XLPE电缆在不同温度下的力学响应对水树生长的影响

为认识在不同温度下交联聚乙烯(XLPE)电缆受机械应力作用对水树生长的影响,研究了XLPE薄片样本在低温和高温下受机械应力作用时其中的水树生长特征并进行了理论分析。对两组XLPE样本分别采用冷/热扎孔两种方式制造针孔缺陷,并对两组样本进行加速水树老化实验,利用光学显微镜观测老化样本中的水树形态和尺寸。此外,分别利用偏光显微镜和红外光谱仪检测冷/热扎孔两种未老化样本中XLPE材料的取向情况,并研究不同温度下XLPE样本的力学响应及其对水树生长的影响。结果表明,在热扎孔未老化样本针孔一侧存在取向的倾斜应力纹。而在热扎孔老化样本针孔一侧出现和热扎孔未老化样本中倾斜应力纹十分相似的倾斜水树,且其长度显著高于冷扎孔老化样本针孔侧面的水树长度。基于高聚物的力学取向理论,XLPE材料的力学取向是导致出现倾斜水树的重要原因。温度升高时XLPE材料的屈服强度降低,更有利于力学取向。材料取向后,其中的水树生长方向将在很大程度上取决于取向方向,且水树生长沿取向方向加速,从而导致出现更大尺寸的倾斜水树。     

电缆的机械弯曲对绝缘层中水树生长的影响

为了研究电缆机械弯曲对其绝缘中水树生长的影响,对不同弯曲程度的交联聚乙烯(XLPE)电缆中的水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极老化法,分别对不弯曲、弯曲程度较小和弯曲程度较大的3组电缆样本进行加速水树老化实验。经过28天加速老化后,分别对3组电缆样本进行切片,利用显微镜观察水树形态,并对水树尺寸进行测量统计。同时,结合XPLE材料在机械应力作用下的取向行为,对实验结果进行理论分析。结果表明:随着电缆弯曲程度逐渐增加,其绝缘外侧的水树形态逐渐由半圆形变为圆锥形,并且水树长度和宽度之间的差异逐渐增大。且弯曲程度越大,水树宽度超过长度越多。分析认为当电缆达到一定的弯曲程度时,其绝缘外侧的局部机械拉力将超过XLPE的屈服强度,从而导致材料分子链发生力学取向。取向后材料呈现各向异性,沿取向方向的水树生长将得到促进,而垂直于取向方向的水树生长将受到抑制,从而导致圆锥形水树的出现。     

冷热两种扎孔方式下交联聚乙烯电缆中的水树生长特征

为了进一步认识机械应力对交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树生长的影响,研究了XLPE薄片试样在不同温度下受机械应力作用时的水树生长特征。对XLPE试样采用冷扎孔和热扎孔两种方式制造针孔缺陷,并对试样进行加速水树老化实验。利用偏光显微镜观测未老化试样针孔周围XLPE材料的形态,并通过显微镜观测老化试样中的水树形态。结果表明:热扎孔试样中存在明显倾斜的应力纹,且热扎孔老化试样中存在和应力纹形态相似的倾斜生长的水树枝。基于高聚物在不同温度下的力学响应特性,温度升高时XLPE材料的屈服强度降低,在较小的机械应力作用下发生取向,进而导致倾斜的水树枝出现。     

有限元法分析交联聚乙烯电缆水树生长机理

为了研究交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树的生长机理,采用水针电极、高频高压的方法对XLPE薄片试样进行加速水树老化实验,通过显微镜观察经硅油加热处理前后的水树形态,构建有限元仿真模型,分析水树生长与电-机械应力的关系,并建立了水树生长的数学模型。结果表明:电-机械应力是导致水树生长的主要原因。在交变电场的作用下,环境中的水分在电缆绝缘中的杂质或缺陷处聚集,形成一系列充水微孔,并对其周围XLPE材料形成交变的Maxwell应力,导致XLPE分子链因应力疲劳而发生断裂,疲劳断裂的累积导致微孔体积增大、数量增多,这些微孔通过水树通道相连形成树枝状的水树形态。     

一种加速XLPE电缆水树老化的新型水电极法

基于原有的水电极老化方法,提出了一种能有效加速XLPE电缆绝缘中水树生长的新型水电极法,并针对该方法的老化机制进行了讨论。采用改进后的新型水电极法老化XLPE电缆制作水树样本,测量老化过程中电缆样本的介质损耗正切角(tanδ)的变化。利用光学显微镜、红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)分析电缆样本中水树的微观结构和形貌变化,提出相应的微观老化模型。结果表明:采用改进后的水电极法生成的水树尺寸和微观形貌差异较小,水树长度在300~400μm之间,水树形貌为团状,水树缺陷内部微孔或通道的直径在几微米到几十微米之间。采用新型水电极法老化的电缆试样稳定有效,可生成符合典型结构和特征的水树,为进一步研究电缆绝缘老化机理提供了可靠的保证。     

XLPE在电场作用下的取向对温度变化条件下水树生长的促进作用机理

为了深入理解温度变化对交联聚乙烯(XLPE)运行电缆中水树生长的影响,该文揭示了温度转换条件下(高温转低温或低温转高温)XLPE试样中水树出现加速生长的行为。在恒温和温度转换两种条件下对一组XLPE样本分别进行加速水树老化实验,通过显微镜对比观测了两种条件下的水树形态及尺寸。同时对另一组XLPE样本在0℃恒温和0℃转60℃条件下进行电压老化实验并检测此组样本的取向度。显微测试结果表明:0℃转至60℃条件老化样本中的水树尺寸显著高于0℃恒温条件老化样本中的水树尺寸。取向度检测结果表明,0℃转至60℃条件下进行电压老化样本中的水树区域存在取向。基于高聚物的取向理论,在0℃条件下进行水树老化时,水树及其前方一定区域的分子链段在电场力作用下发生取向。而当试样从0℃转至60℃时,在一定时间内水树及其前方区域的局部分子链段保持取向。在更为剧烈的分子热运动作用下,取向的分子链段之间更容易发生疲劳断裂,从而显著提高了水树的生长速率。这表明在许多温度交替变化的地区可能存在水树加速生长现象。     

以分子链疲劳断裂理论理解XLPE电缆绝缘水树生长规律

为研究XLPE电缆绝缘中水树的生长规律,对不同老化时间下XLPE材料的水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极法加速电缆绝缘水树老化,利用光学显微镜和扫描电镜观察不同老化时间下电缆水树的微观结构特征,并对水树尺寸进行测量统计。结果表明:不同老化时间下的水树形态和尺寸均存在明显差异,随着老化时间的增加,水树枝变得密集,染色区域颜色变深。在电机械应力作用下XLPE分子链疲劳累积断裂,水分以密集充水细枝的方式向四周辐射扩散,逐渐形成水树通道和微孔,随着通道和微孔数量的增加,水树逐渐变长。     

XLPE粘弹性与水树自恢复后微观形貌变化的关联

为研究交联聚乙烯(XLPE)绝缘内部水树自恢复后的微观形貌变化与其粘弹性对水树自恢复的影响机制,室温下(20℃)对2组XLPE样本分别施加有效电压老化时间均为21天的持续性老化与周期性老化。实验结果发现:相较于持续性老化样本,周期性老化样本中水树产生了自恢复现象,其水树样本尺寸较短,而扫描电镜(SEM)观察到其水树区域的微孔却尺寸相对较大,分布也较为密集。通过动态热机械分析(DMA)测试和电场仿真,表明交变电场下XLPE内部弹性能量的不断累积与形变的逐渐增大,直至超过其弹性极限时将导致水树生长。周期性电压老化下的水树样本在撤去电压后,水分逐渐渗出水树区域,储存在水树通道和微孔内部的弹性能量逐渐消失,从而导致其水树尺寸明显小于持续电压老化下的水树样本。此外,老化过程中,水分多次重复进出已有的水树区域,对周围的XLPE基体造成机械疲劳损伤,是导致周期性老化样本水树区域微孔尺寸较大,分布密集的原因。     

抗氧化剂对水树老化XLPE电缆绝缘修复效果的影响研究

为研究抗氧化剂对交联聚乙烯(XLPE)水树老化电缆绝缘修复效果的影响,采用两种不同配方的修复液对水树老化电缆进行修复后,再次进行30天水树老化,分析老化后电缆的微观结构及电气性能变化情况。结果表明:相比未修复水树样本,修复样本水树长度明显减小,且添加了抗氧化剂的修复样本水树长度最小;修复后电缆样本的击穿电压明显提高,且含抗氧化剂修复电缆样本的击穿电压最高。这是因为抗氧化剂能够有效抑制水树生长中的分子链断裂氧化过程,从而抑制水树的进一步生长。     

基于水树微观结构特征的水树老化电缆PDC支路参数特征

为了研究水树老化电缆极化-去极化电流(polarization and depolarization current, PDC)支路参数变化特征及原因,分析了水树微观结构特征,并揭示了水树微观结构对电缆PDC支路参数的影响。对短电缆和长电缆样本进行加速水树老化,利用PDC检测样本极化–去极化电流,并计算老化样本Debye模型三支路参数。利用光学显微镜观测短电缆样本中的水树形态,利用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观测水树区域微观形貌。PDC三支路参数辨识结果表明,水树老化样本第3支路时间常数显著高于未老化样本。另外,第3支路电容增加量高于电阻减小量。微观观测结果表明水树区域存在大量孤立微孔,分析认为,水树生长将造成材料分子链断裂及形成大量微孔–XLPE界面,导致材料偶极极化时间及界面极化时间增长,样本第3支路时间常数显著增大。另外,水树区域存在大量孤立微孔,其限制了离子在水树区域的运动,从而导致样本第3支路电容增大量高于电阻减小量。     

基于有限元法和疲劳理论的电缆水树老化机理

针对电缆水树老化问题,本文通过水针电极老化法加速XLPE绝缘水树老化,研究水树的微观形态,并建立了基于电场仿真和材料疲劳断裂理论为基础的水树老化模型。研究结果表明:Maxwell应力作用下的XLPE分子链会发生疲劳,疲劳累积导致分子链断裂形成微孔和裂纹,随着疲劳断裂的发展及水分的积累,逐渐发展形成相互连接的充水微孔和细枝,并最终发展形成水树。     

交联聚乙烯水树老化电缆电气性能与水树区域含水量的关系

为了深入了解交联聚乙烯(XLPE)水树电缆电气性能的变化特征,利用极化-去极化电流法测量老化电缆样本不同老化时期的直流电导率和0.1 Hz介损,并使用显微镜和红外光谱仪观测老化电缆样本水树区域含水量,研究不同水树老化时期的电缆电气性能和水树生长之间的关系。研究表明,老化电缆的电气性能和水树长度不呈正相关关系,而和水树区域含水量具有密切关系。     

一种新的加速XLPE薄片水树老化的方法及其研究

基于原有的XLPE薄片水树老化方法,提出了一种能有效加速XLPE材料中水树生长的新型老化方法,然后对XLPE薄片进行加速水树老化实验,并对比分析实验结果。利用光学显微镜和扫描电镜观察薄片样本中的水树微观形态,并统计其长度。搭建水树老化的微观模型,并进行电场仿真分析。结果表明:采用新的老化方法可在短时间内有效培养出符合实际工业运行电缆中的水树,生成的水树长度和微观形貌差异较小,并且可以培养出非独立多棵水树;对于非独立多棵水树,其单棵水树的宽度变窄,重叠区域的水树枝密度与未重叠区域一致,水树长度集中在800μm左右,水树尺寸分散性较小,生成的水树符合"珍珠串"的典型结构。仿真结果显示:水树内部存在的电场屏蔽效应使成片水树重叠区域的水树枝密度与未重叠区域一致,单棵水树与非独立多棵水树前端的电场强度一致,交界处受到的Maxwell应力相同,产生的横向应力和纵向应力一样,对XLPE分子链的撞击力一样,引起的分子链疲劳断裂相同,因此水树长度相近。     

有机硅修复后水树电缆在电热老化下的电气性能和微观结构变化

为了研究电缆水树修复的长期效果,对修复和未修复的水树老化电缆样本进行了电热协同老化,对比分析了2组电缆样本的电气性能和微观结构变化。利用加速水树老化实验平台,采用水针电极老化法在交联聚乙烯(XLPE)电缆样本中生成了水树缺陷,对其中1组样本进行了注入式修复,对另1组样本则不做处理,之后利用电热协同老化实验平台对2组样本同时进行了电热老化。对电热老化前后样本的显微镜观测结果表明,电热老化2周时间后,修复样本的水树整体尺寸明显小于未修复样本;介质损耗因数的测试结果表明,电热老化2周时间后,修复样本的绝缘性能远高于未修复样本;对2组样本水树老化区域的扫描电镜(SEM)观测和能谱仪(EDS)分析结果表明,修复样本在电热老化2周时间后,水树空洞内部仍有修复生成的填充物与XLPE基体紧密结合。基于以上发现,证明了在电热老化过程中,水树空洞内的修复填充物能够有效抑制已有水树的继续生长并保持长期作用。     

低温环境下 XLPE 材料中水树生长特性的研究

为了研究低温条件下水树的生长特性,研究了XLPE薄片样本在0℃下不同老化时期的水树生长速率变化。在XLPE薄片样本中制造针孔缺陷,之后将样本分为3组,并对其在0℃下分别进行为期14 d、21 d、28 d的加速水树老化。利用光学显微镜观测样本中的水树微观形貌和水树长度,并结合电场仿真分析水树在低温下生长速率变化原因。实验结果表明,在低温条件下,样本中的水树明显呈枝状。此外,水树生长速率随着老化时间的增加逐渐增加。电场仿真结果表明,水树长度越长,水树尖端的电场越强。根据水树生长的电机械老化理论,电场越大,水树尖端处的XLPE分子链受到的麦克斯韦应力越大,分子链越容易发生疲劳断裂,导致水树生长速率越大。     

水树生长中XLPE晶区破坏现象及其对水树生长速率的影响

为了进一步探索水树生长中滞长现象(水树生长速率显著下降)出现的原因,作者研究了水树生长早期的晶区结构变化,揭示了材料晶区破坏对水树生长速率的影响.采用加速水树老化平台对A、B、C3组交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)薄片样本分别进行10、20、30 d的水树老化,老化结束后用光学显微镜观测样本中的水树形态,用化学侵蚀法腐蚀样本并用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观测水树区域晶区形貌,用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)法检测水树区域晶区结构变化.显微观测结果表明,水树老化20 d以前水树生长速率较高,达到了0.46 μm/h,而老化30d后水树生长速率显著下降至0.17 μm/h,水树生长出现滞长现象.SEM观测结果表明,老化20 d以前,样本中晶区出现位错缺陷.老化30 d后晶体中萌生裂缝及位错蚀坑.XRD检测结果表明,水树老化过程中XLPE(110)及(200)晶体衍射峰峰形产生锯齿状畸变,并且随着老化时间增长,(110)及(200)衍射峰半峰宽宽化程度增加.分析认为,XLPE晶区破坏是水树生长速率变化的重要原因.老化20 d前晶区中尚未萌生微裂纹,限制了水树密度增加,导致水树密度较低而水树尖端电场较高,水树生长速率较高.老化20 d以后,晶体中的裂缝和位错凹坑连接起来形成大量新水树枝,导致水树密度显著增加,水树尖端电场显著降低,水树生长速率显著下降.     

水树生长中XLPE晶区破坏现象及其对水树生长速率的影响

为了进一步探索水树生长中滞长现象(水树生长速率显著下降)出现的原因,作者研究了水树生长早期的晶区结构变化,揭示了材料晶区破坏对水树生长速率的影响.采用加速水树老化平台对A、B、C3组交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)薄片样本分别进行10、20、30 d的水树老化,老化结束后用光学显微镜观测样本中的水树形态,用化学侵蚀法腐蚀样本并用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观测水树区域晶区形貌,用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)法检测水树区域晶区结构变化.显微观测结果表明,水树老化20 d以前水树生长速率较高,达到了0.46 μm/h,而老化30d后水树生长速率显著下降至0.17 μm/h,水树生长出现滞长现象.SEM观测结果表明,老化20 d以前,样本中晶区出现位错缺陷.老化30 d后晶体中萌生裂缝及位错蚀坑.XRD检测结果表明,水树老化过程中XLPE(110)及(200)晶体衍射峰峰形产生锯齿状畸变,并且随着老化时间增长,(110)及(200)衍射峰半峰宽宽化程度增加.分析认为,XLPE晶区破坏是水树生长速率变化的重要原因.老化20 d前晶区中尚未萌生微裂纹,限制了水树密度增加,导致水树密度较低而水树尖端电场较高,水树生长速率较高.老化20 d以后,晶体中的裂缝和位错凹坑连接起来形成大量新水树枝,导致水树密度显著增加,水树尖端电场显著降低,水树生长速率显著下降.     

基于硅氧烷的XLPE电缆水树修复方法研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘电力电缆在经过长时间运行后会发生水树老化,降低电缆绝缘强度,威胁电力系统的安全稳定运行。笔者设计了一套XLPE电缆绝缘水树修复装置,利用硅氧烷修复液对电缆试样进行了修复工作,详细介绍了修复过程并深入分析了修复机理。然后仿真对比了修复前后不同类型水树区域的电场变化,测试了修复后电缆介质损耗角正切与绝缘电阻的变化趋势,接着对电缆进行了加速水树老化实验,利用光学显微镜观察老化后XLPE绝缘中的水树生长情况。研究表明:修复液与水能快速反应产生聚合物填充水树孔隙,逐步提升电缆整体绝缘性能;生成物的介电性能与XLPE接近,能显著改善水树区域特别是尖端的电场,抑制水树的进一步生长,有效延长电缆使用寿命。     

基于硅氧烷的XLPE电缆水树修复方法研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘电力电缆在经过长时间运行后会发生水树老化,降低电缆绝缘强度,威胁电力系统的安全稳定运行。笔者设计了一套XLPE电缆绝缘水树修复装置,利用硅氧烷修复液对电缆试样进行了修复工作,详细介绍了修复过程并深入分析了修复机理。然后仿真对比了修复前后不同类型水树区域的电场变化,测试了修复后电缆介质损耗角正切与绝缘电阻的变化趋势,接着对电缆进行了加速水树老化实验,利用光学显微镜观察老化后XLPE绝缘中的水树生长情况。研究表明:修复液与水能快速反应产生聚合物填充水树孔隙,逐步提升电缆整体绝缘性能;生成物的介电性能与XLPE接近,能显著改善水树区域特别是尖端的电场,抑制水树的进一步生长,有效延长电缆使用寿命。     

碱性溶液中电缆水树的生长特性与预修复效果研究

为了研究碱性溶液对电缆水树生长特性的影响及预先注入修复液对水树的抑制效果,使用pH值为13的氢氧化钠溶液对电缆样本进行加速水树老化,并对其中一个样本预先注入修复液。结果表明:碱性样本比中性样本水树长度更短,且水树孔洞密度小;碱性预修复样本比碱性样本的水树更短,且水树孔洞密度小。说明水树在碱性溶液中的生长速度比在中性溶液中的慢,水树孔洞更少,且预先注入修复液对碱性溶液下电缆中水树的生长有一定的抑制作用。