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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

从离子本性角度分析不同酸碱环境下XLPE电缆水树生长特性

为了研究不同酸碱环境对XLPE电缆水树生长的影响,将XLPE电缆置于不同pH(pH=1、p H=5、pH=7、pH=9、pH=13)环境下进行水树老化实验。老化结束后,利用光学显微镜观察对比不同pH值老化环境下水树微观形态,并分别统计水树长度。实验结果表明:酸性环境和碱性环境均有利于水树的生长。就水树枝平均长度(L_(av))而言,L_(av)(pH=1)L_(av)(pH=13)L_(av)(pH=5)L_(av)(pH=9)L_(av)(pH=7);中性环境(pH=7)下水树区染色深,分枝状明显;酸性环境(pH=1、pH=5)和碱性环境(pH=9、p H=13)下,水树区染色较浅,分枝状不明显。从离子本性角度对以上实验结果提出一种可能的解释:离子对水树老化过程起着重要作用,水溶液中的H~+和OH~-具有特殊的迁移方式,其离子淌度比一般离子要大很多,对材料化学键和分子链的破坏作用更强,引起的水树老化现象更严重;Na~+和Cl~-的离子半径更大,XLPE分子链断裂后形成的裂纹和孔洞更大,导致水树区域染色更深。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于介电和理化特性的XLPE水树老化程度分析

为掌握电缆水树老化程度对电缆主绝缘介电特性的影响规律,对交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)开展加速水树老化试验,以低密度聚乙烯为对照组,测量不同老化程度试样的介电常数(ε)、介质损耗因数(tanδ)、结晶度以及熔点等特征参量,并利用显微技术观测XLPE水树的生长特性。结果表明:XLPE材料的ε和低频下tanδ随水树老化程度加深而呈现增大的趋势。水树在发展过程中呈现放射状,且密集度不断增加。建立XLPE材料的tanδ宏观参量与微观水树老化发展的对应关系,可通过低频下电缆主绝缘材料XLPE的tanδ值评估电缆水树老化的严重程度。     

基于硅氧烷的XLPE电缆水树修复方法研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘电力电缆在经过长时间运行后会发生水树老化,降低电缆绝缘强度,威胁电力系统的安全稳定运行。笔者设计了一套XLPE电缆绝缘水树修复装置,利用硅氧烷修复液对电缆试样进行了修复工作,详细介绍了修复过程并深入分析了修复机理。然后仿真对比了修复前后不同类型水树区域的电场变化,测试了修复后电缆介质损耗角正切与绝缘电阻的变化趋势,接着对电缆进行了加速水树老化实验,利用光学显微镜观察老化后XLPE绝缘中的水树生长情况。研究表明:修复液与水能快速反应产生聚合物填充水树孔隙,逐步提升电缆整体绝缘性能;生成物的介电性能与XLPE接近,能显著改善水树区域特别是尖端的电场,抑制水树的进一步生长,有效延长电缆使用寿命。     

基于硅氧烷的XLPE电缆水树修复方法研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘电力电缆在经过长时间运行后会发生水树老化,降低电缆绝缘强度,威胁电力系统的安全稳定运行。笔者设计了一套XLPE电缆绝缘水树修复装置,利用硅氧烷修复液对电缆试样进行了修复工作,详细介绍了修复过程并深入分析了修复机理。然后仿真对比了修复前后不同类型水树区域的电场变化,测试了修复后电缆介质损耗角正切与绝缘电阻的变化趋势,接着对电缆进行了加速水树老化实验,利用光学显微镜观察老化后XLPE绝缘中的水树生长情况。研究表明:修复液与水能快速反应产生聚合物填充水树孔隙,逐步提升电缆整体绝缘性能;生成物的介电性能与XLPE接近,能显著改善水树区域特别是尖端的电场,抑制水树的进一步生长,有效延长电缆使用寿命。     

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。