加速热氧老化中交联聚乙烯电缆绝缘聚集态结构与介电强度关联性研究

为了研究加速热氧老化对中交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆绝缘聚集态结构和介电强度的关联性,对XLPE电缆绝缘进行了X射线衍射实验、扫描电子显微镜观察、差示扫描量热分析、工频击穿实验和氧化诱导期测量。实验结果表明:氧化诱导期先快速下降然后接近于0。根据氧化诱导期实验可以将加速热氧老化可以分为两个阶段,即重结晶期和热氧老化期。在重结晶期结晶度、晶体熔融温度和工频击穿场强略微上升。与此同时,氧化诱导期快速下降,表明试样内部的抗氧化剂被大量消耗。在热氧老化期结晶度、晶体熔融温度和工频击穿场强均显著下降,氧化诱导期接近于0,表明试样内部的抗氧化剂已基本消耗完毕。此阶段XLPE中氧化反应可以自发加速进行,产生了较多的断链及氧化产物。根据上述实验结果,提出了一种基于热膨胀力和氧化反应的热氧老化模型,对老化过程中XLPE电缆绝缘聚集态结构和介电强度的劣化过程进行了解释。     

高压电缆绝缘热老化特性及破坏机理研究

高压电缆长期运行过程中温度引起的绝缘材料热老化是影响其整体绝缘性能的重要因素。通过对高压电缆主绝缘层切片取样，研究分析了不同老化程度试样的微观形貌、官能团、结晶度、交联度等理化性能变化规律，测试分析了不同老化程度试样的电阻特性、介电性能和击穿特性，仿真模拟了不同温度下交联聚乙烯分子链的运动情况，进一步讨论了热老化对其微观结构的破坏演变机理。研究结果表明，老化2 160 h后试样的晶区结构破坏较为严重，随着老化时间的延长，相邻晶区的间距增大，晶区排列松散，无定型区面积增大；羰基指数从3.88%增大至11.06%，羟基指数从1.58%增大至10.98%，结晶度从35.43%下降至35.05%，交联度先降低后升高。老化后试样的绝缘性能相应的发生变化，体积电阻率从2.76×1017Ω·cm下降到4.10×1013Ω·cm，介电常数从2.49增加至2.73，击穿场强从55.80 kV/mm下降到42.19 k V/mm，这主要是由于热老化破坏了试样的分子结构，促使其改变了结晶区与非晶区占比，产生了羰基、羟基等极性官能团，加快了电缆绝缘材料的性能下降。该工作对于高压电缆绝缘性能评价和异常分析具有指...     

110kV交联电缆绝缘层晶体结构研究

通过X -射线衍射方法研究了110kV交联聚乙烯绝缘电缆绝缘层的结晶结构。发现电缆工艺中的热过程和热历史会造成超高压交联电缆绝缘层各部分结晶形态分布不均,中层聚集态结构均匀性较好,内层外层结晶程度低于中层。热应力改变了晶区中的晶面间距,显示出绝缘径向应力以张力为主     

不同交联工艺交联聚乙烯电缆绝缘微观结构的差异研究

对采用悬链工艺(HCCV)和立塔工艺(VCV)生产的110 kV交联聚乙烯电缆绝缘的微观结构进行表征。结果表明:相比VCV工艺XLPE电缆绝缘,HCCV工艺XLPE电缆绝缘的交联度更高、结晶度更低、球晶的平均尺寸更大、球晶尺寸的分布更加集中。在交联过程中,HCCV工艺XLPE电缆经历了更长的交联时间和更高的交联温度,因此具有更高的交联度。交联键对XLPE绝缘的结晶过程有抑制作用,因此HCCV工艺XLPE电缆绝缘的结晶度更低。在交联完毕后的冷却过程中,HCCV工艺XLPE电缆经历了更缓慢的降温过程,因此形成的球晶较完善、尺寸更大、球晶尺寸也更为集中。     

不同温度下高压直流电缆绝缘击穿场强的厚度效应

保守的绝缘厚度设计增加了电缆的生产成本,同时导致了击穿场强的减小,降低电缆性能。因此,高压直流电缆绝缘击穿场强的厚度效应研究具有工程实际意义。选取高压直流电缆用交联聚乙烯国产直流料作为研究对象,通过对不同厚度试样进行30、50、70℃下的直流击穿实验和空间电荷测试,研究温度对于交联聚乙烯击穿场强厚度效应的影响与机理。研究结果表明:交联聚乙烯的直流击穿场强随温度升高而降低,不同温度下交联聚乙烯的击穿场强与厚度的关系符合反幂定律,指数因子随温度变化,30℃时为0.41,50℃时为0.71,70℃时为0.56;30℃时,交联聚乙烯空间电荷密度和电场畸变与厚度呈正相关,导致击穿场强降低;随着温度升高,空间电荷积累增多,电场畸变增大,在薄试样中这种变化更为明显。实验结果说明,温度作用下的交联聚乙烯击穿场强的厚度效应与聚合物自由体积的变化、内部热量的积聚、空间电荷的二次效应等因素密切相关。     

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。     

硫化工艺对抗水树交联聚乙烯绝缘电力电缆工频击穿性能的影响

为了研究不同硫化工艺对抗水树枝交联聚乙烯绝缘电缆击穿性能的影响,建立了相应的试验手段和评价程序。将使用相同导体屏蔽料、抗水树绝缘料、绝缘屏蔽料,并采用5种不同硫化工艺(A、B、C、D、E)生产的电压等级、型号规格相同且结构相似的电缆作为研究对象,每种电缆取6段作样品,共30段。分别对老化前和老化180d后的5种样品进行工频击穿试验,并观察击穿后样品切片的水树枝、界面微孔、突起和绝缘中的微孔、杂质。试验结果表明:经过180d的加速老化后,5种样品中均无微孔、界面光滑、有少量尺寸较小的杂质,不会导致击穿性能下降;不同硫化工艺生产的电缆工频击穿性能表现出明显差异,其中,A硫化工艺生产的电缆工频击穿强度下降了53.53%,击穿后的样品中观察到了水树枝,B、C硫化工艺生产的电缆工频击穿强度也有不同程度的下降,而D、E硫化工艺生产的电缆的工频击穿强度没有降低,说明硫化工艺对工频击穿强度有直接的影响,并建议实际生产中确定硫化工艺时,各区温度设定应逐渐降低,且初始硫化温度不应过低,生产线速度应适当。     

10kV交联电缆接头施工工艺分析及改进措施

研究了引起绝缘击穿、发生危及电缆安全运行的电缆接头故障.分析了10 kV交联电缆接头制作工艺引起绝缘损坏的原因,结果表明:发生电缆接头故障的主要原因是施工中的杂质、水气及气隙进入电缆接头,使得电缆接头绝缘存在缺陷造成发热、局部放电或击穿,施工工艺是影响电缆接头质量的重要因素.提出了对提高电缆接头质量有参考价值的改进措施.     

高压直流XLPE绝缘材料及电缆关键技术展望

为推动高压直流电缆技术发展,对目前交联聚乙烯高压直流电缆系统发展的关键技术进行了分析和展望,指出了聚乙烯主绝缘材料、电缆工厂接头及附件是制约高压直流电缆发展的主要瓶颈。高压直流电缆绝缘料的研究需要聚焦到交联聚乙烯的微观结构和电气性能之间的关联关系,如何从聚乙烯基料的分子链结构、结晶形态控制等角度出发并结合材料生产过程中的纯净化工艺来实现技术突破是目前面临的主要问题。高压直流电缆本体及工厂接头的电场、老化寿命设计理论要在传统经验设计参数的基础上,同时要基于材料的基本性能、空间电荷以及尺寸和形状效应等进行优化发展。高压直流电缆附件要在附件与电缆本体的匹配技术、关键部件设计及安装工艺方面开展深入研究。该综述可为高压XLPE直流绝缘材料、电缆工厂接头及附件的研制及性能优化提供技术指导。     

机械拉伸对聚丙烯绝缘空间电荷与击穿特性的影响研究

为研究机械拉伸对聚丙烯热塑性电缆绝缘空间电荷与击穿特性的影响,采用等温结晶方法制备具有不同结晶形貌的聚丙烯(polypropylene,PP)绝缘样品,研究不同拉伸率的PP绝缘样品直流电导、空间电荷与击穿特性,并对拉伸前后材料微观结晶形貌进行表征,分析机械拉伸下结晶形貌变化对电气性能的影响机理。结果表明：机械拉伸形变将导致PP绝缘电导率提高、空间电荷积聚量增多,以及直流击穿场强显著降低。相比于等规聚丙烯绝缘,等规聚丙烯/间规聚丙烯共混绝缘具有较高的断裂伸长率,在相同拉伸率情况下空间电荷密度较低,击穿场强提高。通过控制等温结晶时间可调控结晶度和结晶形貌,改善绝缘抗冲击性能,抑制拉伸条件下空间电荷注入,提升绝缘击穿场强。研究表明,机械拉伸应力导致球晶出现形变甚至破坏现象,晶区–非晶区界面形成缺陷,是导致绝缘空间电荷注入加剧、击穿性能显著下降的根本原因。     

500kV海缆工厂接头绝缘恢复过渡区形成过程及电树枝特性

工厂接头是实现大长度海缆线路的关键技术,其中绝缘恢复工艺对工厂接头的绝缘介电性能及安全可靠运行起着重要的决定作用。首先利用流体仿真技术模拟了500kV交联聚乙烯(XLPE)海缆工厂接头绝缘注入形成过程;构建了透明可视化注塑平台系统,对工厂接头的注塑形成过程进行了物理模拟;探讨了海缆工厂接头绝缘恢复过渡区的形成机理;利用偏光显微镜对500 kV海缆工厂接头的过渡区微观形态进行了研究;对500 kV海缆本体绝缘、工厂接头恢复绝缘及过渡区的绝缘样品电树枝起树电压及电树枝生长特征进行了试验研究。研究结果表明:模具内注入的低密度聚乙烯熔体流动方向的垂直面上存在一定的速度梯度分布,是导致500 kV海缆模塑接头过渡区形成的重要原因;透明可视化注塑模拟过程与流体仿真注塑过程基本一致,进而验证了熔体流动仿真结果的可靠性;工厂接头的绝缘恢复过渡区的切片样品表面存在大量不规则应力裂痕;典型过渡区样品电树枝形貌显示出异于正常电树枝的生长特征,长宽比接近0.7,且具有不沿电场方向生长的特征;工厂接头过渡区样品的电树枝起始电压对比本体绝缘样品降低约30.76%。     

320kV国产交联聚乙烯绝缘料高压直流电缆设计

为促进国产交联聚乙烯绝缘料在高压直流电缆绝缘中的应用,根据实验数据推导出国产交联聚乙烯绝缘料的电导率方程,得到了电导率与温度和电场之间的关系;实验测得五种不同厚度薄试样的击穿场强,根据双参数威布尔分布推导出绝缘料的击穿场强与厚度的关系,得出厚度为26 mm下绝缘材料的击穿场强;根据TICW 7.2标准设计出320 kV高压直流电缆的结构,利用Comsol Multiphysics软件仿真得出电缆在不同负荷状态下的电场和温度场分布。仿真结果表明:当导体绝缘内温差大于5.3℃时,绝缘外部场强开始高于内部场强;当导体温度为70℃时,绝缘内部电场最大值为15.1 kV/mm,远低于材料的击穿场强。通过仿真分析,为成功设计320 kV高压直流电缆提供参考。     

电缆用聚乙烯界面微观结构对其击穿场强的影响

为了改善交联聚乙烯电缆的聚乙烯界面微观结构，提高其击穿场强，在电缆的半导电料层中加入特殊添加剂进行化学改性。在试片热压过程中，添加剂成分扩散进人聚乙烯中，减小了聚乙烯晶面间的距离，提高了界面处聚乙烯密度。试验结果表明，加入适量的添加剂后，聚乙烯的１％威布尔击穿场强提高８９％，平均工频击穿场强提高４０％。     

基于模糊聚类法的XLPE高压电缆绝缘老化状态评估

目前已有较多针对高压电缆交联聚乙烯绝缘的试验室加速老化研究,但评价服役电缆绝缘老化状态的相关研究少.为此,对22根110 kV服役电缆的绝缘进行了机械拉伸、交流击穿、热重分析、红外光谱等与绝缘老化密切相关的多个影响因子的检测,并通过线性回归方法分析,选取断裂伸长率、击穿场强、热分解温度、羰基指数和熔融温度5个强相关的影...     

铜催化氧化反应对交联聚乙烯电缆绝缘聚集态结构和性能的影响

对交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘进行加速热氧老化,并在老化过程中揭示了富铜相杂质的存在。通过金相显微镜、扫描电子显微镜、差示扫描量热分析等手段研究了热氧老化过程中富铜相杂质对XLPE聚集态结构的影响,通过工频击穿实验研究了热氧老化过程中富铜相杂质对XLPE电气强度的影响。结果表明:富铜相杂质会引发XLPE球晶结构的加速破坏以及结晶度的加速下降,同时在XLPE绝缘的无定形区中观察到一些起源于富铜相杂质的树枝状裂纹,标志着XLPE绝缘中自由体积的增大。富铜相杂质还会导致XLPE绝缘工频电气强度的加速下降。富铜相杂质对XLPE绝缘聚集态结构和性能的影响主要是由于铜在氧化反应中起到催化剂的作用,导致氧化反应加速,造成XLPE的劣化加剧。氧化诱导期的测量结果表明,铜催化氧化反应只在XLPE中抗氧化剂被完全消耗后才会发生。     

交联聚乙烯电力电缆头的制作工艺

近10年来,由于交联聚乙烯电缆在运行中表现出电气绝缘性能好、抗酸碱、耐腐蚀、允许工作温度高、故障少以及接头制作工艺简单等优点,已迅速取代电气绝缘性能差、制作工艺复杂、故障率高的油浸式电缆,在实践中得到了广泛应用。韶钢自1987年第一次使用交联聚乙烯电缆取代油浸式电缆以来,到目前为止,全公司已有高压交联     

电缆中间接头硅橡胶电树枝生长与形貌特性研究

电缆中间接头硅橡胶(SiR)电树枝的生长已经成为影响交联聚乙烯(XLPE)电缆安全运行的主要因素。本文针对一起电缆中间接头电树枝引发的绝缘击穿故障,模拟研究了SiR绝缘橡胶件的高压屏蔽电极纵向合模缝位置存在气泡对SiR电树枝产生的起始电压及其形貌特征的影响。结果表明:气泡显著降低了SiR电树枝的起始电压,在起始阶段较易产生树枝状和松枝状电树枝,并呈现阶跃式增长。研究成果对降低电缆电树枝生长引发的绝缘击穿事故具有一定的理论与工程价值。     

110 kV MMJ电缆接头故障案例分析

MMJ即电缆模注熔接接头,该技术使用与电缆一样的原材料,现场制作以恢复电缆本体结构,形成了无应力锥、无活动界面的熔融结构电缆接头.对一起110 kV MMJ高压电缆接头击穿故障进行分析,针对MMJ技术在应用过程中暴露出的问题提出了相应的防范措施,可为相关单位提供一定借鉴.     

不同交联温度下交联聚乙烯绝缘中的水树生长特性研究

随着XLPE电缆在中压、高压以及超高压输电领域的不断应用,传统XLPE电缆绝缘的交联工艺迎来诸多挑战,尤其是交联温度对XLPE绝缘性能的影响问题不容忽视。该文研究不同交联温度下交联聚乙烯绝缘中的水树生长特性,并从聚集态结构角度出发对交联聚乙烯中的水树生长机制进行分析。制取不同交联温度的XLPE样本,进行加速水树老化实验、交联度测定实验和差示扫描量热分析实验,结果发现交联聚乙烯中的水树生长特性与交联度、结晶度等聚集态结构密切相关。而通过XRD衍射实验、SEM观测实验的分析发现:随着交联温度的升高,XLPE绝缘聚集态结构呈现先密集、后疏松的排列现象。基于这一发现,提出材料的聚集态结构模型以分析不同交联温度下交联聚乙烯绝缘中的水树生长机制。研究结果表明:交联聚乙烯绝缘的球晶结构趋于密集,则水树形成的尺寸较小;交联聚乙烯绝缘的球晶结构趋于疏松,则水树形成的尺寸较大。     

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆中间接头内电场分布的影响

为改善交联聚乙烯（XLPE）绝缘高压直流电缆中间接头内的电场分布,通过添加纳米填料制备了用于制作电缆接头应力控制体的非线性硅橡胶复合材料。建立了高压直流电缆接头仿真模型,测试了各绝缘材料的电导特性,计算了电缆接头内的电场分布。研究结果表明,70 ℃时在各场强下未改性硅橡胶的电导率都小于高压直流电缆XLPE绝缘,故电缆接头内的最高场强点位于硅橡胶增强绝缘内,且最大场强远大于电缆本体绝缘的平均场强;以非线性硅橡胶做应力控制体增强绝缘时,超过一定场强后增强绝缘的电导率明显大于XLPE绝缘,保证了电缆接头内最高场强点永远位于XLPE绝缘内,且接近于平均场强。