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。     

拉伸状态下聚丙烯/聚烯烃弹性体共混物的空间电荷和陷阱分布特性

聚丙烯(PP)/聚烯烃弹性体(POE)共混物被认为可替代交联聚乙烯应用于高压直流电缆中。电力电缆在制作、安装和运行过程中会受到机械应力作用,为研究其对电缆绝缘性能的影响,采用电声脉冲法(PEA)测试并分析了不同拉伸比下PP/POE共混物的空间电荷分布特性,并采用表面电荷衰减方法分析了不同试样的陷阱能级分布。研究结果表明:机械拉伸能促进PP/POE共混物内空间电荷的迁移和积累,其中拉伸比为1.2时空间电荷积聚最多;当拉伸比从1增加到1.2时,试样中浅陷阱密度增大,深陷阱的密度与深度减小;当拉伸比从1.2增加到1.4,试样中浅陷阱密度减小,深陷阱的密度与深度增大。分析认为,PP/POE共混物内部结构的变化为拉伸影响空间电荷和陷阱分布特性的主要原因。     

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.     

高压退役电缆空间电荷特性

由电缆老化引起的绝缘层空间电荷的积累与消散对于电缆绝缘性能有很大影响。选择2根退役及1根备用110 kV交联聚乙烯电缆,利用电声脉冲法测量了不同位置的空间电荷分布,初步分析了空间电荷特性与电缆老化之间的关系。结果表明:老化后的试样不同位置的正极性电荷和异极性电荷(不包含正极性电荷)均增加;极化阶段平均体电荷密度差异很小,无法判断电缆老化状况;去极化起始阶段,电荷脱陷使得平均体电荷密度跃变,不同电缆样品不同层的初始值差异较大;随着时间增加,电荷消散速度逐渐减小,很好的反应了绝缘层陷阱能级的变化。总的来说,电荷消散过程中平均体电荷密度的变化及陷阱能级差异更能反应电缆老化状况。     

热老化对挤塑绝缘XLPE直流电缆空间电荷特性的影响

对国产200 k V挤塑绝缘交联聚乙烯直流电缆进行切片热老化研究,通过空间电荷测试分析热老化对电缆空间电荷特性的影响。试验结果表明:未热老化试样表面靠近电极区域出现大量异极性空间电荷,导致试样内部电场发生严重畸变。这些异极性空间电荷主要源于电缆制造过程中的交联副产物,因制造过程中脱气不充分而残留在电缆绝缘内部。热老化初期,试样表面区域的异极性空间电荷快速消失,这可能是由于热老化过程中的高温加速了交联副产物的释放,降低了异极性空间电荷量,试样内部的电场畸变得到有效抑制。热老化后,试样表面区域的空间电荷由异极性电荷转变为同极性电荷,且同极性空间电荷量大致随热老化时间的增加而缓慢增加,表明XLPE材料经历了较缓慢的老化过程。     

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.     

热老化对XLPE电缆绝缘空间电荷分布特性的影响研究

对110 k V XLPE电缆绝缘进行100℃和160℃加速热老化实验,通过电声脉冲法(PEA)测量了不同热老化试样的空间电荷分布特性。结果表明:当XLPE试样中有抗氧化剂存在时,氧化反应被抑制,试样中没有出现明显的空间电荷积聚。当抗氧化剂被消耗完毕后,100℃热老化试样内部靠近电极附近出现了明显的异极性电荷积聚,160℃热老化试样内部靠近电极附近出现了大量的同极性电荷积聚,试样中间出现了明显的异极性电荷积聚。热老化试样中的异极性电荷主要来自于热老化产物在电场下电离产生的离子对,而160℃热老化试样内出现的同极性电荷来源于电极的注入。在相同的条件下,未老化试样和100℃热老化试样中并不能观察到明显的同极性电荷的存在,因此,160℃热老化可能会降低XLPE的空间电荷注入阈值场强。     

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。     

10 kV交流XLPE电缆加速热老化后交直流绝缘特性分析

通过对比110℃加速热老化后10 kV交流交联聚乙烯电缆试样交直流绝缘特性的差异,采用不同温度下宽频介电谱、交直流击穿、直流电导率和空间电荷测试,结合有限元仿真,研究了不同热老化时间作用下10 kV交流XLPE电缆绝缘的交、直流电气特性,以及改为直流运行后电缆绝缘的电场分布。结果表明：随着热老化时间的延长,XLPE试样的复介电常数实部先增加后增速减慢,高频区介质损耗逐渐增加;试样的电流密度先减小后增加,空间电荷积累阈值场强则呈相反变化趋势,且试样内的空间电荷积累逐步由异极性转变为同极性。随着测试温度的增加,同一老化时间下XLPE试样的介电常数实部减小,介质损耗增加;试样的电流密度增加,阈值场强减小,试样内部空间电荷积累量有所增加,交直流击穿场强下降。直流电压下,绝缘层在靠近缆芯处电场高,电场差值随绝缘试样活化能的减小而增加。长期热老化后,电缆绝缘层的直流电场分布更均匀,且空间电荷积聚问题得到改善,有利于提升10 kV交流电缆改为直流运行的可靠性。     

型式试验对挤塑绝缘高压直流电缆老化状态的影响研究

通过对国内自行研制的200 k V挤塑绝缘交联聚乙烯电缆的空间电荷、松弛电流和热性能进行测试,分析了型式试验对电缆绝缘的影响。型式试验前后,主绝缘中部切片试样在表面区域均存在明显的异极性空间电荷分布,且电荷积累量变化不大,状态因子、熔融热焓、结晶热焓和交联度变化亦不明显,表明型式试验对电缆中部绝缘的老化程度影响较小。切片脱气处理后,试样表面区域的异极性空间电荷积累和短路时空间电荷平均单位体积密度显著降低,表明空间电荷行为受制造过程中残留的交联副产物影响很大。空间电荷、等温松弛电流和差示扫描量热的测试结果的关联性较好,均能有效反映老化状态的变化,可用于挤塑绝缘直流电缆的绝缘状态评估。     

交流电压下基于空间电荷效应的XLPE电缆绝缘老化研究现状

交联聚乙烯(XLPE)电缆以其优良的机械和电气性能广泛应用于现代电力系统。研究表明,在直流电压作用下绝缘中容易形成空间电荷,导致电场畸变,加速绝缘老化。国内外很少关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的研究。本文综述了交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘老化的影响及其作用机理,并介绍了交流电压下测量空间电荷分布的改进的电声脉冲法。结果表明,交流电压下,空间电荷分布特性影响XLPE电缆绝缘老化。     

柔性直流输电系统用直流交联聚乙烯绝缘电缆导体最高温度提高到90℃的可行性

以实际直流交联聚乙烯(DC XLPE)电缆工程设计示例,表明将柔性直流输电(VSC)系统用DC XLPE电缆的导体的最高运行温度提高到90℃,其技术经济效果显著。按DC XLPE电缆抑制空间电荷要求,阐明DC XLPE电缆绝缘的直流恒定电流电场中空间电荷密度与绝缘温度梯度和XLPE绝缘的体积电阻率的温度系数成正比而与导体最高温度不直接相关。通过合理的DC XLPE电缆工程设计和正确选用DC XLPE电缆,可以在提高DC XLPE电缆传输功率和减小绝缘温差抑制空间电荷方面取得优化结果。320 kV及以下XLPE电缆在导体最高温度90℃下运行,绝缘损耗远低于导体损耗,DC XLPE电缆发生热不稳定的可能性很低。对VSC系统用DC XLPE电缆导体运行温度提高到90℃的可行性表示肯定的意见,对实现目标提出具体的措施建议。     

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。     

From LDPE to XLPE: investigating the change of electrical properties. Part I. space charge, conduction and lifetime

This paper discusses the results of space charge, conduction current and electrical lifetime measurements performed on widely-used materials for electrical insulation, that is, low density polyethylene (LDPE) and cross-linked polyethylene (XLPE). Space charge accumulation profiles were compared in LDPE, low density polyethylene plus antioxidant (LDPE+AO) and XLPE, with consideration of thermal treatment effects in LDPE and XLPE. Significant variation (decrease) of accumulated space charge and apparent mobility, as well as slight decrease of conduction current, can be seen going from LDPE to LDPE+AO and XLPE, which may be associated with formation of deeper trap levels (or an increase of their density). On the contrary, electrical life under AC voltage does not show significant differences from LDPE to XLPE. This latter result underlines that life under high AC electrical stress is mostly determined by defects (weak points) rather than material characteristics associated with charge injection and transport.     

Space charge in XLPE power cable under dc electrical stress andheat treatment

It is well known that the existence and accumulation of space charge in insulation can be harmful to polymer power cable. Although there is much research done on space charge distribution in various samples, there are still some important problems left unsolved, such as the mechanism of formation and elimination of space charge in dielectrics. Because of its superiority, the pulsed electro-acoustic (PEA) measurement method is used widely in the measurement of space charge in various geometries of samples such as the multiple layer plate and cylindrical cables. The space charge in crosslinked polyethylene (XLPE) power cable under dc voltage and heat treatment is investigated by the PEA method in this paper. After heat treatment, the space charge, which previously formed in cable insulation under the applied voltage, disappears. If electrical stress is applied to the insulation again, space charge will appear once more. However, after the cable is heated and degassed in vacuum for a long time, no matter how long the dc voltage is applied to the cable, no more space charge will be formed in the cable. The mechanism of formation and elimination of space charge under the effect of electrical and thermal stress is discussed     

脱气处理对XLPE及MAH/XLPE复合介质直流电场下空间电荷分布的影响

为了研究脱气处理对XLPE及其复合介质中空间电荷的影响,采用螯合荆与线性低密度聚乙烯接枝马来酸酐(MAH)作为填料,与XLPE共混制成掺杂浓度为0.5wt%的MAH/XLPE复合介质,并用电声脉冲法(PEA)测量了XLPE及MAH/XLPE复合介质在不同脱气时间下的空间电荷分布.通过实验发现,增加脱气处理的时间可以减少...     

交联聚乙烯热老化与绝缘性能的关联关系

为研究交联聚乙烯（cross-linked polyethylene,XLPE）绝缘材料的热分解活化能、电气特性和力学特性随热老化程度变化的规律,对交流电力电缆绝缘用XLPE材料在110 ℃下开展加速热老化实验。采用热失重（thermogravimtric analyzer, TGA）测试手段,对XLPE在20~600 ℃的热分解行为进行研究;采用交流击穿测试、宽频介电谱测试及体积电阻率测试,研究老化后XLPE试样的电气特性;采用拉伸实验测试,研究老化后XLPE试样的力学特性。结果表明：热老化使得XLPE的交联结构和结晶状态被破坏,XLPE活化能呈减小趋势。由于氧化反应快速进行,使得XLPE分子链发生断裂,交联结构变弱,导致XLPE绝缘材料严重劣化,其活化能、击穿强度、体积电阻率、弹性模量和断裂伸长率随老化时间增长呈下降趋势,而介电常数、介电损耗和电导率呈增加趋势。     

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。     

交联聚乙烯热老化与绝缘性能的关联关系

为研究交联聚乙烯（cross-linked polyethylene,XLPE）绝缘材料的热分解活化能、电气特性和力学特性随热老化程度变化的规律,对交流电力电缆绝缘用XLPE材料在110 ℃下开展加速热老化实验。采用热失重（thermogravimtric analyzer, TGA）测试手段,对XLPE在20~600 ℃的热分解行为进行研究;采用交流击穿测试、宽频介电谱测试及体积电阻率测试,研究老化后XLPE试样的电气特性;采用拉伸实验测试,研究老化后XLPE试样的力学特性。结果表明：热老化使得XLPE的交联结构和结晶状态被破坏,XLPE活化能呈减小趋势。由于氧化反应快速进行,使得XLPE分子链发生断裂,交联结构变弱,导致XLPE绝缘材料严重劣化,其活化能、击穿强度、体积电阻率、弹性模量和断裂伸长率随老化时间增长呈下降趋势,而介电常数、介电损耗和电导率呈增加趋势。     

A space-charge based method for the estimation of apparent mobility and trap depth as markers for insulation degradation-theoretical basis and experimental validation

Assuming that aging of polymeric insulation consists of irreversible chemical-physical and microstructural modifications, effective ageing markers could be achieved from measurements of properties, which should vary with material microstructure. Among these properties this paper focuses on the estimation of apparent trap-controlled mobility and trap distribution, based on the results of space charge measurements. The depolarization characteristic obtained recording space charge magnitude when, after poling, electric field is removed and electrodes are short-circuited and grounded, is the experimental reference for the application of the expressions for apparent trap-controlled mobility and trap depth calculation derived in this paper. A simple relationship is proposed for apparent mobility, which is affected by significant approximations, but can be applied successfully for material characterization and aging investigation. It is applied to experimental results coming from space charge measurements carried out by the pulsed electroacoustic (PEA) technique on cross-linked polyethylene (XLPE) specimens, unaged and aged, cut from high-voltage cables. The trap depth distribution is calculated for the same material, and the results are cross-correlated with mobility estimates, revealing good agreement. Both apparent trap-controlled mobility and trap depth distribution reveal noticeable modifications with aging. The proposed methodology permits finding information on charge trapping/detrapping processes in polymeric materials, using a simple experimental procedure, as well as to extract quantities that seem very attractive as aging markers.