原因,分析了水树微观结构特征,并揭示了水树微观结构对电缆PDC支路参数的影响。对短电缆和长电缆样本进行加速水树老化,利用PDC检测样本极化–去极化电流,并计算老化样本Debye模型三支路参数。利用光学显微镜观测短电缆样本中的水树形态,利用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观测水树区域微观形貌。PDC三支路参数辨识结果表明,水树老化样本第3支路时间常数显著高于未老化样本。另外,第3支路电容增加量高于电阻减小量。微观观测结果表明水树区域存在大量孤立微孔,分析认为,水树生长将造成材料分子链断裂及形成大量微孔–XLPE界面,导致材料偶极极化时间及界面极化时间增长,样本第3支路时间常数显著增大。另外,水树区域存在大量孤立微孔,其限制了离子在水树区域的运动,从而导致样本第3支路电容增大量高于电阻减小量。     

有限元法分析交联聚乙烯电缆水树生长机理

为了研究交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树的生长机理,采用水针电极、高频高压的方法对XLPE薄片试样进行加速水树老化实验,通过显微镜观察经硅油加热处理前后的水树形态,构建有限元仿真模型,分析水树生长与电-机械应力的关系,并建立了水树生长的数学模型。结果表明:电-机械应力是导致水树生长的主要原因。在交变电场的作用下,环境中的水分在电缆绝缘中的杂质或缺陷处聚集,形成一系列充水微孔,并对其周围XLPE材料形成交变的Maxwell应力,导致XLPE分子链因应力疲劳而发生断裂,疲劳断裂的累积导致微孔体积增大、数量增多,这些微孔通过水树通道相连形成树枝状的水树形态。     

一种新的加速XLPE薄片水树老化的方法及其研究

基于原有的XLPE薄片水树老化方法,提出了一种能有效加速XLPE材料中水树生长的新型老化方法,然后对XLPE薄片进行加速水树老化实验,并对比分析实验结果。利用光学显微镜和扫描电镜观察薄片样本中的水树微观形态,并统计其长度。搭建水树老化的微观模型,并进行电场仿真分析。结果表明:采用新的老化方法可在短时间内有效培养出符合实际工业运行电缆中的水树,生成的水树长度和微观形貌差异较小,并且可以培养出非独立多棵水树;对于非独立多棵水树,其单棵水树的宽度变窄,重叠区域的水树枝密度与未重叠区域一致,水树长度集中在800μm左右,水树尺寸分散性较小,生成的水树符合"珍珠串"的典型结构。仿真结果显示:水树内部存在的电场屏蔽效应使成片水树重叠区域的水树枝密度与未重叠区域一致,单棵水树与非独立多棵水树前端的电场强度一致,交界处受到的Maxwell应力相同,产生的横向应力和纵向应力一样,对XLPE分子链的撞击力一样,引起的分子链疲劳断裂相同,因此水树长度相近。     

XLPE 电缆绝缘水树老化的无机修复机理及试验分析

为解决电网中大量运行电缆的水树老化问题,采用一种能生成TiO2无机颗粒的修复液对水树老化交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘进行修复,研究了修复效果和绝缘提升机理。将修复液与水直接反应,利用数字电桥和扫描电镜(SEM)研究生成物的介电性能和微观特征。用水针电极法加速XLPE电缆绝缘水树老化,利用修复液对老化绝缘进行修复,测量了样本的击穿电压。通过SEM和能谱分析(XPS),对水树内的填充物进行了观察和分析。实验结果表明:该修复液能扩散到水树区域消耗水分、生成绝缘性能良好的有机-无机复合填充物填充水树空洞;同时,分析认为生成的大量TiO2颗粒能均匀电场、吸收紫外光、降低热电子加速,使修复后样本的击穿电压高于老化样本和新样本的击穿电压。通过实验研究证明,该修复液不但能修复水树老化电缆绝缘,还能进一步提升老化区域的击穿性能。     

XLPE电缆绝缘老化修复技术的工程应用研究

通过水针电极老化法加速XLPE电缆绝缘产生明显水树,采用一种硅氧烷修复液对水树老化XLPE电缆绝缘进行修复,比较了修复前后老化XLPE电缆绝缘的介损和直流泄漏电流,并通过显微镜和扫描电镜（SEM）对水树及其内部的填充物进行了观察。结果表明：修复液能扩散到水树内消耗水分,生成绝缘性能良好的填充物填充水树空洞,使介损和泄漏电流明显下降,绝缘性能逐渐恢复到接近老化前水平。利用修复液对老化样本绝缘进行修复,对现场运行老化电缆进行了绝缘修复实验表明,修复后电缆的介损和直流泄漏电流下降一半以下,显著提高了水树老化运行电缆的绝缘性能。     

基于双电层理论的正/负极性直流电场下水树生长特性

为了揭示直流电场下交联聚乙烯(XLPE)电力电缆中水树生长特性与直流电场极性的关系,进行了XLPE样本正/负极性直流电场下加速水树老化实验,分析了不同极性直流电场下XLPE/溶液界面结构对离子、水分向XLPE材料中迁移过程的影响,并进行了不同极性直流电场下水树区域的仿真分析,提出了直流电场极性影响水树生长特性的一种可能解释。研究结果表明:水树在负极性直流电场下比正极性直流电场下更长、老化更严重;在负极性直流电场下由于迁移至XLPE样本表面的氯离子存在特性吸附现象,界面结构中没有水偶极层阻碍氯离子进入XLPE材料中,所以迁移进入XLPE材料的离子、水分含量比正极性直流电场下更大;负极性直流电场下水树区域中有较多的离子、水分,使水树前端电场强度更大,有利于水树生长。因此基于XLPE/溶液界面结构的双电层理论分析,水树生长存在负极性直流电场下比正极性直流电场下长度更长、老化更为严重的现象。     

一种加速XLPE电缆水树老化的新型水电极法

基于原有的水电极老化方法,提出了一种能有效加速XLPE电缆绝缘中水树生长的新型水电极法,并针对该方法的老化机制进行了讨论。采用改进后的新型水电极法老化XLPE电缆制作水树样本,测量老化过程中电缆样本的介质损耗正切角(tanδ)的变化。利用光学显微镜、红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)分析电缆样本中水树的微观结构和形貌变化,提出相应的微观老化模型。结果表明:采用改进后的水电极法生成的水树尺寸和微观形貌差异较小,水树长度在300~400μm之间,水树形貌为团状,水树缺陷内部微孔或通道的直径在几微米到几十微米之间。采用新型水电极法老化的电缆试样稳定有效,可生成符合典型结构和特征的水树,为进一步研究电缆绝缘老化机理提供了可靠的保证。     

缺陷形状对XLPE材料水树生长特性的影响

利用砂纸在XLPE薄片样本表面压制缺陷,模拟工业实际运行电缆中存在的不同形状的缺陷,然后对XLPE薄片进行加速水树老化实验,对比分析不同缺陷下的实验结果。利用光学显微镜和扫描电镜观察薄片样本水树长度及微观形态,统计不同缺陷下生长的水树长度。搭建水树老化的微观模型,并进行电场仿真分析。结果表明:缺陷深度相同时,不同形状缺陷下生成的水树长度和微观形貌差异较小,水树尺寸分散性较小。未生长水树时,电场畸变严重区集中在缺陷尖端,不同形状缺陷前端处的电场相差较大,缺陷形状对水树引发的影响很大;水树生长中后期,由于水树区域的电导率远大于XLPE材料的电导率,导致电场畸变严重区转移到水树尖端,大幅弱化了缺陷前端处的场强,因此缺陷形状对水树生长中后期的影响很小。     

在线注入有机硅修复液对交联聚乙烯电缆中水树生长的影响

提出了水树老化电缆的在线修复方法,讨论了在交变电场下修复液对水树的抑制作用及其绝缘修复机理。采用高频高压水针电极法对新样本、预修复样本和在线修复样本进行加速水树老化。老化一个月后,使用显微镜观察样本中水树形态并测量其水树长度。通过差示扫描量热法分析样本绝缘层的劣化程度,同时利用扫描电镜和能谱分析仪对比水树区域的微观形貌及化学结构变化。研究表明,在线注入有机硅修复液能有效地抑制水树的生长。在电场的作用下,修复液分子和水分子同时向强电场区域(如微孔、水树区域等)进行扩散并发生反应,消耗水分并且生成凝胶颗粒填充微孔,一定程度上缓解了绝缘的劣化。     

电缆的机械弯曲对绝缘层中水树生长的影响

为了研究电缆机械弯曲对其绝缘中水树生长的影响,对不同弯曲程度的交联聚乙烯(XLPE)电缆中的水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极老化法,分别对不弯曲、弯曲程度较小和弯曲程度较大的3组电缆样本进行加速水树老化实验。经过28天加速老化后,分别对3组电缆样本进行切片,利用显微镜观察水树形态,并对水树尺寸进行测量统计。同时,结合XPLE材料在机械应力作用下的取向行为,对实验结果进行理论分析。结果表明:随着电缆弯曲程度逐渐增加,其绝缘外侧的水树形态逐渐由半圆形变为圆锥形,并且水树长度和宽度之间的差异逐渐增大。且弯曲程度越大,水树宽度超过长度越多。分析认为当电缆达到一定的弯曲程度时,其绝缘外侧的局部机械拉力将超过XLPE的屈服强度,从而导致材料分子链发生力学取向。取向后材料呈现各向异性,沿取向方向的水树生长将得到促进,而垂直于取向方向的水树生长将受到抑制,从而导致圆锥形水树的出现。     

修复液沿交联聚乙烯电缆高度方向的浓度分布及其变化对修复效果的影响

为了认识修复液沿交联聚乙烯(XLPE)电缆高度方向的浓度分布及其对修复效果的影响,研究了预修复(老化前预先注入修复液)电缆样本上侧和下侧的水树生长特征以及绝缘层的微观形貌变化。对两组预修复电缆样本分别进行不同时间的加速水树老化。通过光学显微镜观测不同老化时间的样本其上下侧的水树形态和尺寸,同时利用扫描电镜(SEM)和红外光谱(IR)观测(检测)样本上下侧水树区域的微观形貌和修复液浓度变化。测试结果表明:加速老化30天后,样本上侧的水树尺寸达到310.5μm,大于样本下侧的水树尺寸(251.2μm)。此外,样本下侧水树区域C—Si键吸光度(与修复液浓度呈正比)为0.83%,高于样本上侧水树区域的C—Si键吸光度(0.72%),表明此时样本下侧水树区域的修复液浓度高于样本上侧。而加速老化40天后,样本下侧的水树尺寸达到371.8μm,反而超过样本上侧的水树尺寸(350.3μm)。此时样本下侧水树区域C–Si键的吸光度降至0.48%,低于样本上侧水树区域C—Si键的吸光度(0.63%),表明此时样本下侧水树区域的修复液浓度反而低于样本上侧。该研究表明,重力对修复液沿电缆高度方向的浓度分布及其变化具有重要影响。受重力作用,修复液在电缆中易于向下渗透,从而使得样本下侧水树区域的修复液浓度降低,并导致样本下侧的水树生长速率和老化程度增加。     

硅氧烷对水树老化后的交联聚乙烯电缆的修复研究

采用了一种硅氧烷修复液对水树老化电缆进行绝缘修复,并对修复效果及水树尖端电场进行了分析和讨论。首先,采用水针电极加速老化系统对10kV交联聚乙烯(XLPE)电缆样本绝缘进行高频高压老化,直到电缆介质损耗因数达到20%左右。此后,通过压力注入式修复系统从老化样本缆芯注入修复液,修复液渗透进入绝缘进行修复。通过比较修复前后电缆介质损耗因数和击穿电压的变化,发现随着修复时间的延长,老化电缆的绝缘性能逐渐恢复到新电缆水平;同时,通过显微镜观察到水树空洞被反应生成的有机化合物有效填充,达到了消除绝缘层微孔中水分的效果。此外,通过修复液直接与水反应实验和电场有限元仿真结果,进一步证实该修复液能有效提升水树老化电缆的绝缘性能。结果表明,修复液能渗透到水树区并修复水树老化电缆。     

基于极化去极化电流法的水树老化XLPE电缆界面极化特性分析

为实现对水树老化交联聚乙烯(XLPE)电缆进行准确、快速的绝缘状态诊断,该文基于极化去极化电流法(PDC)研究水树老化电缆极化过程中电导电流的变化,分析因水树区域电导率与相对介电常数的变化导致的"水树-XLPE"界面极化特性。通过获取不同老化时间的电缆样本并进行了PDC测试,提取电缆样本的电导电流,分析"水树-XLPE"的界面极化特性及其对极化去极化电流测试的影响。研究结果表明:不同测试电压下水树老化电缆的电导率呈现出非线性,极化过程中老化样本的电导电流呈现出先增大后逐渐衰减至稳定值的趋势,且随着老化时间的增加,这一趋势也越明显。分析认为,测试过程中由于水树区域电导率与相对介电常数发生变化,导致"水树-XLPE"界面极化电流存在先增大后减小至稳定值的趋势,从老化电缆的极化去极化电流中提取的电导电流存在峰值,电缆水树老化程度越严重,这一峰值也越大。