高温下交联聚乙烯电缆绝缘中电树枝测试系统设计

设计了高温下交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中电树枝化的实验系统,在外施工频电压有效值为13 kV下,对不同温度下高压XLPE电缆绝缘中电树枝生长及其局部放电特性进行研究,结果表明,温度对电树枝的生长具有重要影响,整个系统可以用于高温下电树枝生长过程的实时观测与局部放电连续测量,为研究高温下XLPE电缆绝缘中电树枝引发与生长机理及其局部放电特性分析提供了实验研究平台。     

低频电压下XLPE电树枝生长及局部放电特性

低频电缆作为柔性低频交流输电系统中的关键设备,其绝缘介质在低频电压下的特性对电缆的设计和运行具有重要意义。为了研究低频电压下交联聚乙烯（XLPE）电树枝的生长及局部放电特性,设计并搭建了不同频率下电树枝生长实时观测和局部放电同步测量系统,探究了XLPE试样分别在20、30、40、50 Hz频率下电树枝的引发、生长及局部放电特性。结果表明：电压频率对XLPE电树枝生长及局部放电特性的影响有明显规律性。在20～50 Hz范围内,随着频率的降低,XLPE的起树电压略有升高,但电树枝生长速度加快,损伤面积增加,局部放电量和放电次数增大,放电相位分布基本不变。     

高温下交联聚乙烯电缆绝缘中树枝测试系统设计

设计了高温下交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中电树枝化的实验系统,在外施工频电压有效值为13 kV下,对不同温度下高压XLPE电缆绝缘中电树枝生长及其局部放电特性进行研究,结果表明,温度对电树枝的生长具有重要影响,整个系统可以用于高温下电树枝生长过程的实时观测与局部放电连续测量,为研究高温下XLPE电缆绝缘中电树枝引发与...     

高温下110kV交联聚乙烯电缆电树枝生长及局部放电特性

利用实时显微数字摄像与局部放电连续测量系统,采用典型针-板电极结构,研究了高温下不同外施工频电压作用时110kV级交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中典型电树枝的形态特征、引发、生长规律及其局部放电特性。实验结果表明,温度对XLPE电缆绝缘中典型电树枝的形态、引发与生长时间具有非常重要的影响。在高温下,不同外施工频电压作用时电树枝的形态呈现出多样性的特点,50°C下典型电树枝形态为枝状、枝-松枝状和丛状,70°C下为枝状,90°C下为滞长型和枝状。高温下电树枝引发时间随外施电压升高而减小,而且在同一外施电压下,电树枝引发时间随温度升高而减小,这是由于在高温下XLPE电缆绝缘中片晶熔化,无定形相增加,介质中自由体积扩大,从而更有利于电树枝引发。研究发现在低电压(9kV)下,电树枝生长过程中由于通道电导率增加而抑制了通道内局部放电的发展,局部放电作用减小,电树枝生长速度减慢,分形维数较高;而11kV以上电压作用时,电树枝在局部放电的连续作用下呈枝状向对面电极快速生长,同时高温下XLPE弹性模量下降,击穿场强降低,局部放电作用加剧,电树枝生长明显加速,电树枝分形维数较低。     

温度和电场对XLPE与纳米MgO/XLPE电树枝生长过程中局部放电特性的影响

以交联聚乙烯(crosslinkedpolyethylene,XLPE)和纳米Mg O颗粒添加质量分数为0.5%的交联聚乙烯(MgO/XLPE)为研究对象,研究温度和电场对这2种材料在工频电场下电树枝生长和局部放电特性的影响。此外,该文给出一种基于色度图的局部放电信号提取方法,可以有效反映整个电树枝生长过程中放电相位与幅值的时间分布特性。研究结果表明:当温度升高时,XLPE材料中的电树枝形态由较小的枝状发展为丛状,进而发展为较大的稀疏丛状;同时,因高温下材料聚集态改变,这可能会造成电场畸变,使得高温下局部放电强度增强。当电压增大时,XLPE材料中的电树枝形态由丛状发展为较大的枝–松状,且局部放电强度增加,这与针尖电场以及树枝端部电场的增大有关。此外,纳米Mg O掺杂削弱了高温下的局部放电强度,但由于Mg O/XLPE纳米复合材料在高温下的电气绝缘强度低于XLPE,这促进了高温下Mg O/XLPE材料中电树枝的生长。因此,尽管纳米MgO掺杂削弱了高温下的局部放电,但其对交流电树枝的生长没有明显的抑制作用。     

硅橡胶电树枝的引发与生长过程

交联聚乙烯电力电缆的应用日渐广泛,但电缆附件的电树枝击穿故障时有发生,电缆附件材料硅橡胶的电树枝引发和生长过程尚缺乏深入研究。为此,通过材料的测试分析与计算等手段,定量描述了硅橡胶材料微观结构,测试、分析了电树枝引发期的电树枝通道特征和局部放电特性。研究结果表明:硅橡胶中同时存在主链上的化学交联以及通过氢键吸附形成的物理交联;在交流场强下物理交联破坏使得材料中的微裂纹逐渐扩大,最终导致电树枝引发;硅橡胶电树枝通道呈现良好的绝缘特性,电树枝生长主要依靠局部放电下气体受热膨胀或电磁力产生的撕裂作用;增强机械性能尤其是撕裂特性可以提高材料的抗电树枝老化性能。研究硅橡胶材料的电树枝引发和生长过程为其在电缆附件中的合理使用提供了理论依据。     

低密度聚乙烯–蒙脱土纳米复合材料的电树枝生长特性

绝缘材料的电树枝生长特性分析是评估其绝缘性能的重要方法之一。采用熔融插层复合法制备了一种低密度聚乙烯–蒙脱土纳米复合材料,设计制作了纳米复合材料的电树枝生长试样及实验系统,在实验中观测了恒定电压下试样中电树枝生长过程及电树枝形态,测量了试样中电树枝的生长速度与扩散系数,分析了电树枝的局部放电统计特性。通过分析低密度聚乙烯–蒙脱土纳米复合材料的结晶行为,说明了纳米蒙脱土对该纳米复合材料中电树枝的抑制机制。实验与分析结果表明:纳米蒙脱土粒子有效提高了低密度聚乙烯的结晶度并减小了晶粒尺寸。同时,纳米蒙脱土粒子有利于降低纳米复合材料电树枝局部放电量与放电重复率,延缓了电树枝的引发与生长。     

不同温度下局部气压对XLPE电缆电树枝生长及局放特性的影响

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆绝缘热老化产生的气体可能会在电树枝发生处产生局部高气压,为了研究不同运行状况下局部气压对XLPE电缆电树枝引发和生长特性的影响,以XLPE电缆制作绝缘层切块为试验样品搭建了试验系统,研究了不同温度下局部气压作用在电树枝通道时的局部放电特性和电树枝的生长规律。结果表明:XLPE处于玻璃态时,局部气压对电树枝的引发无明显作用,在生长过程中通道内流注的发展因高气压受阻,树枝发展被抑制;XLPE处于高弹态时,气隙放电的产生导致电树枝引发时间大大缩短。在生长发展期,高温造成XLPE结构上的缺陷促进了高气压下局放的发展。试验发现:高温高气压下电树枝很容易贯穿电缆绝缘,严重威胁XLPE电缆的安全稳定运行。     

电压稳定剂提高PE/XLPE绝缘耐电性能研究综述

随着聚合物绝缘电力电缆电压等级的逐步提升,人们对聚合物绝缘材料的耐电性能提出更为严苛的要求。添加电压稳定剂是提高聚乙烯(PE)和交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料耐电性能的重要方法之一,该方法具有丰富的使用经验和较好的价格优势,且新技术的不断涌现为电压稳定剂的研究提供了更多可能性。该文结合电树枝引发机制的相关研究成果,将电压稳定剂归纳为耐受局部放电及缓和强电场的电压稳定剂、俘获高能电子的电压稳定剂和电树枝引发陷阱理论相关电压稳定剂三大类,并分类阐述了其发展历程和作用机制。最后总结了电压稳定剂的研究难点和研究方向,提出电压稳定剂的大分子化、用理论化学计算方法研究电压稳定剂的作用机制以及电压稳定剂和纳米颗粒相结合是近期国内外主要的研究方向,而探究电压稳定剂在直流电缆绝缘中的应用可行性是目前亟待解决的实际问题。     

冲击电压作用下溶胀效应对硅橡胶电树枝特性的影响

本文研究了单极性冲击电压（250/2 500μs）作用下高压电缆附件与电缆本体界面处涂覆硅脂引发的硅橡胶（SiR）溶胀效应对其电树枝特性的影响，并分别采用等温表面电位衰减与平衡溶胀法表征了溶胀效应对SiR陷阱特性与交联结构的影响。结果表明：随着溶胀时间的增加，SiR电树枝起始概率与分形维数均增大，溶胀340 h后，正、负极性冲击电压下50%概率起树电压分别由约37 kV和约-41 kV降至32 kV和约-39 kV。此外，冲击电压下SiR电树枝存在极性效应，相比于负极性，正极性冲击电压下电树枝更容易进行引发和生长。随着溶胀时间的增加，SiR中空穴型与电子型陷阱均表现为浅陷阱密度增大，深陷阱密度降低，物理交联密度减小。SiR物理交联结构的破坏导致其自由体积增大，碰撞电离过程加剧，同时深陷阱密度降低使得电荷输运过程增强，多个物理过程加剧了分子链段的断裂程度，进而导致SiR的耐电树枝特性降低。冲击电压下SiR电树枝的极性效应是由于空穴型与电子型陷阱的分布差异导致的。     

低温环境下交联聚乙烯电树枝生长特性

近年来聚合物中电树枝生长机理已成为研究热点,但低温环境脉冲电压作用下的电树枝生长特性研究还未得到充分重视。为此,重点研究了交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料在室温和低温条件下的电树枝生长特点。该实验分别在30、-30、-90、-196℃温度下进行,采用针-板电极对试样施加正极性脉冲电压,其幅值为12 k V,频率为300 Hz。研究结果表明:随着温度的变化,电树枝的形状也发生了变化,30℃温度下为丛林状电树枝,-30℃温度下为树枝状电树枝,-90℃温度下为树枝-藤枝状和停滞型电树枝,-196℃温度下为树枝状电树枝;同时,随着温度的降低,电树枝的生长速率显著降低。     

PP电树枝起始电压测试方法及电压稳定剂作用效果研究

针对透明度较低的共聚聚丙烯（PP）材料,设计制作了基于高频电流传感器（HFCT）的电树枝起始电压测试系统,通过实验确定该测试系统能检测到最小为5 pC的局部放电信号,测试灵敏度较高,并通过局部放电信号的辨识试验发现电树枝引发时的放电主频谱在12.9 MHz左右,与测试系统中其他可能会产生影响的局部放电频谱均不同,可以证明测得的具有特定频谱特征的局部放电信号是由试样电树枝引发导致的。利用透明XLPE试样进行了试验验证,发现该测试系统与电树枝显微观测系统测得的电树枝起始电压几乎相同,证明了该基于HFCT的电树枝起始电压测试系统的可靠性。然后分别探究了AOHBP、RBBT、RQCT 3种芳香酮电压稳定剂对共聚PP绝缘材料交流电树枝起始电压的影响。结果表明：3种电压稳定剂在适当添加量下均能提高PP电树枝引发过程的局部放电起始电压与熄灭电压,最优组分分别为PP+0.6份AOHBP、PP+0.4份RBBT、PP+0.6份RQCT,其中PP+0.6份AOHBP抑制电树枝引发的效果最好,使得电树枝起始电压提高了33.0%。     

交联聚乙烯中水树枝向电树枝的转化

水树枝老化是运行在潮湿环境下的聚烯烃电力电缆发生绝缘击穿的主要诱因,水树枝在一定情况下可能引发电树枝,进而导致绝缘击穿。该文主要研究水分和水树枝劣化对交联聚乙烯(cross-linked Polyethylene,XLPE)中电树枝引发生长的影响。选用过氧化物交联聚乙烯作为实验材料,用水针电极、高频加速老化的方法培养水树枝,采用计算机实时显微数字摄像系统观测电树枝的引发和发展。分别研究了湿润水树枝和干燥水树枝在不同电极类型(水针电极、钢针电极)、不同电压下(15、20 kV)向电树枝的转化规律。实验研究发现：就电树枝的平均引发时间而言,未劣化试样最短,湿润水树枝试样最长,干燥水树枝试样介于二者之间;就电树枝引发率而言,干燥水树枝试样最高,湿润水树枝试样最低,未劣化试样介于二者之间;采用水针电极时,3种试样引发的电树枝均为枝状。结合对比3种试样中电树枝的形态,研究了湿润水树枝和干燥水树枝中电树枝的引发和生长机制。     

脱气时间对XLPE电树引发和生长特性的影响

为了探究脱气处理对XLPE绝缘性能的影响,研究了不同脱气时间对XLPE交流电树枝引发和生长特性的影响。首先,采用热压法制备厚度为5 mm的XLPE薄片样本,在70℃的真空干燥箱中分别脱气0、1、2、3、4和5 d。然后,对6组试样分别进行交流电树枝引发和生长实验以及介电性能测试。最后通过气相色谱–质谱测试,定量表征不同脱气时间的XLPE中交联副产物种类和含量的变化,以进一步分析它们对XLPE电树引发和生长特性的影响。结果表明：在所设置的实验条件下,脱气2 d试样的电树抑制性能最好。脱气过程中,XLPE内部气孔和副产物的含量共同影响材料的电树引发和生长特性;材料内气孔越多,气孔内易产生局部放电从而引发电树;而副产物中的苯乙酮作为电压稳定剂则会抑制电树引发与生长。因此,气孔和副产物含量随脱气时间的动态变化导致脱气2 d的XLPE试样电树引发电压最高,电树生长平均长度和宽度最小。     

交联聚乙烯中丛状电树枝的生长机制

为了研究交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)中丛状电树枝的生长机理,采用XLPE薄片试样进行电树枝老化实验,通过实时显微观测系统完整记录了在工频高压下电树枝从引发到击穿的全过程,利用扫描电镜观察丛状电树枝的微观结构,并对电树枝通道进行能谱分析。通过构建丛状电树枝不同阶段的有限元电场仿真模型,进一步分析丛状电树枝生长特性与微观结构的关系。研究表明:电树枝引发初期,气体的迅速膨胀促使非导电型电树枝沿无定形区快速生长;碳颗粒周围产生的局部放电和电-机械应力导致电树枝进一步分叉和生长,碳颗粒的不断聚集使非导电型电树枝逐渐转化为导电型电树枝;丛状电树枝团端部场强相对较小以及电树枝内部局部放电减少,是丛状电树枝滞长的主要原因;电树枝团端部由于电-机械应力作用可能形成新的微孔或裂纹,易形成新的电树枝,最终导致绝缘击穿。     

国内文摘与专利

正不同温度下局部气压对XLPE电缆电树枝生长及局放特性的影响/周利军;仇祺沛;成睿;等/中国电机工程学报,2016(18)交联聚乙烯电缆绝缘热老化产生的气体可能会在电树枝发生处产生局部高气压,为了研究不同运行状况下局部气压对XLPE电缆电树枝引发和生长特性的影响,以XLPE电缆制作绝缘层切块为试验样品搭建了试验系统,研究了不同温度下局部气压作用在电树枝通道时的局部放电特性和电树枝的生长规律。结果表明:XLPE处于玻璃态时,局部气     

高温高气压下XLPE电缆电树枝生长规律及局放特性

交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料电热老化产生的气体会在电缆绝缘层产生局部高气压,为了研究不同温度下气压对电缆电树枝发展特性的影响,以XLPE短电缆为样品搭建试验系统,研究了不同温度下气压作用在绝缘层内壁时电缆电树枝的生长规律及其局部放电特性。分析实验结果可知:低温下XLPE处于玻璃态,局放初期材料保持了良好的机械性能,气压的升高对局放引发和生长初期无影响。局放后期,剧增的局部放电使插针区域软化,在气压作用下产生形变,电树枝沿应力集中区迅猛发展;高温下XLPE处于高弹态,自由体积分数增加,气压越高绝缘材料受到的轴向拉力越大,材料电气性能下降越明显,电树枝越易引发。高温高气压下XLPE电缆的绝缘性能下降明显,电缆稳定运行受到严重威胁。     

交联聚乙烯电缆中非导电型电树枝的自愈现象

为研究交联聚乙烯(XLPE)电缆中非导电型电树枝的自愈机制,对XLPE薄片试样进行了非导电型电树枝的老化与自愈实验。实验发现,在电树引发初期断开电源一段时间后,浅色非导电型电树枝消失,产生了自愈现象。通过构建非导电型电树枝生长及自愈模型,分析了非导电型电树枝的生长和自愈机制。结果表明:在电树枝引发初期,由于Maxwell应力、局部放电、电荷注入抽出以及场致发光等作用,导致XLPE分子链发生断裂并气化,从而使得电树枝快速生长。当外施电压去除后,贮存在电树枝周围XLPE材料中的弹性势能逐渐释放,电树枝直径减小,通道内壁XLPE分子链相互重叠交错,使得电树枝通道消失,从而产生自愈现象。     

电树枝起树后电压幅值对生长形貌和局部放电特性的影响

电树枝在XLPE电缆故障中是一种常见现象，在电缆运行过程中可能会存在电压的波动，然而鲜有报道电树枝起树后电压幅值对其生长形貌和局部放电特性的影响。本文研究了电树枝起树后不同电压幅值下电树枝生长形貌和局部放电特性的差异。结果表明：施加电压越高，电树枝的形貌趋向发展为丛状电树枝，施加电压越低，电树枝的形貌趋向发展为枝状电树枝或单枝状电树枝；在较高电压下的最大局部放电强度试验可用于预测击穿故障，而在较低电压下很难通过局部放电强度预测电树枝的生长；电树枝的放电间隔Δt最大值随着加压时间的增加而变长，放电的间歇性也更加明显，电树枝放电间隔与电树枝的生长联系紧密，当电树枝生长停滞时才有概率出现局部放电的间歇性，电树枝处于生长时局部放电几乎不会停滞。     

不同温度下XLPE-SIR异质绝缘的交/直流电树枝及局部放电特性

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆本体与附件构成的异质绝缘的电树枝化严重威胁电缆及附件的安全运行。为探明不同温度下XLPE-硅橡胶(silicone rubber,SIR)异质绝缘的交/直流电树枝及局部放电特性,分别在30、50和70℃下,对XLPE-SIR进行交/直流下的电树枝实验及局部放电检测。结果表明,局部放电特征量与电树枝发展阶段密切相关,其中放电量变化率相关性最强;异质绝缘界面对电树枝发展起阻碍作用;交/直流下试样击穿路径不同,推测这与实际界面的非理想接触状态及交/直流下界面附近电荷分布与局部放电差异有关;此外,温度升高不仅促进电树枝的引发与生长,同时对交流电树枝形态有显著影响。结果可为高压交/直流XLPE电缆附件处的绝缘老化状态监测与评估提供一定理论依据。