直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法综述

交联聚乙烯(XLPE)因其优异的介电、理化性能而被广泛应用于电缆绝缘领域。在电缆的服役过程中,电缆绝缘内部会积聚空间电荷,严重时可引发电场畸变,导致电缆击穿事故发生。对于直流XLPE电缆,空间电荷的积聚及影响更加不容忽视。针对直流XLPE电缆绝缘中产生的空间电荷积聚效应,目前学界主要采用共混改性、聚合物链段接枝极性基团、纳米掺杂改性及制备高纯净绝缘料等方法来进行控制,改性后的直流XLPE电缆绝缘对空间电荷产生的抑制效果均有所提升。文中首先对上述直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法进行综述,介绍其抑制原理以及相应的抑制效果,然后对比总结不同抑制空间电荷方法的优缺点,最后对未来直流XLPE电缆绝缘中空间电荷抑制方法的研究发展作出展望。     

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。     

EAA改性XLPE中空间电荷和电树、水树的关系

以不同含量的EAA（乙烯－丙烯酸共聚物）改性XLPE（交联聚乙烯）,用电声脉冲法测量了样品中的空间电荷分布。探讨了试样中空间电荷分布与EAA含量的关系,找到了抑制空间电荷的最佳含量。同时测出了在直流预压电压下短路电树枝的起始电压。对交流电压下抑制水树枝的产生和成长了做了研究。试验发现：当试样中含EAA为1．0％wt时,聚乙烯的直流预压短路树枝的起始电压得到提高;交流电压下树枝的出现概率和水树枝长度都减小。     

脱气对525kV交联聚乙烯绝缘直流电缆空间电荷特性的影响

为研究脱气对525 kV高压直流交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中空间电荷分布的影响,分别从脱气和未脱气的XLPE电缆绝缘外、中、内层切取样品,基于电声脉冲法测试了样品内空间电荷的分布情况,并计算了样品内电场畸变率和电荷体密度衰减率.结果表明,电缆绝缘内交联副产物残留量随着脱气时间的增长,由内层向外层依次降低,脱气30 ...     

直流电场和热处理对XLPE电缆中空间电荷的影响

聚合物电缆绝缘层空间电荷的存在和累积是有害的，然而关于介质中空间电荷的形成和消除的机理等一些重要的问题还未解决。利用电声脉冲法（PEA）研究了直流电场和热处理作用下XLPE电缆中的空间电荷。电缆绝缘中原先由于施加直流电压而形成的空间电荷，经过热处理后消失；如果再施加电场于绝缘层，空间电荷又重新出现。然而电缆在真空状态下加热和脱气较长时间后，无论施加直流电压多长时间，电缆中没有空间电荷产生。同时还讨论了在电场和热应力作用下空间电荷产生和消除的机理。     

热老化对直流XLPE绝缘性能的影响研究

针对直流电缆交联聚乙烯的绝缘热老化,对比了国际商用直流电缆料(LE4253DC)与纳米氧化硅(SiO2)改性直流绝缘料两种材料在热老化前后电导率、击穿强度和空间电荷的特性变化。试验结果表明:随着老化温度的升高,LE4253DC的电导率先下降再升高,击穿强度整体下降,出现大量空间电荷。SiO2改性后,不同温度梯度下的电导率性能均有所提升,低温下的击穿特性较为稳定,异极性空间电荷得到了抑制。     

高压直流塑料电缆绝缘用纳米改性交联聚乙烯中的空间电荷特性

为发展国产高压直流(HVDC)塑料电缆绝缘材料,削弱直流电缆运行中温度梯度效应对电缆绝缘中电场强度的畸变,针对国产纯交联聚乙烯(XLPE)、自行研发的纳米改性XLPE以及从国外进口的高压直流用XLPE等3种材料的试样进行了研究。利用电声脉冲(PEA)法和电阻率测量系统,测量了3种XLPE试样在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下的空间电荷特性和电阻率特性。研究结果表明:在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下,纳米改性XLPE试样在加压过程中的体内积聚电荷量最少、短路后残余电荷量较少;随着温度升高,3种XLPE试样的体积电阻率均呈下降趋势,但自行研发的纳米改性XLPE试样的体积电阻率在测试的高低温范围内始终最高,且比纯XLPE试样高出约1个数量级。因此认为在所测试的3种XLPE试样中,自行研发的纳米改性XLPE材料在测试温度范围内能最好地抑制空间电荷,拥有最高的体积电阻率。     

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响

交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆终端内各绝缘材料的电导率受温度和电场强度的影响差异较大,这是导致其电场分布复杂、研发难度大的关键因素之一。为此,利用多物理场耦合软件仿真计算了以不同性质硅橡胶为增强绝缘的高压直流电缆终端模型内的电场分布,分析了绝缘材料的电导特性对电场分布的影响与机理。研究结果表明:以高压交流电缆终端中常用的硅橡胶作为直流电缆终端的增强绝缘时,应力锥根部的硅橡胶内电场严重畸变,最大电场强度(简称场强)值约达到电缆本体平均场强的6.7倍;以具有合适非线性电导特性的硅橡胶做增强绝缘时,直流电缆终端内电场分布均匀,且最大场强点位于电缆XLPE绝缘内。说明应用电导非线性硅橡胶是解决XLPE绝缘高压直流电缆终端制造瓶颈问题的有效方法之一。     

直流交联聚乙烯绝缘中空间电荷的形成机理

从聚合物绝缘的分子形态结构叙述电荷陷阱的本质,根据聚合物电导特点说明电荷的入陷和脱陷过程,从空间电荷不同来源阐明空间电荷的形成机理。讨论分析了空间电荷对电场分布的影响。     

新型XLPE高压直流电缆绝缘料的空间电荷特性研究

高压直流电缆运行中的温度梯度效应导致电缆外绝缘层场强严重畸变,降低了绝缘的电气强度和使用寿命。在聚乙烯纳米复合材料的基础上,添加适量的交联剂、抗氧剂等制备了新型高压直流交联聚乙烯料,对其力学性能和电性能进行测试,并将其与国外主流XLPE直流电缆绝缘料的空间电荷积聚与场强畸变特性进行对比分析。结果表明:新型高压直流交联聚乙烯电缆料的性能优于国外主流XLPE直流电缆绝缘料,有望用于国产高压直流电缆。     

高压直流挤包绝缘海陆复合电缆温度场及空间电荷分析

高压直流电缆运行过程中会在绝缘层内产生空间电荷,导致电场畸变,甚至绝缘击穿。为了研究电缆实际运行中空间电荷的影响,本研究利用有限元仿真获得了高压直流海陆复合电缆在额定电流、最大稳态电流和短时过载电流情况下的温度场。根据仿真结果,在空间电荷测试中分别设置10、20、40℃的温度差,分别模拟400 kV高压直流电缆在不同工作条件下的温度场。结果表明：在额定电流下XLPE绝缘层两侧温度差为8.1℃;最大稳态电流下XLPE绝缘层两侧温度差为18.7℃;短时过载1 h情况下,XLPE绝缘层两侧温度差为61.1℃;短时过载36 h情况下,XLPE绝缘层两侧温度差为41.1℃。实验结果显示温度梯度会使XLPE阳极低温侧产生异极性电荷积聚,使电场发生畸变。通过对畸变电场进行校正计算,发现最大电场畸变率随平均场强呈线性关系。随着温度梯度的增加,电场畸变率也在增大。在温度梯度40℃和外施场强50 kV/mm下,最大电场畸变率为1.68。     

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△ρ大于脱气试样,差值δ随电场线性增大,...     

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆中间接头内电场分布的影响

为改善交联聚乙烯（XLPE）绝缘高压直流电缆中间接头内的电场分布,通过添加纳米填料制备了用于制作电缆接头应力控制体的非线性硅橡胶复合材料。建立了高压直流电缆接头仿真模型,测试了各绝缘材料的电导特性,计算了电缆接头内的电场分布。研究结果表明,70 ℃时在各场强下未改性硅橡胶的电导率都小于高压直流电缆XLPE绝缘,故电缆接头内的最高场强点位于硅橡胶增强绝缘内,且最大场强远大于电缆本体绝缘的平均场强;以非线性硅橡胶做应力控制体增强绝缘时,超过一定场强后增强绝缘的电导率明显大于XLPE绝缘,保证了电缆接头内最高场强点永远位于XLPE绝缘内,且接近于平均场强。     

纳米颗粒接枝密度对纳米复合XLPE空间电荷特性的影响

为研究纳米颗粒接枝密度对交联聚乙烯(XLPE)纳米复合介质空间电荷特性的影响,分别将未接枝和经不同含量硅烷偶联剂(MDOS)接枝的胶体SiO2纳米颗粒通过熔融共混法添加到XLPE中。扫描电镜观测表明未接枝组别出现数微米尺寸的严重团聚,接枝后纳米颗粒分散性改善;红外光谱分析表明接枝后的纳米颗粒出现MDOS吸收峰,随接枝密度增大而增强;由热重分析结果计算得到了纳米颗粒的接枝密度;差示量热扫描测试结果表明随接枝密度的提高,纳米复合XLPE的熔点略呈上升趋势。-50 kV/mm电场下,XLPE和MDOS/XLPE试样均出现正极性空间电荷包现象,说明仅仅添加MDOS并无捕获或抑制空间电荷的效果。纳米复合后空间电荷受到抑制,随接枝密度的提高抑制效果更加明显。分析认为,MDOS接枝SiO2纳米颗粒,减小SiO2纳米颗粒与基体的表面能之差,促进纳米颗粒的分散,增大了纳米颗粒-聚合物的界面面积,产生的更多陷阱所捕获的电荷进一步降低电极-电介质界面附近的局部电场,但也减小了去极化过程残余电荷的消散速度。     

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...     

不同温度下XLPE电缆中电树枝的生长特性

为了研究温度对电树枝的引发和生长发展特性的影响,本文针对15kV交联聚乙烯(XLPE)电缆设计了一套采用金属针缺陷模拟集中电场应力的实验系统。通过在4个不同温度下对交联聚乙烯(XLPE)电缆进行电树枝生长实验,结果表明,温度对电树枝引发及生长影响显著。在潜伏期,一方面,电荷的注入及自由基的连锁反应因热的作用而加剧;另一方面,在高温下由于分子热运动和自由体积膨胀,聚集态发生了从玻璃态到高弹态的转变从而导致电树枝的引发时间的大大缩短。在生长发展期,XLPE电缆电树枝的分形维数随温度上升并不单调,而是与其聚集态紧密相关。在玻璃化转变温度(θg)以下,电树枝形态由枝状向丛状转变;在玻璃化转变温度(θg)以上,电树枝逐渐稀疏,分形维数减小;电树枝随温度升高有明显加速生长趋势。通过实验研究表明,在集中电场应力下,当XLPE电缆运行温度超过110°C时,即使是短时的电热作用,也会缩短其寿命。     

退役高压XLPE电缆绝缘空间电荷行为研究

文中对两回110 k V退役高压交联电缆进行180 a预鉴定试验,目的在于研究不同运行年限的退役高压交联电缆老化前后的空间电荷行为差异,并评估电缆重新投入实际运行的可靠性。通过电声脉冲(PEA)法测量试验前后绝缘层交联聚乙烯(XLPE)试样的空间电荷分布,结合傅里叶红外光谱(FTIR)实验、X射线衍射(XRD)实验揭示试样的微观结构、聚集态结构状态变化与空间电荷的迁移、积聚和消散过程的潜在关系。实验结果表明:实际运行16 a的电缆绝缘由于存在大量杂质使得空间电荷的积聚严重,老化试验后,杂质的减少和淬火反应使得空间电荷的积聚降低且消散过程加快;实际运行32 a的电缆绝缘空间电荷的积聚和消散过程缓和,老化试验后,由于绝缘降解作用和晶态结构的破坏使得空间电荷的积聚加剧且消散过程变得缓慢。     

温度梯度场对高直流电压下聚乙烯中空间电荷及场强畸变的影响

高压电缆运行中由于导体发热引起绝缘由内到外形成温度梯度.直流电压下温度梯度的存在必然会影响电荷的注入和迁移,同时引起绝缘电阻的梯度变化进而引起场强的梯度变化,加剧了位于绝缘层外表面的电荷积聚和场强畸变,降低了电缆的使用寿命.因此研究温度梯度场下直流绝缘中空间电荷分布及场强畸变特性,对新型直流电缆绝缘设计具有较高的理论和...     

直流预压对针板电极下XLPE中空间电荷及电树枝的影响

空间电荷是影响高压直流电缆绝缘电树枝特性的主要原因之一.基于双极性载流子输运模型,对±20 kV、±22.5 kV和±25 kV直流预压下3600 s内二维针板电极模型空间电荷分布进行仿真分析,并对比分析空间电荷分布与直流接地电树枝引发特性.结果表明:空间电荷浓度及注入深度随预压幅值及时间的增加而增大;直流接地电树枝引...