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。     

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。     

交联聚乙烯绝缘空间电荷研究进展

综述了国内外关于交直流电场下交联聚乙烯(XLPE)绝缘的空间电荷特性的相关研究,从空间电荷的产生和测试、场强和温度对空间电荷分布的影响、微观形态和处理工艺对XLPE绝缘内空间电荷积累的影响、XLPE绝缘老化特性与空间电荷分布的关系等论述了XLPE绝缘空间电荷的研究进展,最后指出空间电荷测试技术为XLPE电缆绝缘状态评估提供了可行的手段。     

10kV交联聚乙烯电缆本体交流电压下空间电荷测量

由于交流电压下的空间电荷在交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘老化过程中起到非常重要的作用,采用新研制的基于电声脉冲(PEA)法的空间电荷测量系统,对10 k V XLPE电缆本体在工频交流电压下的空间电荷进行测量。提出一种采用最高频率为200 Hz的继电器产生高压窄脉冲以及控制脉冲施加到固定工频相位的方法,实现一个工频周波下每隔22.5°为1个测试点,共计16个不同相位的空间电荷信息采集。结果表明:在外施交流电压90°和270°相位处测得的PEA信号峰幅值最大,在0°和180°相位处峰幅值最小。     

工频电压下电缆本体的空间电荷测试

采用新的相位匹配方法,研制了交流电压下交联聚乙烯电缆本体的空间电荷测量装置。利用该装置进行了两组实验,以研究电缆的交流空间电荷特性。一是对电热老化90 d后的XLPE电缆进行2 h交流极化实验,二是对现场运行15年的电缆进行384 h温度梯度场下交流老化实验;在加压的过程中同时测量空间电荷。实验发现,工频50 Hz电压下电缆内部存在空间电荷;两组实验刚施加电压后,绝缘内部迅速出现随相位呈周期性变化的电荷;在第二组实验长时间老化过程中绝缘内部逐渐积累出不随相位变化的固定电荷。对于第一组实验,绘制总电荷量随交流相位的变化曲线,发现电压下降阶段的电荷多于对应相位的电压上升阶段的电荷,0°的电荷多于180°的电荷。该现象表明电荷复合滞后于电压下降,也间接证明了交流电压下空间电荷的存在。     

电荷陷阱对XLPE绝缘电老化特性的影响

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由于良好的电气性能而常被用作高压直流电缆的绝缘材料,但其内部缺陷形成的电荷陷阱会导致空间电荷积聚,从而加速绝缘材料的电老化。文中基于电荷陷阱对XLPE电缆绝缘电老化的影响,研究了电荷陷阱在XLPE电缆绝缘电老化过程的作用机理,并运用自由能增量理论定量地分析了电荷陷阱对电老化的影响。将电缆样品进行热老化预处理,得到具有不同电荷陷阱参数的XLPE样品,对其进行空间电荷测试和步进应力实验,验证了空间电荷陷阱和电老化进程之间的关系。结果表明,在XLPE电老化过程中,浅陷阱密度与材料的电老化速率正相关,而深陷阱对电老化过程起抑制作用。     

10 kV交流XLPE电缆加速热老化后交直流绝缘特性分析

通过对比110℃加速热老化后10 kV交流交联聚乙烯电缆试样交直流绝缘特性的差异,采用不同温度下宽频介电谱、交直流击穿、直流电导率和空间电荷测试,结合有限元仿真,研究了不同热老化时间作用下10 kV交流XLPE电缆绝缘的交、直流电气特性,以及改为直流运行后电缆绝缘的电场分布。结果表明：随着热老化时间的延长,XLPE试样的复介电常数实部先增加后增速减慢,高频区介质损耗逐渐增加;试样的电流密度先减小后增加,空间电荷积累阈值场强则呈相反变化趋势,且试样内的空间电荷积累逐步由异极性转变为同极性。随着测试温度的增加,同一老化时间下XLPE试样的介电常数实部减小,介质损耗增加;试样的电流密度增加,阈值场强减小,试样内部空间电荷积累量有所增加,交直流击穿场强下降。直流电压下,绝缘层在靠近缆芯处电场高,电场差值随绝缘试样活化能的减小而增加。长期热老化后,电缆绝缘层的直流电场分布更均匀,且空间电荷积聚问题得到改善,有利于提升10 kV交流电缆改为直流运行的可靠性。     

交联聚乙烯电缆空间电荷与理化性能的关系

针对高压交联XLPE电缆,通过对未老化、加速老化1年和实际运行30年的电缆绝缘的空间电荷特性、力学性能及理化性能进行研究,分析了老化过程中电缆绝缘空间电荷分布与理化性能之间的关系。结果表明:沿电缆径向由内向外,未老化电缆电荷积累量增加,加速老化1年的电缆电荷积累量呈下降趋势,实际运行30年的电缆电荷积累量上升。结合力学性能及理化分析认为,加速老化电缆绝缘老化起始于绝缘内侧,并且影响到绝缘中间部位;而实际运行30年的电缆绝缘老化起始于绝缘外侧。     

直流电老化对160kV直流电缆材料空间电荷分布特性的影响分析

本研究对160 k V直流电缆切片在40 k V/mm的高直流电场下进行电老化试验,采用电声脉冲法(PEA)对电老化前后的空间电荷分布特性进行了研究,并对XLPE在直流电场下的老化机理进行分析。结果表明:电老化导致直流电缆绝缘的同极性空间电荷注入现象增强,空间电荷向绝缘内部迁移。随着老化时间的增加,空间电荷总量以及电荷陷阱深度增加,电荷脱陷过程变得更加困难。在整个老化周期内未发现异极性空间电荷,表明虽然试样内空间电荷量有所增加,但其老化程度并不严重,大部分XLPE分子链保持完整,说明160 k V直流电缆材料具有较强的空间电荷抑制能力及耐老化特性。     

热老化对交流配电XLPE电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响

为了研究热老化对交流配电交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响,先对已运行两年的10kV交流XLPE电缆样段进行135℃加速热老化试验,随后采用车床和特质刀具将电缆样段沿轴向环切得到薄片试样,通过直流电导率、空间电荷测量、表面电位衰减和直流击穿测试,结合载流子迁移率、活化能和陷阱参数的计算,对老化前后交流配电XLPE电缆的直流绝缘性能进行研究.结果 表明:随着老化时间的增加,交流XLPE电缆绝缘试样的直流电导率和载流子迁移率先下降后上升,长期老化后空间电荷积累阈值场强与试样的活化能明显减小,试样的直流电导率随着测量温度的升高而增加,其空间电荷积累阈值场强随着测量温度的升高而减小;随着老化时间的增加,试样中积累的空间电荷由异极性转变为同极性,深陷阱数量与直流击穿场强均呈现先上升后下降的趋势;分析认为短期热老化有利于提高交流配电XLPE电缆改为直流运行后的直流绝缘性能.     

Understanding treeing phenomena and space charge effect in gamma-irradiated XLPE cable insulation

In the present work, electrical trees were experimentally generated in virgin and gamma-irradiated XLPE cable insulation, under AC voltages. Fibrillar type of electrical tree structure forms from the defect site in gamma-irradiated specimens. Failure times due to electrical trees were analysed by adopting Weibull distribution studies. The results of the study indicate that gamma-irradiated specimens, where the rate of tree propagation is high, causing early failure of insulation. Pulsed electro acoustic emission (PEAE) technique was adopted to understand the space charge formation in XLPE cable insulation. The results of the study indicate that homo and hetero charges form near to the electrodes especially in gamma-irradiated XLPE cable insulation. Variations in space charge density at different voltage magnitudes with time were analysed. It is observed that the electric field in the insulating material becomes highly non-uniform on occurrence of hetero charges. It is also realized that on removal of applied voltage, the charge decay is less with gamma-irradiated specimens. Based on the present study, it could be concluded that Space charge density in insulating material and life of insulating material due to electrical tree formation shows inverse relationship.     

Space charge in XLPE power cable under dc electrical stress andheat treatment

It is well known that the existence and accumulation of space charge in insulation can be harmful to polymer power cable. Although there is much research done on space charge distribution in various samples, there are still some important problems left unsolved, such as the mechanism of formation and elimination of space charge in dielectrics. Because of its superiority, the pulsed electro-acoustic (PEA) measurement method is used widely in the measurement of space charge in various geometries of samples such as the multiple layer plate and cylindrical cables. The space charge in crosslinked polyethylene (XLPE) power cable under dc voltage and heat treatment is investigated by the PEA method in this paper. After heat treatment, the space charge, which previously formed in cable insulation under the applied voltage, disappears. If electrical stress is applied to the insulation again, space charge will appear once more. However, after the cable is heated and degassed in vacuum for a long time, no matter how long the dc voltage is applied to the cable, no more space charge will be formed in the cable. The mechanism of formation and elimination of space charge under the effect of electrical and thermal stress is discussed     

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。     

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。     

高压XLPE电缆绝缘多参数在线监测

建立了在交流电压作用下高压交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘的参数模型,并分析了电缆绝缘劣化时绝缘参数的外在表现.提出通过监测XLPE电缆的工作绝缘电阻、等值电容、介质损耗因数及各参数的变化趋势来综合评定电缆的绝缘状况.并分析了该方法的有效性及合理性.设计了高压XLPE电缆在线监测装置.在数据处理方面,采用基于LM(Levenberg-Marquardt)算法的非线性最小二乘拟合法对采样信号进行拟合,将信号进行快速傅里叶变换得到的谐波分析结果作为LM算法的迭代初值,并利用拟合结果计算出电缆绝缘的被监测参数.仿真分析表明,该算法收敛速度快、精度高,能很好地抑制电网频率波动、直流分量以及谐波含量对被监测参数的影响.     

挤包绝缘高压直流电缆应用现状与研究展望

挤包绝缘高压直流电缆已成为远距离、大容量输电线路建设的主要装备之一,现阶段广泛应用的挤包绝缘直流电缆以交联聚乙烯(XLPE)绝缘为主.针对XLPE绝缘高压直流电缆研发和应用中的绝缘空间电荷特性、副产物脱气等主要问题进行全面综述,指出在工业化生产方式下,超纯净体系XLPE绝缘材料是目前用来缓解空间电荷问题和实现电缆批量化...     

XLPE电缆交流工况下雷电冲击作用的起始放电特性实验研究

应用针—板电极系统模拟高压交联聚乙烯（以下简称ＸＬＰＥ）电缆绝缘中的杂质和半导体层中的凸起物等因素引起的电场不均匀现象,通过实验探讨了在交流电压和冲击电压共同作用下ＸＬＰＥ电缆电树枝老化时起始放电电压特性。     

35 kV及以下XLPE电力电缆试验方法的研究

通过对交链聚乙烯（ＸＬＰＥ）电力电缆试品的工频、０．１Ｈｚ超低频和振荡３种击穿电压的平行比对试验研究,探讨能够有效发现、判别ＸＬＰＥ电力电缆运行故障隐患的试验方法,试验研究结果表明：振荡波电压试验能够有效地发现电力电缆及其附件的制造和安装质量缺陷,超低频电压试验能够有效地发现电力电缆及其附件绝缘树枝状早期劣化缺陷;工频电压试验是一种较好的方法,需进一步深入研究。     

From LDPE to XLPE: investigating the change of electrical properties. Part I. space charge, conduction and lifetime

This paper discusses the results of space charge, conduction current and electrical lifetime measurements performed on widely-used materials for electrical insulation, that is, low density polyethylene (LDPE) and cross-linked polyethylene (XLPE). Space charge accumulation profiles were compared in LDPE, low density polyethylene plus antioxidant (LDPE+AO) and XLPE, with consideration of thermal treatment effects in LDPE and XLPE. Significant variation (decrease) of accumulated space charge and apparent mobility, as well as slight decrease of conduction current, can be seen going from LDPE to LDPE+AO and XLPE, which may be associated with formation of deeper trap levels (or an increase of their density). On the contrary, electrical life under AC voltage does not show significant differences from LDPE to XLPE. This latter result underlines that life under high AC electrical stress is mostly determined by defects (weak points) rather than material characteristics associated with charge injection and transport.     

±320kV直流电缆交联聚乙烯/三元乙丙橡胶附件击穿特性

高压直流电缆接头与终端为电缆系统故障的多发点,其击穿强度为直流输电系统安全稳定运行的重要基础。文中以±320 kV高压直流海底电缆中交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)/三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)附件为研究对象。首先,研究电缆及附件负荷循环耐压试验,发现附件界面为击穿薄弱环节;其次,研究绝缘材料电导率随温度变化特性对电场分布的影响规律,通过有限元仿真模拟电缆空载和满载运行时附件的温度分布与电场分布,发现最大电场出现在电缆绝缘靠近附件应力锥一侧,为29.5 kV/mm,低于附件材料的击穿场强;最后,研究界面在直流电场下空间电荷特性对电场分布规律的影响,通过电声脉冲法测试复合叠层片状样品介质界面的空间电荷及其电场分布,发现场强畸变率约为100%~200%。同材料本征绝缘匹配相比,界面空间电荷积聚对附件内部电场造成的畸变程度更严重,在后续附件提升中应更注重开发抑制空间电荷的绝缘材料。