针尖曲率半径对硅橡胶电树枝老化特性的影响

针对硅橡胶材料电树枝老化特性展开了试验研究。采用针板电极结构,测量了不同针尖曲率半径的起树电压和电树枝形态。结果表明,硅橡胶的起树电压较低,抗电树枝老化性能较差,导致了硅橡胶预制式电缆附件故障频发;硅橡胶中的起始电树枝多以单枝状的通道形成为标志,随后发展为4种不同的电树枝形态。进而提出了硅橡胶电树枝形态发展模型,并以此讨论了不同形态的电树枝老化特性。研究还发现,现场实际运行的硅橡胶预制式电缆附件故障解体后发现了单枝通道起始电树枝,其在运行电压作用下容易发展为细枝型形态,但同样会引发电缆附件的击穿。试验结果为现场故障分析提供了参考依据。     

热老化时间对硅橡胶电树枝起始特性的影响

电缆系统长期运行在高温下会对新型超高压预制式电缆附件主绝缘材料硅橡胶(SIR)的性能产生影响。针对电缆长期最高运行温度(90℃)下热老化时间对硅橡胶材料电树枝老化特性的影响展开试验研究,测定90℃温度场下老化1 000 h对硅橡胶材料电树枝老化特性的影响规律,并进行理论分析。试验结果表明,90℃热老化作用下,硅橡胶随着老化时间的增加,起树电压出现先增再减的趋势。硅橡胶电树枝形态与老化时间密切相关,老化过程中树枝状比例很低,随着老化时间增加,丛状树枝比例先增再减,松状比例先减再增。另外,通过对最大放电量的测试可以发现,最大放电量的变化随时间先减再增。结合差热分析、平衡溶胀等试验对试验结果进行分析讨论后认为,90℃下硅橡胶交联网络破坏是硅橡胶起树电压大幅下降,电树枝形态改变的重要原因。运行温度下的热老化对硅橡胶的性能产生了严重的影响,需要引起重视。     

频率对硅橡胶起树电压及电树枝形态的影响

超高压预制式电缆附件用硅橡胶材料的电树枝化制约了电力电缆系统的长期安全稳定运行。为了解电压频率对硅橡胶电树枝特性的影响,在50 Hz~130 kHz这一较宽频率范围的交流电压作用下,试验研究了硅橡胶中电树枝的引发及生长特性。结果表明,随着频率的升高,起树电压呈现出明显的阶段性下降特点。硅橡胶电树枝起始后,经过一定时间的生长主要发展为3种形态:树枝状电树、松枝状电树和丛状电树。3种形态的出现几率受频率影响较大,低频下以树枝状电树和松枝状电树为主,而高频下则以丛状电树为主。经分析认为,高频下作用于针尖处频繁的机电应力导致了弹性材料硅橡胶起树电压的降低。同时高频下急剧增大的介质损耗产生的热量导致了电树枝对材料的强烈侵蚀。     

硅橡胶热老化特性及其对电缆附件运行可靠性的影响

电力电缆大力发展,使得新型硅橡胶绝缘材料由于其优良的机电热性能得以广泛应用在超高压电缆附件绝缘领域,但是绝缘故障时有发生,成为电缆输电线路的薄弱环节.本文提出材料老化特性是影响超高压电力电缆附件运行可靠性的重要因素,对硅橡胶材料电树老化性能进行了深入研究,研究温度对电树起始电压、形态的影响规律和电树随着时间的发展规律.研究显示硅橡胶电树起始电压随温度的升高明显下降,电树形态从树枝状、松枝状向丛状树枝过渡,表明硅橡胶绝缘材料在电缆运行温度范围内存在明显的热破坏特性,对硅橡胶电缆附件绝缘可靠性造成不利的影响,而较高温度的丛状电树的滞长特性则将成为电缆附件的长期性故障隐患.在特性研究的基础上,对比分析了温度对硅橡胶和聚乙烯电树老化性能的差异,认为当前硅橡胶电缆附件故障频发的主要原因之一是对硅橡胶老化特性缺乏了解,造成现有的常规结构设计上冗余不足.     

直流场下温度对硅橡胶电树枝起始特性的影响

直流电缆长期运行在高温下对电缆附件绝缘材料的电气性能有重大影响。为此选择新型超高压预制式电缆附件主绝缘材料硅橡胶作为研究对象,针对温度对硅橡胶材料直流电树枝起始特性的影响展开试验研究,在20、60、90和120℃下测定针尖完好和针尖有气隙两种硅橡胶试品的直流起树电压,并通过数字显微系统记录下电树枝形态。试验中观测到的硅橡胶直流电树枝形态仅有单枝状和树枝状两种。试验结果表明,针尖完好试品的平均起树电压随着温度的升高单调下降。针尖存在气隙时,起树电压明显比针尖无气隙时低,平均起树电压和树枝形态比例随温度变化均呈现出非单调的变化规律。试验中还发现,针尖有气隙试品的起树电压与二次起树电压基本一致。结合差热分析试验结果进行分析讨论后认为,温升引起硅橡胶局部链段松弛是温度场下硅橡胶直流起树电压下降的重要原因。温度对硅橡胶直流电树枝起始特性有显著的影响,因此长期运行在高温下的直流电缆系统性能势必会因此而受到影响,需要引起足够的重视。另外,针尖有气隙的试品可以模拟电缆中二次起树现象,为电缆二次起树电压的裕度设计提供了相应的理论依据。     

硅橡胶绝缘介质中电树的特性研究

电树枝的生长是聚乙烯(PE)和交联聚乙烯(XLPE)电力电缆绝缘电老化的主要原因。电缆附件中结构复杂、电场分布不均匀,其主绝缘材料———硅橡胶长期处于高场强下。因此,非常有必要研究硅橡胶绝缘介质中电树枝的生长特性及机理。笔者选取了电缆附件应力锥的硅橡胶材料作为试验样本,研究了其电老化现象。实验过程中采用了典型的针—板电极,通过施加直流和交流电压以及改变试验参数等方式促进电树枝的生长。实验中使用数字显微成像系统实时拍摄了电树枝的整个生长过程。结果表明:硅橡胶绝缘介质中由硅的化合物形成的电树枝通道是绝缘的,完全不同于PE和XLPE电力电缆中具有导电或者半导电性质的碳化通道;电树枝的生长速度和结构完全依赖于试验电压种类、交流电压幅值和电源频率,随着电压幅值以及电源频率的增加,生长速度明显增快。     

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。     

气泡及气隙裂纹缺陷对硅橡胶电树枝起始特性的影响

超高压电缆附件用硅橡胶的电树枝化严重制约了电力电缆的长期安全稳定运行。为此,采用针板电极结构,在硅橡胶试品的针尖处模拟了气泡和气隙裂纹两种缺陷,在工频电压下测量其电树枝起始电压,并通过数字显微观测系统记录电树枝形态,研究缺陷对硅橡胶电树枝起始特性的影响。结果表明,试品存在气泡缺陷时,电树枝起始电压比无缺陷时有小幅下降,起始阶段松枝状电树枝与树枝状电树枝出现的比例分别为65%和35%,与无缺陷产品相比不同电树枝形态出现的比率变化不大;而存在气隙裂纹缺陷的试品,电树枝起始电压则大幅下降,电树枝形态仅为树枝状。分析表明,硅橡胶具有优异的抗氧化性能使得缺陷中的氧对其电树枝起始特性影响较小;气隙裂纹导致的机械损伤和应力集中,是引起电树枝起始电压大幅下降的根本原因。     

温度梯度叠加极性反转电压下硅橡胶电荷输运及电树枝特性

直流电缆长期运行在高温度梯度作用下,且时常遭受极性反转、冲击电压等暂态电压,严重影响电缆绝缘可靠性。该文选用电缆附件主绝缘硅橡胶材料,针对不同温度梯度场和极性反转电压下的电树枝起始特性进行研究。搭建极不均匀场下双极性载流子输运模型,研究不同温度梯度和极性反转过程中电荷输运和电场分布特性。研究结果表明：随着针尖温度的上升,空间电荷注入量和注入深度不断增加,反转前后电场的变化更大。温度从30℃增加至120℃,电树枝起始电压下降26.2%,电树枝形态趋于密集,但电树枝长度先增加后减少。结合空间电荷输运特性,给出极性反转电树枝起始的过程,并分析温度梯度对电树枝引发特性的影响规律。     

硅脂对硅橡胶电树枝劣化特性的影响机制研究

电树枝劣化是硅橡胶电缆附件绝缘性能下降甚至击穿的主要原因,但电缆附件安装时在电缆本体与附件界面处涂覆的硅脂对硅橡胶电树枝劣化性能的影响目前尚缺乏研究。该文研究硅脂对硅橡胶电树枝劣化特性的影响,发现硅脂导致硅橡胶的起树电压由13.5kV下降至10.8kV,电树枝形貌由枝状向丛状转变。进一步的表面电位衰减特性、热分解过程和交联密度的测试结果表明,硅脂导致硅橡胶主链断裂,硅橡胶与白炭黑的物理交联结构被破坏、交联密度下降,硅橡胶中的自由体积增大,电荷迁移率上升。因此,注入的电荷在电场作用下获得更高的能量,撞击分子链段使其破坏程度加剧,最终导致硅橡胶绝缘起树电压降低。同时,自由体积的增大使得在较低的径向电场下,电荷也能加速获得足够的能量打断分子链。因此,电树枝形貌逐渐由树枝状向丛林状转变。     

频率对聚乙烯电树起始的影响特性研究

为研究电压频率对聚乙烯电树起始特性的影响,用冰水淬火冷却高密度聚乙烯试验50Hz～90kHz交流电压下的电树起始特性。试验发现电树起始电压值在50Hz～1kHz间变化不大,>5kHz时电树起始电压为先增后减;在试验频率范围内共存在7种电树形态,电树形态种类随频率提高而增多,每种电树形态对材料的绝缘破坏程度不尽相同,7种电树形态的起始电压存在较大差异。最后对高频电压对电子加速过程的影响及高频所引起的材料疲劳效应加剧的试验结果展开了讨论。     

纳秒脉冲下有机玻璃电树枝老化特性研究

介绍了有机玻璃(PMMA)在纳秒脉冲作用下电树枝引发和生长的规律现象。采用压紧针电极与绝缘样品接触、多针并列式的方法制备实验试样,绝缘样品(有机玻璃)加工为120mm×5mm×2.5mm的长方条。实验使用产生30ns上升沿和70ns脉冲宽度的负脉冲固态纳秒脉冲发生器MPC50D作为激励源,在25℃的条件下,施加100Hz的重复频率脉冲,设定初始电压,逐级升压,直至引发电树枝后停止升压,记录电树枝引发电压,观察电树枝生长特点及现象。实验发现PMMA中电树枝出现裂隙状破坏,经过分析讨论,认为是力作用导致的结果。实验中还观察到电树枝生长速度极快的现象,从电树枝引发到击穿只需几秒钟。通过研究证明绝缘油浸入导致了电树枝生长加速,深入讨论分析了绝缘油浸入促进电树枝快速发展的原因、机理及抑制方法。     

高频下电树老化引起的高密度聚乙烯击穿现象

为了分析高频下电树老化引起的高密度聚乙烯击穿现象,实验研究了冰水淬火高密度聚乙烯(HDPE)薄膜在频率50 Hz~90 kHz范围内的交流电压作用下电树老化引起的破坏现象及电树生长过程中的电树形态特性的变化。观测高频下树老化引起击穿过程中电弧运动发现:不同频率下HDPE薄膜中电树生长过程中存在树枝、树干、丛状和击穿型4种基本电树形态;在高频下不同电树形态存在形态转换的关系,且随着频率和电压的升高,相同条件下电树老化引起的击穿破坏概率大大增加。试验结果表明,在较高频率下树的形态易向击穿型发展。最后从高频电压对材料极化过程的影响及高频所引起的材料疲劳效应、热效应加剧角度出发,对在高频下电树老化易于引发击穿的特性展开了深入的讨论,解释了高频或中频电气设备易发生绝缘老化破坏的现象。     

交流叠加冲击电压下XLPE绝缘中电树起始特性

ＸＬＰＥ绝缘在交流叠加冲击电压作用下电树起始特性的试验研究表明,电树的冲击起始场强不仅与预加的交流电压的大小有关,还与冲击电压与交流电压的相对极性有关,并有明显的累积效应,起晕也有明显的时延现象。     

频率对高密度聚乙烯电树老化特性的影响

为了解频率对高密度聚乙烯电树老化特性的影响,在50Hz~90kHz较宽频率范围的交流电压作用下,研究了冰水淬火高密度聚乙烯(HDPE)薄膜的电树老化特性。结果表明,频率对电树起始形态具有重要的影响,随着电压频率的升高,树枝型电树的起始几率逐渐降低,丛状型电树的起始几率逐渐升高,电树逐渐由树枝型起始为主向丛状型起始为主转变,树干型和直击型为高频下所特有的电树起始形态。随着电树的生长,电树形态存在转换的可能,低频下,起始占主导的树枝型电树向丛状和树干型转变;高频下,起始占主导的丛状型电树则极易转变为树干和击穿型,导致绝缘的破坏。电树的发展可分为起始、滞长、生长和击穿期4个阶段。频率的提高加快了电树的发展速度且减少了电树的发展阶段,使发生击穿的几率大为增加。     

交联聚乙烯中的滞长型丛林状电树枝特性研究

为了弄清楚电树枝生长机理以利于研究耐电树高聚物材料，采用实时显微数字摄像监测技术监测交联聚乙烯中电树枝引发与生长过程。结果发现，在低频下电树枝长成丛枝状后不再生长。原因是绝缘体中被注入分布均匀的空间电荷，构成电场屏蔽，使电树枝尖端处的电场强度降至介质的击穿场强以下，使树枝停止生长。而局部放电、树枝尖端微击穿和电极向介质中注入电荷这三种作用同时加速电树枝的迅速生长。     

交联聚乙烯电缆绝缘中的电树枝与绝缘结构亚微观缺陷

半结晶高聚物中的电树枝特性远比纯脆性或柔性聚合物复杂,源于材料中的结晶区和无定形区两相共存.在厚绝缘交联聚乙烯(XLPE)中还存在不均匀结晶和微孔高度集中,以及残存应力,导致电树枝特性更加复杂.本文提出利用生长速度比和扩展系数两个新参数来研究XLPE中的电树枝生长规律.根据XLPE电缆绝缘中电树枝结构特征和生长特性,研究了电树枝的影响因素和绝缘中的四种亚微观绝缘结构弱点,分析了微孔集中、大球晶边界及结晶排渣、应力、电场局部集中所导致的电树枝在绝缘内侧的迅速扩展现象,提出了超高压XLPE电缆发展所必须解决的亚微观绝缘结构缺陷在电缆绝缘内侧集中问题及其对策.     

水树枝影响交联聚乙烯电缆绝缘可靠性的试验研究

水树枝生长速度较慢,主要影响聚烯烃绝缘电力电缆的寿命;电树枝生长速度较快,主要影响电缆的可靠性。在高频恒定电压(15k V、20k V)下研究交联聚乙烯电缆中水树枝的生长规律,发现聚烯烃绝缘中的水树枝或电树枝存在相互转化的可能性。试验结果表明:干燥的水树枝引发电树枝的几率最高,湿润水树枝引发电树枝的几率最低,水树枝会影响电缆绝缘的可靠性。     

XLPE电缆绝缘中电树枝生长的阶段性特性实验研究

本文研究发现,XLPE电缆绝缘中电树枝的生长过程多数呈阶段性特征,并且在较低的电压频率下伴随着两种不同的电树枝结构。但在较高的电压频率下电树枝生长的阶段性不甚明显,并且仅仅存在一种电树枝结构。本文最后分析了产生这个实验现象的原因。