冷热两种扎孔方式下交联聚乙烯电缆中的水树生长特征

为了进一步认识机械应力对交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树生长的影响,研究了XLPE薄片试样在不同温度下受机械应力作用时的水树生长特征。对XLPE试样采用冷扎孔和热扎孔两种方式制造针孔缺陷,并对试样进行加速水树老化实验。利用偏光显微镜观测未老化试样针孔周围XLPE材料的形态,并通过显微镜观测老化试样中的水树形态。结果表明:热扎孔试样中存在明显倾斜的应力纹,且热扎孔老化试样中存在和应力纹形态相似的倾斜生长的水树枝。基于高聚物在不同温度下的力学响应特性,温度升高时XLPE材料的屈服强度降低,在较小的机械应力作用下发生取向,进而导致倾斜的水树枝出现。     

由异常水树形态洞察力学取向对水树生长的影响

为了进一步理解机械应力对交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树生长的影响,研究了机械应力和XLPE样本中水树形态之间的关系,并提出了XLPE材料的力学取向对水树生长的作用机制。以热钢针在两组XLPE样本中扎孔的方式模拟电缆绝缘受到的机械应力作用,并仅对其中一组样本进行加速水树老化实验,另一组样本仅利用偏光显微镜观察针孔缺陷周围的应力纹形态(XLPE材料取向的宏观形态)。在水树老化样本中发现了异常水树形态,而此异常水树形态和未进行水树老化的样本中观察到的应力纹形态极其相似。以高分子力学取向理论为基础,并结合电场仿真模型,分析了XLPE材料的力学取向和水树形态的内在联系。研究表明,XLPE材料的力学取向在很大程度上决定了水树的生长方向。由于XLPE材料取向后出现各向异性,在取向方向上水树生长将得到促进,而在与取向方向垂直的方向上水树生长将受到抑制,从而导致异常水树形态的出现。     

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。     

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。     

以分子取向理论理解交联聚乙烯中水树在不同温度下的生长特性

为了理解交联聚乙烯(XLPE)在不同温度下的水树生长特性,研究了不同温度下XLPE材料的水树生长行为并尝试进行了新的理论解释。使用XLPE薄片作为实验样本,分别进行了0℃、20℃、40℃和60℃温度下的水树加速老化实验。通过显微镜观察了水树形态,统计了不同温度下水树的尺寸,并以有限元电场仿真分析、分子动力学和高分子取向理论为基础,给出了高温和低温下水树不同生长特性的一种可能的解释。经过研究发现:从0℃温度开始,水树的生长速率随温度的升高而先减小后增大,其转折温度约为40℃;XLPE分子的热运动和取向行为可能共同影响不同温度下水树的生长特性,高温下水树的生长速率主要由分子热运动决定,低温下水树的生长速率主要由高分子链的取向行为决定。     

聚合物形态变化与水树生长的关联性研究

为研究聚合物聚集态变化与水树生长特性之间的关系,对不同温度下交联聚乙烯(XLPE)材料内的水树生长特性进行对比分析。采用水针电极老化法,分别在-15、0、20、40、60、80℃下对XLPE薄片进行加速水树老化,利用显微镜观察水树形态,并对水树尺寸进行了测量统计。同时利用动态力学分析(DMA)对XLPE分子链在不同温度下的松弛行为进行了测试分析。显微镜观测结果表明:低温下水树枝干清晰,沿着电场线方向排列。随着温度的升高,水树枝干逐渐变粗变密,并且在0℃和60℃下水树整体尺寸最大。DMA结果表明:XLPE新样本的玻璃化温度为-5℃左右,α松弛峰值温度为60℃左右,材料的这两个特征转变温度与最大水树尺寸对应的温度一致。在不同温度下,聚合物分子链的运动单元不同,由于在材料聚集态转变温度处发生了运动单元的突变,从而使得水树生长速率加快。     

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。     

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。     

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。     

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。     

XLPE粘弹性与水树自恢复后微观形貌变化的关联

为研究交联聚乙烯(XLPE)绝缘内部水树自恢复后的微观形貌变化与其粘弹性对水树自恢复的影响机制,室温下(20℃)对2组XLPE样本分别施加有效电压老化时间均为21天的持续性老化与周期性老化。实验结果发现:相较于持续性老化样本,周期性老化样本中水树产生了自恢复现象,其水树样本尺寸较短,而扫描电镜(SEM)观察到其水树区域的微孔却尺寸相对较大,分布也较为密集。通过动态热机械分析(DMA)测试和电场仿真,表明交变电场下XLPE内部弹性能量的不断累积与形变的逐渐增大,直至超过其弹性极限时将导致水树生长。周期性电压老化下的水树样本在撤去电压后,水分逐渐渗出水树区域,储存在水树通道和微孔内部的弹性能量逐渐消失,从而导致其水树尺寸明显小于持续电压老化下的水树样本。此外,老化过程中,水分多次重复进出已有的水树区域,对周围的XLPE基体造成机械疲劳损伤,是导致周期性老化样本水树区域微孔尺寸较大,分布密集的原因。     

水树生长中XLPE晶区破坏现象及其对水树生长速率的影响

为了进一步探索水树生长中滞长现象(水树生长速率显著下降)出现的原因,作者研究了水树生长早期的晶区结构变化,揭示了材料晶区破坏对水树生长速率的影响.采用加速水树老化平台对A、B、C3组交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)薄片样本分别进行10、20、30 d的水树老化,老化结束后用光学显微镜观测样本中的水树形态,用化学侵蚀法腐蚀样本并用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观测水树区域晶区形貌,用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)法检测水树区域晶区结构变化.显微观测结果表明,水树老化20 d以前水树生长速率较高,达到了0.46 μm/h,而老化30d后水树生长速率显著下降至0.17 μm/h,水树生长出现滞长现象.SEM观测结果表明,老化20 d以前,样本中晶区出现位错缺陷.老化30 d后晶体中萌生裂缝及位错蚀坑.XRD检测结果表明,水树老化过程中XLPE(110)及(200)晶体衍射峰峰形产生锯齿状畸变,并且随着老化时间增长,(110)及(200)衍射峰半峰宽宽化程度增加.分析认为,XLPE晶区破坏是水树生长速率变化的重要原因.老化20 d前晶区中尚未萌生微裂纹,限制了水树密度增加,导致水树密度较低而水树尖端电场较高,水树生长速率较高.老化20 d以后,晶体中的裂缝和位错凹坑连接起来形成大量新水树枝,导致水树密度显著增加,水树尖端电场显著降低,水树生长速率显著下降.     

水树生长中XLPE晶区破坏现象及其对水树生长速率的影响

为了进一步探索水树生长中滞长现象(水树生长速率显著下降)出现的原因,作者研究了水树生长早期的晶区结构变化,揭示了材料晶区破坏对水树生长速率的影响.采用加速水树老化平台对A、B、C3组交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)薄片样本分别进行10、20、30 d的水树老化,老化结束后用光学显微镜观测样本中的水树形态,用化学侵蚀法腐蚀样本并用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观测水树区域晶区形貌,用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)法检测水树区域晶区结构变化.显微观测结果表明,水树老化20 d以前水树生长速率较高,达到了0.46 μm/h,而老化30d后水树生长速率显著下降至0.17 μm/h,水树生长出现滞长现象.SEM观测结果表明,老化20 d以前,样本中晶区出现位错缺陷.老化30 d后晶体中萌生裂缝及位错蚀坑.XRD检测结果表明,水树老化过程中XLPE(110)及(200)晶体衍射峰峰形产生锯齿状畸变,并且随着老化时间增长,(110)及(200)衍射峰半峰宽宽化程度增加.分析认为,XLPE晶区破坏是水树生长速率变化的重要原因.老化20 d前晶区中尚未萌生微裂纹,限制了水树密度增加,导致水树密度较低而水树尖端电场较高,水树生长速率较高.老化20 d以后,晶体中的裂缝和位错凹坑连接起来形成大量新水树枝,导致水树密度显著增加,水树尖端电场显著降低,水树生长速率显著下降.     

交联聚乙烯水树老化电缆电气性能与水树区域含水量的关系

为了深入了解交联聚乙烯(XLPE)水树电缆电气性能的变化特征,利用极化-去极化电流法测量老化电缆样本不同老化时期的直流电导率和0.1 Hz介损,并使用显微镜和红外光谱仪观测老化电缆样本水树区域含水量,研究不同水树老化时期的电缆电气性能和水树生长之间的关系。研究表明,老化电缆的电气性能和水树长度不呈正相关关系,而和水树区域含水量具有密切关系。     

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。     

有机硅水树修复对交联聚乙烯电缆绝缘理化性能的影响

为了研究电缆水树修复技术的长期作用效果,采用水针电极老化法获得水树老化交联聚乙烯(XLPE)电缆样本,对其中一组样本进行注入式修复,另一组不做处理,然后对两组样本同时进行电热老化实验,对比分析两组样本的微观结构和理化性能变化。显微镜观测结果表明,电热老化相同时间后,修复样本水树区域有修复生成的填充物存在。差示扫描量热(DSC)结果表明,电热老化使得XLPE熔程变窄,结晶度变小,电热老化相同时间后,修复样本的熔程和结晶度均大于未修复样本,并且修复样本的结晶速率大于未修复样本。分析认为修复液与水分子反应的生成物有效填充修复了水树空洞,并进一步限制了水分子的扩散迁移,一定程度上减缓了老化对材料的破坏。     

热老化对交联聚乙烯电缆绝缘中水树的影响研究

热老化过程不但会影响交联聚乙烯电缆绝缘的电磁学和物理化学性能,还对绝缘内水树的产生与生长有着一定的影响。通过研究热老化过程对XLPE电缆绝缘中的水树现象的影响,以及在几个有可能的影响因素当中,哪个因素对水树现象的影响最大。实验结果表明,在与XLPE电缆绝缘的热老化有关的各种因素对水树现象的影响中,热氧化对XLPE电缆绝缘表层水树的产生和生长的影响最大。尽管热氧化所引起的缺陷有可能就是XLPE电缆绝缘中水树生长过程中的起始点,但是它在一定程度上抑制着水树的成长,甚至有着"水树延迟效果"的美称。     

抗氧化剂对水树老化XLPE电缆绝缘修复效果的影响研究

为研究抗氧化剂对交联聚乙烯(XLPE)水树老化电缆绝缘修复效果的影响,采用两种不同配方的修复液对水树老化电缆进行修复后,再次进行30天水树老化,分析老化后电缆的微观结构及电气性能变化情况。结果表明:相比未修复水树样本,修复样本水树长度明显减小,且添加了抗氧化剂的修复样本水树长度最小;修复后电缆样本的击穿电压明显提高,且含抗氧化剂修复电缆样本的击穿电压最高。这是因为抗氧化剂能够有效抑制水树生长中的分子链断裂氧化过程,从而抑制水树的进一步生长。     

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。