热处理温度对三元乙丙橡胶交流电场特性的影响研究

通过三元乙丙橡胶片状试样在100℃和200℃常压环境下分别18h热处理后,对试样中副产物含量、交流击穿场强、陷阱参数和空间电荷等特性进行检测和对比,研究热处理温度对乙丙橡胶交流电场特性的影响。检测结果表明:试样中主要杂质含量和空间电荷量随热处理温度上升而减少,其中100℃处理后击穿场强、陷阱能级变化不大,200℃处理后击穿场强下降11%,深能级陷阱密度大幅上升。击穿场强和陷阱密度的变化趋势表明,100℃处理后绝缘性能无明显变化,但200℃热处理后绝缘已明显老化。未处理试样中半导电电极侧和铝电极侧分别表现为明显的异极性电荷和同极性电荷积累,且在交流电场180°区域未出现明显的电荷积累;200℃处理后的老化试样在两电极侧区域均为同极性电荷积累,且铝电极侧在交流电场180°区域出现了显著的负极性电荷积累。根据空间电荷等密度线扩散趋势和不同类型电荷在正、负半周电场下的迁移方向,可以推测电极侧的同极性电荷主要源自电极注入,异极性电荷主要源自杂质解离形成的离子。交流电场180°区域的负极性空间电荷积累,可能与200℃处理后试样老化导致的0.72～0.95eV范围内的陷阱大量形成相关,正半周内注入电荷被深陷阱大量俘获,且在10ms半周期内无法快速脱陷,残留至负半周。     

杂质浓度梯度下XLPE空间电荷与电场分布特性仿真研究

交联副产物等杂质解离易引起异极性空间电荷的积累，导致局部场强畸变。同时，交联聚乙烯（XLPE）直流电缆脱气处理后交联副产物杂质会在绝缘层中形成“内高外低”的浓度梯度分布，而杂质浓度梯度对空间电荷的影响尚不清晰。为此基于双极性电荷输运模型，引入杂质浓度梯度并考虑杂质离子对载流子的散射作用，仿真计算交联副产物杂质均匀分布与梯度分布对XLPE空间电荷与电场分布的影响，并分析影响杂质梯度效应的各种因素。结果表明：杂质梯度分布下XLPE空间电荷和电场分布表现出明显的杂质梯度效应，即低浓度侧异极性电荷积聚增多，导致其附近电场增强；而杂质解离势垒和杂质分布浓度是影响杂质梯度效应的主要原因，在杂质浓度梯度一定时，活化能越低，温度越高，解离势垒越低，载流子的迁移率相应降低，导致杂质梯度效应越明显；绝缘层厚度越大，杂质分布浓度越高，杂质梯度效应也越明显。     

极性反转条件下基于双极性载流子-离子混合输运模型的XLPE空间电荷特性研究

直流电缆在运行时需承受极性反转的电压，这会使得绝缘内部积累的空间电荷增加，进而可能引起绝缘破坏。同时在绝缘材料实际生产过程中引入的交联副产物等杂质解离产生的离子电荷会加剧电荷的积累。因此本文对传统双极性载流子输运模型进行改进，考虑杂质带电离子的影响，利用改进后的输运模型模拟交联聚乙烯（XLPE）内部空间电荷在电压极性反转期间的分布，研究极性反转时间和电场强度对电荷分布的影响机理。结果表明：在满足电压反转前后空间电荷分布基本呈镜像分布的基础上，引入离子电荷会增大两电极附近稳态时积聚的异极性电荷量；电压反转时间越长，两电极处的界面电荷峰值下降的越多，两电极附近的空间电荷变成相反极性的电荷量也越多，即反转完成时电荷分布更接近于反转稳定后的情况；在相同极性反转时间、不同电场强度下，电荷分布规律基本相同，场强越高，各处积累的电荷量越多。     

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。     

连续极性反转电场下XLPE中空间电荷特性研究

针对不同状态的直流电缆交联聚乙烯样,采用1.2s极性转化时间和逐级升压的极化电场,检测不同电场极性反转前后的空间电荷响应,结合红外光谱,分析极性反转电场下空间电荷输运特性,并提出基于连续极性反转场检测的绝缘评估方法。结果表明:连续极性反转过程中,未脱气试样内平均空间电荷密度变化量(35)r大于脱气试样,差值δ随电场线性增大,最高达1.8C/m~3;而脱气后副产物特征基团之一羰基含量明显下降,这表明电荷密度变化差异主要与副产物解离形成的离子电荷相关。脱气前后杂质离子电荷密度的斜率dδ/dE与杂质浓度成正比,因此连续极性反转场下的斜率dδ/dE可用于杂质含量检测。老化试样在连续极性反转电场下的最大电场畸变率η可达34%,且羰基含量增大3倍。这表明η的增大可能与老化形成的大量羰基相关:羰基类陷阱可俘获大量自由电荷形成空间电荷,在极性反转时无法快速脱陷而大量残留,增大了试样内部的电场畸变。老化试样的dη/dE是未老化试样的2.5倍,这表明连续极性反转电场下的dη/dE可作为电缆绝缘老化状态评估参数。在连续极性反转的高电场下,未脱气和老化试样中最大电场畸变率η和增长率dη/dE均大于脱气试样,因此连续反转电场下的参数η和dη/dE可用于材料耐极性反转能力评估。     

基于超低频场空间电荷响应的电缆状态评估

为评估超低频电场检测下电缆的绝缘状态,通过检测不同老化状态交联聚乙烯在50、0.1和0.01Hz正弦场下的空间电荷响应,分析超低频检测中空间电荷积累的电场阈值,并结合其理化和工频击穿等性能,探讨基于超低频场空间电荷响应的绝缘状态评估方法。结果表明：试样在50Hz电场下,未出现空间电荷积累的阈值电场,但0.1和0.01Hz电场下出现了阈值电场,其值约为10～15kV/mm。超低频电场下超过阈值电场后的180°相位处的平均体电荷密度和平均相位体电荷密度均明显增大,这主要与超低频场下有效作用电场的持续时间相关。在0.01Hz电场下老化试样的平均相位体电荷密度明显下降,试样表面侧的空间电荷由未老化时的异极性转为同极性,且其连续分布区域远大于未老化试样。这可能与老化后深陷阱量减少和浅陷阱量增多相关,两者均增大了电荷迁移率,抑制了空间电荷积累。随着老化程度的加深,试样在0.01Hz电场下的平均相位体电荷密度和击穿场强明显下降,这表明试样老化状态可由超低频场下的空间电荷表征。在采用超低频场空间电荷特性进行绝缘状态评估时,应综合空间电荷的积累量、极化和分布范围,结果可为超低频电场下电缆绝缘状态评估提供...     

杂质对交联聚乙烯电缆内部电场和空间电荷分布影响

杂质会影响交联聚乙烯(XLPE)电缆内部电场及空间电荷分布,在电缆绝缘老化与击穿中起着重要作用,因此研究杂质对电缆中电场及空间电荷分布的影响具有重要的意义。本文采用二阶四面体单元剖分的有限元方法计算各节点的电位分布,然后求各节点电位的负梯度得到各节点上的电场强度,对电位移矢量求散度可得各节点的电荷密度。以一个带有杂质颗粒的交联聚乙烯电缆模型为例进行计算,结果表明:在电场作用下,杂质颗粒会离解造成其周围电荷密度集中;杂质颗粒表面积聚的电荷量随颗粒半径的增大而增大,电荷密度随半径的增大而减小;杂质颗粒越靠近高压侧其表面积聚的电荷量越大;杂质颗粒周围的电荷密度值与相对介电常数关系不大,但与电阻率关系密切。     

脱气处理对直流电缆绝缘击穿场强的影响

采用直流电缆用交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘料,制备100、200、300、400mm 4个不同厚度的试样,经70℃、100Pa真空环境下不同时间(0、24和72h)的脱气处理后,通过其直流击穿场强和空间电荷特性检测和比对分析,研究脱气处理对直流电缆绝缘击穿场强的影响。研究表明,对于相同厚度试样,脱气处理能有效提高XLPE的击穿场强,并减少电极附近的异极性电荷积累和试样内交联副产物含量,且相对较厚试样的击穿场强的提高更明显。相同脱气时间下,试样厚度的增加导致交联副产物含量的增加、两极附近异极性电荷量增加、电场畸变的增加和击穿场强的降低。在不同脱气时间下,对直流击穿场强与厚度依据反幂规律进行拟合,由拟合结果可知随脱气时间增加,系数k逐渐增大,指数因子n逐渐减小。通过建立一种e指数函数关系以拟合脱气时间对于反幂规律中参数k与n的影响,为达到最佳的脱气效果提供参考。基于非本征击穿模型分析,脱气能减少XLPE中预先已有的缺陷和加压过程中产生的缺陷数量。交流副产物含量的降低能减少造成试样击穿的杂质缺陷和异极性电荷的积累,提高XLPE的击穿场强。合适的绝缘厚度和脱气时间选择可以在节省成本的同时,最大程度地提高直流电缆的绝缘性能。     

极性反转电压下的油纸绝缘空间电荷特性

极性反转电压下换流变压器内部电场分布复杂，而空间电荷是引起电场畸变的重要因素。为研究极性反转电压下油纸绝缘空间电荷与电场分布特性，为此利用电声脉冲法开展了不同温度下单层油浸纸板与油-纸双层绝缘空间电荷试验研究。研究发现：不同温度下单层油浸纸板空间电荷在极性反转过程中变化很少，极性反转后电极附近电荷密度与电场畸变严重；温度通过改变反转前空间电荷分布影响极性反转过程中电场分布。双层绝缘中，温度升高导致油-纸界面电荷和纸中空间电荷密度降低；电压极性反转过程中，不同温度下纸内部空间电荷变化较少，常温时双层暂态电场符合容性电场分布；而60℃时油-纸界面电荷密度与极性快速变化，导致双层暂态电场分布不符合容性电场分布。     

交直流叠加电场下油浸绝缘纸的空间电荷特性研究

为了研究换流变压器中的油浸绝缘纸在交流电场及交直流叠加电场下的空间电荷特性,该文利用基于自动均分相移检测原理的快速空间电荷测量系统,分别测试了油浸绝缘纸试样在交流电场(有效值为15k V/mm)及交直流叠加电场(交流分量有效值与直流分量均为15k V/mm)下的空间电荷分布。研究表明:在交流电场下,油浸绝缘纸的空间电荷分布呈对称状,且内部空间电荷积累并不明显,仅在靠近下电极处积累了部分同极性电荷;而在交直流叠加电场下,油浸绝缘纸中的空间电荷积累相当明显,负极性电荷在整个交流周期中均占主导地位。因此,不同于交流电场,在交直流叠加电场的过零相位处下电极附近积累的空间电荷对油浸绝缘纸的内部电场有严重的扭曲作用,且由于电荷在电极界面处的注入、抽出对应的电场与时间不平衡导致空间电荷分布发生极大的改变。     

老化方式对交流交联聚乙烯电缆空间电荷分布的影响

为了研究高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆老化状态与绝缘空间电荷特征的关系,通过测量高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆不同位置绝缘的空间电荷特性,分析了老化方式对XLPE电缆空间电荷分布规律的影响。采用电声脉冲(PEA)法测量XLPE内空间电荷分布规律,发现未老化电缆铝电极附近积累同极性电荷,而老化后电缆的铝电极附近积累异极性电荷。沿电缆径向由内向外,未老化电缆及实际运行22a电缆电荷量增高,加速老化1a电缆电荷量降低。分析认为,加速老化电缆的老化可能起始于电缆绝缘内侧,实际运行电缆老化可能起始于电缆绝缘外侧。结果表明不同老化状态下交流XLPE电缆绝缘空间电荷行为明显不同,空间电荷测量可以作为评价交流XLPE电缆老化状态的有效手段。     

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。     

交联聚乙烯直流电缆料高温空间电荷行为特性

为研究进口交联聚乙烯(XLPE)直流电缆料高温空间电荷行为,开展了XLPE试样脱气前后的直流电导、介电和高温下空间电荷稳态暂态过程试验。结果表明:未脱气XLPE的电导电流和介质损耗均大于脱气XLPE;在-30 MV/m下脱气前后XLPE内部均为负极性电荷积聚,且在30℃和70℃下电场畸变率不超过25%;70℃、-100 MV/m下极化初始2 s的快速测量发现,脱气XLPE出现正空间电荷包的快速迁移,而-150 MV/m下则出现了负空间电荷包的注入与迁移,正、负空间电荷包的运动过程均遵循负微分迁移率。分析认为:脱气处理降低了XLPE交联副产物的含量,减少了离子电离,从而减小了低频区的电导率;在-30 k V/mm时,试样内部积聚的少量负电荷主要由交联副产物及杂质电离所产生,随着场强的提高,开始出现由电极注入的正电荷且杂质离子产生的速率要高于正电荷的注入速率;70℃、-150 MV/m下极化初始阶段,正电荷快速迁移至阴极附近,致使阴极附近电场严重畸变(畸变率最大达61.5%),导致阴极大量注入负电荷并在试样内部形成负空间电荷包。     

方波电压下交联聚乙烯中的空间电荷特性

空间电荷现象在电气绝缘破坏中起着重要作用,但多年以来对空间电荷的研究主要集中于直流电压下,而针对方波电压下空间电荷的研究较少。为此对传统的电声脉冲法(pulsed electro-acoustic method,PEA)进行改进,可以同时向试样施加可调相位差的方波电压和脉冲电压,并利用该装置研究了不同波形参数(波形、极性、频率、占空比等)对空间电荷分布的影响。实验结果表明:方波电压下更易积累同极性电荷,单极性方波下的空间电荷积累远大于双极性方波,高频方波下空间电荷积累更为严重,占空比的增加也会导致积累电荷量的增加。     

直流和工频电压下油浸纸绝缘系统空间电荷特性的差异

绝缘材料在交流电压下的空间电荷特性和直流电压下的空间电荷特性同等重要。输电系统中交流变压器的数量巨大,变压器内绝缘用油纸绝缘材料在交流电压下的空间电荷特性如何,尚未见研究报道。首先采用直流电声脉冲测试系统研究了油浸绝缘纸在正/负极性直流场强下的空间电荷特性,然后采用改进的基于电声脉冲法的空间电荷测试系统研究了油浸绝缘纸在工频电压下的空间电荷特性。结果表明:电场极性对油浸绝缘纸内部的空间电荷分布有决定性影响,在正极性直流场强下,积聚在靠近铝板电极侧绝缘纸-绝缘纸界面处的电荷极性是正极性,而在负极性直流场强下,其是负极性;在工频加压的正半周,铝板电极处的电荷极性为负,而在工频加压的负半周,铝板电极处的电荷极性为正,90和270相位下油浸绝缘纸内部界面处积聚的电荷极性相反;与直流电压下相比,工频电压下油浸绝缘纸内部积聚的电荷显著减少。     

预交联对XLPE直流电缆料空间电荷特性的影响

在交联聚乙烯（XLPE）电缆料的挤出过程中,当局部挤出温度高于交联剂的分解温度时,交联剂会提前热分解,从而导致材料发生低程度的预交联。为研究预交联对XLPE直流电缆料空间电荷特性的影响,本文在对XLPE直流电缆料进行高温交联前,先在不同温度（140、150、160℃）下进行低程度的预交联处理。通过X射线衍射、差示扫描量热分析和交联度测试等手段表征聚集态结构,并开展不同温度下的空间电荷特性研究。结果表明：预交联会阻碍XLPE高温交联过程的正常进行,导致其交联度与结晶度均有不同程度的下降。不完善的交联结构使得预交联XLPE试样内积累了大量由电极注入的同极性电荷,同时试样内残留的较多杂质分子还会随着温度的升高解离产生大量异极性电荷,导致电场畸变严重。结晶度的下降同时还造成试样内部晶区与无定形区界面处陷阱密度和深度的增加,限制了电荷的迁移和脱陷过程。     

极性反转下低密度聚乙烯空间电荷动态特性的数值模拟

直流电缆在运行时如果电压极性发生反转,会使得外加电场与累积空间电荷所产生的电场叠加而增强,可能引起局部放电或介质击穿。目前的实验测量方法无法揭示极性反转过程中空间电荷和电场的瞬态变化,尤其是微观粒子之间的相互作用过程。为了深入研究高压直流电缆在极性反转下的内绝缘机理,利用双极电荷传输模型对低密度聚乙烯(LDPE)的空间电荷动态特性进行了数值模拟,并通过仿真研究了多次极性反转下LDPE空间电荷和电场的瞬态分布。结果表明:极性反转时表面电场大大增强,并具有一定的极性效应,在由阳极转变为阴极时更加显著;极性反转前陷阱电荷密度远大于自由电荷密度,极性反转时电极表面电场的增强主要是由电极附近的陷阱电荷所决定。研究成果可为高压直流电缆的绝缘设计提供参考,也可以为聚合物材料空间电荷的动态仿真提供借鉴。     

直流叠加冲击电压下XLPE中空间电荷特性研究

高压交联聚乙烯（XLPE）直流电缆在工作状态下，会受到电力系统中由投切等操作引起的操作冲击电压的破坏，导致绝缘受到影响，而目前缺乏多次冲击累积效应引起空间电荷累积导致电缆绝缘劣化的相关研究。本文基于实验室已有的直流叠加冲击电压下的PEA法空间电荷测量系统，分别测量了直流电压、冲击电压、直流叠加冲击电压作用下XLPE电缆绝缘中的空间电荷特性。结果表明：正直流电压下XLPE体内以异极性电荷为主，负直流电压下SC电极上出现同极性负电荷的注入；连续的高幅值冲击电压作用会导致双电极上大量的同极性电荷注入，且负极性冲击下电荷注入量略多；当直流叠加冲击电压时，同极性叠加方式比异极性叠加方式更能促进双电极上同极性电荷的注入，而且冲击电压作用时间越长，XLPE试样内部积聚的电荷量越多。     

预鉴定试验对直流电缆中空间电荷特性的影响

为研究预鉴定试验对直流交联聚乙烯(XLPE)电缆的影响,对国内自主研发的200 k V直流XLPE电缆进行了预鉴定试验,并采用傅里叶红外光谱测试(FTIR)、差示扫描量热法(DSC)、空间电荷测试等方法,分析了预鉴定试验前后电缆XLPE绝缘中层绝缘的状态变化。结果表明:预鉴定试验前后,电缆绝缘材料本征基团对应的特征吸收峰基本不变,熔融温度、结晶温度变化不大,电缆材料未发生明显老化。预鉴定试验前后,电缆绝缘中层切片试样均有明显的异极性空间电荷积累,30℃下预鉴定试验后试样短路过程中的平均体电荷密度明显大于预鉴定试验前的试样。预鉴定试验使电缆绝缘层内的交联副产物沿电缆径向由线芯侧向外侧扩散,使电缆绝缘中部的交联副产物含量增多。电缆绝缘中层切片经实验室脱气处理后,异极性空间电荷的积累量大幅下降,表明现有200 k V直流XLPE电缆经脱气处理后,仍留存大量的交联副产物,需要进一步改进生产过程中的脱气工艺。     

温度对交联聚乙烯中的空间电荷积累以及迁移的影响

高温高场的运行环境会影响高压直流电缆绝缘层中杂质的解离、电荷的注入和迁移过程,为了研究温度和外施电场对交联聚乙烯空间电荷行为的影响,测量了最高温度为80℃,最高场强为90k V/mm的交联聚乙烯片状试样的空间电荷分布特性。研究表明:外施电场越强,电荷注入越多;温度越高,电荷的迁移率也越高,80℃时的迁移率比20℃的迁移率大一个数量级;20℃时出现了明显的空间电荷包现象,绝缘层中空间电荷积累较多,随着温度的升高空间电荷包现象消失,绝缘层中空间电荷积累减少。这说明温度对空间电荷迁移的促进作用比空间电荷注入和杂质解离的促进作用更强,使得高温下空间电荷包难以形成,且难以在绝缘层中积累过多的空间电荷。