XLPE电缆的热–振动联合老化试验测试与分析

在桥梁、桥架等振动条件下运行的交联聚乙烯(XLPE)电缆线路,击穿故障多发生在支架附近的XLPE绝缘上,这可能是由于振动导致的XLPE绝缘劣化进一步加剧所导致。而目前没有对XLPE电缆绝缘在热–振动条件下的老化失效机理和运行状态评价的研究。因此,在分析电缆线路运行特点及电缆故障的基础上,通过构建XLPE电缆的热–振动联合老化试验平台,在试验平台上对XLPE电缆施加负荷电流和机械振动,同步开展热–振动联合老化和单一热老化试验。通过对1 440 h老化时间下的XLPE电缆绝缘取样分析,获得热–振动联合老化、单一热老化及未老化电缆的XLPE绝缘材料的力学性能、介电性能及微观结构的差异性,以分析振动对XLPE绝缘性能及电缆运行特性的影响。试验结果表明:热–振动联合作用下XLPE材料的氧化速率和程度均大于单一热老化条件下的数值,机械振动加速了XLPE绝缘层的老化。该研究成果可为振动运行条件下XLPE电缆线路的运行状态评估提供技术支持,具有实际工程应用价值。     

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。     

色泽改变对超高压电缆接头绝缘性能的影响

考察超高压(EHV)交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆接头绝缘色泽改变的原因对电缆系统故障分析有重要意义。分别采用有限元法分析接头电–热场分布,采用差示扫描量热法(DSC)分析电缆绝缘热历史,采用气相色谱法(GC)和裂解气相色谱法(PYGC)分析电缆及接头绝缘化学成分。并开展接头密封剂渗透性试验,研究电缆及接头绝缘机械性能和耐电强度。试验结果表明:电–热老化不是造成接头绝缘色泽改变的唯一因素。接头密封剂渗入也可以导致该现象,该原因引起的绝缘色泽改变不会导致其耐电强度和机械性能劣化。试验研究结果为EHV XLPE电缆接头故障性质判定和产品生产指导提供了借鉴。     

柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计

重点探讨了柔性直流电缆绝缘料及电缆的结构设计。分析指出,空间电荷问题是柔性直流电缆绝缘急需解决的难题,电缆绝缘空间电荷测量装置的研制及空间电荷陷阱能量分布的测量均有助于空间电荷问题的研究。添加纳米填料抑制交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中空间电荷时,可以通过表面物理或化学修饰等改性手段解决纳米粒子与XLPE的相容性问题。文中指出,柔性直流XLPE电缆绝缘中电场分布与体积电阻率呈正比分布,而电阻率取决于温度和场强。由于受到空间电荷的影响,运行中柔性直流电缆经受的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键因素。最后,提出了开发高载流90℃工作温度绝缘料,并设计出绿色环保的高压、超高压陆地和海底电缆结构。     

基于温升试验的10kV交联聚乙烯电缆冷缩终端热分析

冷缩终端已被广泛应用于10 kV交联聚乙烯(XLPE)电缆线路,分析并掌握其运行特性是评估电缆运行状态的重要一环,也是实现电缆线路运行状态检修的基础。为此,设计了电缆温升试验平台,采用1种常用的10 kV XLPE电缆冷缩终端,实测了不同载流量条件下电缆终端单相的热稳态温度分布,依据传热学理论推算出等值的电缆终端护套层导热系数为0.024 W/(m·℃)。并建立了电缆终端单相的传热学数学模型,对理论计算和3维建模仿真结果与试验实测结果进行分析对比。试验结果、理论计算和仿真结果均表明:护套内层和外层的热稳态温度随电缆的载流量增加均呈非线性递增关系,这验证了模型的正确性,因此可使用此模型预测和分析实际10 kV电缆冷缩终端热稳态时的温度分布。     

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。     

交联聚乙烯绝缘高压直流电缆电场分布计算

为设计交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆的结构,在实验基础上总结出进口高压直流电缆XLPE绝缘材料的电导特性方程,利用COMSOL Multiphysics软件通过电场和热场耦合仿真计算了电缆在不同负荷下的电场分布。研究表明,在电场强度较低和较高时,进口高压直流电缆XLPE绝缘材料的电导率随温度变化明显,电场强度变化几乎不对其产生影响;在某一电场强度范围内,温度和电场强度的改变均会使XLPE的电导率发生明显变化,该场强范围随温度而变化;所设计高压直流电缆在两种敷设环境下100%负荷时电场分布均匀;在电缆传输电流较大时,电缆XLPE绝缘内的温度梯度增大,电缆绝缘外表面处电场强度最大。基于有限元法的多物理场耦合仿真计算是研究XLPE绝缘高压直流电缆电场分布的有效手段。     

柔性直流输电系统用直流交联聚乙烯绝缘电缆导体最高温度提高到90℃的可行性

以实际直流交联聚乙烯(DC XLPE)电缆工程设计示例,表明将柔性直流输电(VSC)系统用DC XLPE电缆的导体的最高运行温度提高到90℃,其技术经济效果显著。按DC XLPE电缆抑制空间电荷要求,阐明DC XLPE电缆绝缘的直流恒定电流电场中空间电荷密度与绝缘温度梯度和XLPE绝缘的体积电阻率的温度系数成正比而与导体最高温度不直接相关。通过合理的DC XLPE电缆工程设计和正确选用DC XLPE电缆,可以在提高DC XLPE电缆传输功率和减小绝缘温差抑制空间电荷方面取得优化结果。320 kV及以下XLPE电缆在导体最高温度90℃下运行,绝缘损耗远低于导体损耗,DC XLPE电缆发生热不稳定的可能性很低。对VSC系统用DC XLPE电缆导体运行温度提高到90℃的可行性表示肯定的意见,对实现目标提出具体的措施建议。     

典型敷设环境下超高压海底电缆的热特性

典型敷设环境下超高压(extra-high voltage, EHV)交联聚乙烯(crosslinking polyethylene, XLPE)绝缘海底电缆系统的热特性研究对线路、性能优化和电网安全均有重要意义。首先采用有限元法分析了典型敷设环境下海底电缆的热场分布,然后以2条500 kV XLPE海底电缆为试验线路,在敷设环境为直埋、隧道内、穿管内和空气中,持续运行1年,得到了4种典型环境下海底电缆系统沿线的温度分布。研究结果表明:环境温度约为0～10℃时,穿管段的温度最高;环境温度约为10℃时,穿管段或空气段的温度最高且相近;环境温度约为10～40℃时,空气段的温度最高;穿管段和空气段是海底电缆系统实时温度测控的关键点和工程应用的薄弱点。该研究可为海底电缆系统的优化设计和运行维护提供借鉴。     

高压及超高压XLPE电缆户外终端设计

电缆户外终端是高压及超高压XLPE电缆投入电网运行时必不可少的附件,其质量的好坏直接影响到电网线路的运行.对影响户外终端的界面压力、电场强度分布和机械力等3个方面进行理论阐述.     

高压交联聚乙烯电缆绝缘劣化试验分析

为掌握运行多年的交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘劣化状况及出现劣化的原因,采用热重法、红外光谱、机械强度试验分析了退运的14条110 kV和220 kV XLPE电缆绝缘。研究了电缆绝缘材料的热稳定性、物质成分及机械性能与电缆绝缘劣化的对应关系,并分析了14条退运电缆历史运行数据。结果表明,14条退运电缆中,有4条电缆绝缘出现了劣化,而这些电缆都经受过穿越故障电流或外部高温;起始分解温度、羰基指数、断裂能对表征XLPE电缆绝缘的劣化状况有很好的一致性,当绝缘出现劣化时,其起始分解温度降低、羰基指数升高、断裂能减小;交联电缆经受大的故障电流冲击或外部高温,都会加快绝缘的劣化。     

长期服役XLPE电缆绝缘的空间电荷与热性能

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)具有良好的电绝缘性能,被广泛用于高压电缆的绝缘材料,但长期服役会使电缆绝缘遭受不同程度的老化,降低绝缘性能,造成供电故障。为了评估不同运行年限XLPE的绝缘老化状态,进行了陷阱参数、空间电荷、表面化学组成、热性能以及介电性能的测试与分析。结果表明,XLPE电缆随运行年限的增加,表面电位衰减速率和电荷陷阱密度逐渐增加;而且新电缆积聚异极性电荷,以深陷阱为主;运行过的电缆积聚同极性电荷,以浅陷阱为主。DSC测试获得的熔融–结晶性能结果显示随着运行年限的增加,XLPE电缆绝缘结晶度降低,使载流子更易在试样内部形成击穿通道;此外,浅陷阱对电荷的捕获能力较弱,导致材料的击穿场强降低。交联副产物的变化和羰基的形成使得电缆老化或故障时绝缘材料的浅陷阱密度增加。总之,随着服役年限的增加,XLPE电缆绝缘出现明显劣化,产生C=C键、C=O以及—OH等极性基团和物理缺陷形成新的陷阱,增加了介质的浅陷阱密度,降低了绝缘的击穿性能。     

交流电场下XLPE绝缘空间电荷研究综述

XLPE电缆目前广泛地应用于电力系统中,如何评估和预测现场运行电缆的老化及早期劣化的程度,是电缆绝缘状态评估的重要内容,然而这项研究在国内仍是空白。XLPE电缆的制造工艺过程、运行中的过电压和温升以及耐压试验过程都可能造成XLPE电缆绝缘特性的改变,导致绝缘性能下降,形成陷阱,特别是空间电荷的形成,畸变原有电场分布,直接影响XLPE电缆的绝缘特性。大量研究表明,在直流电场下空间电荷危害XLPE电缆绝缘,关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的探索较少。综述了交流电场下空间电荷效应对XLPE电缆绝缘影响的相关研究成果,并介绍了测量固体介质空间电荷分布的电声脉冲法,为从空间电荷测量角度研究XLPE电缆绝缘老化程度和状态评估提供了参考。     

基于电磁-热场耦合的10 kV电缆接头仿真分析

电缆接头作为电缆系统中的绝缘薄弱环节,在制造和长期运行过程中可能会形成绝缘缺陷,导致电缆绝缘发生电气或热击穿,进而造成电力系统故障。采用多物理场仿真软件构建了10 kV交流XLPE电缆接头的三维仿真模型,模拟了电缆本体与接头周围的电场、磁场及热场分布,分析了造成电缆本体与接头处不同电磁 热场分布的原因,为电缆接头的优化设计提供了参考依据。     

大容量长距离交流XLPE电缆交接试验方法

随着交流交联聚乙烯(XLPE)电缆电压等级和线路长度的增长,常用的谐振耐压试验等方法难以满足新建超高压、长距离电缆线路的交接试验需求。从国内外现行试验标准出发,梳理了不同电压等级交流XLPE电缆交接试验方法和规程;对比了国内外研究和实际运行经验,分析了交接试验中不同电压类型的局限性;最后,通过对比量化评价了振荡波方法的优势,并指出在实际应用中振荡波方法需注意的问题。研究对比了不同类型试验电压在交流XLPE电缆绝缘状态评估中的有效性和等效性,可为大容量长距离交流XLPE电缆交接试验方法的选择提供参考。     

基于FPGA的XLPE电缆局部放电在线监测技术

交联聚乙烯（XLPE）电缆在运行过程中,电缆绝缘老化会影响电力系统运行的安全性和连续性。基于现场可编程门阵列（FPGA）实时数据采集技术,研制出可应用于XLPE电力电缆运行状态现场的局部放电在线监测新技术,可以对其故障进行预警并预防更严重的绝缘故障的发生。     

交联聚乙烯挤出绝缘高压直流电缆全工况运行考核及温度梯度下空间电荷测量

为深入研究分析不同运行负荷条件下交联聚乙烯(XLPE)挤出绝缘高压直流电缆绝缘层温度梯度对空间电荷和电场分布的影响,综述了现有直流电缆试验标准及评估方法,并介绍了高压直流电缆全工况运行考核控制系统和全尺寸电缆空间电荷测量系统的研制过程,以及均匀温度和不同绝缘层温差条件下某高压直流电缆及附件样品考核试验和空间电荷测量结果。该系统电缆绝缘层内外最大试验温度差为40℃,可以实现对绝缘厚度达16 mm的高压直流电缆在运行工况下进行空间电荷测量。在控制绝缘层温度梯度条件下,靠近温度较低的外半导电层处异性电荷聚集明显,且随绝缘层温差增大电荷密度大幅增加,低温区界面电场畸变严重。在绝缘层温度差为40℃时,低温区界面场强达到均匀温度条件下平均场强的1倍。     

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。     

交流XLPE电缆改为直流运行时空间电荷积累特性仿真

将交流电缆线路改为直流运行可以充分利用原有输电线路走廊,最大限度地发挥原有输电线路的输送能力。为研究交流交链聚乙烯(XLPE)电缆在直流电压下的电场分布和空间电荷积累特性,应用COMSOL多物理场仿真软件,模拟了温差为25℃及45℃时电缆绝缘层中的温度场,并基于绝缘试片电导率数学模型,研究了66 kV电压等级交流XLPE电缆在直流电压下的电场分布和空间电荷积累特性。计算结果表明:电缆绝缘层的电场分布和空间电荷积累特性会明显受到温差的影响,当温差为45℃、加压时间为8 h时,低温侧空间电荷密度达0.15C/m~3,此时电场分布发生翻转现象,绝缘层外侧电场强度最大值为6.71 MV/m,该数值低于66 kV电压等级交流电缆绝缘层的电场强度设计值。仿真结果为66 kV电压等级电缆线路的交改直运行奠定了基础。     

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。