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。     

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。     

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.     

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。     

在XLPE电缆加速老化过程中理解水树的自愈性

针对加速XLPE电缆绝缘水树老化过程中发现的绝缘自愈现象,对水树生长和绝缘自愈性机理进行了分析讨论。利用水针电极法对XLPE电缆绝缘进行加速水树老化,样本介质损耗因数随老化时间推移而增大,但一旦停止施加电压,介质损耗又会逐渐恢复到较低水平,出现了自愈现象。通过建立由一系列充水微孔和微观通道连接而成的水树模型,进行电场有限元计算,发现当水树通道打开时水树尖端电场畸变严重,由此产生的扩张能量使绝缘疲劳断裂,水树生长,介质损耗增加;停止施加电压后,水树通道内出现弹性恢复使水分被挤出,通道逐渐关闭,水树区变成孤立的充水微孔,绝缘自愈。再次施加电压后,充水微孔端部和关闭的水树通道内电场显著提升,水树通道逐步打开。研究表明,水树的自愈和水树通道的打开是一个逐步的过程,需要一定的时间,主要决定于施加的电场大小和绝缘的屈服强度。     

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。     

有限元法电缆水树老化机理研究

采用有限元法对水树起始机理进行了分析研究。有限元分析结果显示:XLPE绝缘内的局部微观缺陷导致电场畸变,水分积累形成椭圆水珠,对周围绝缘一起产生交变Maxwell应力作用,导致材料疲劳断裂。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。水树形成后,水树尖端电场畸变,当水树发展到一定长度或受到过电压作用,就会发展形成电树,并导致绝缘击穿。针对水树老化问题,提出了一些抑制和处理水树老化问题的方法和建议。     

单一极性直流电压下交联聚乙烯电力电缆水树生长特性

为研究直流电压极性对交联聚乙烯(XLPE)电力电缆水树生长特性的影响,对4种不同极性整流电压下的XLPE材料水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极老化法,分别在正弦电压和4种整流电压下对XLPE薄片样本进行了加速水树老化。经过22 d时间的老化后,对样本进行了切片染色并观察了水树形态,对水树尺寸进行了测量统计。观测结果表明:不同极性整流电压作用下的水树尺寸和形态均存在明显差异;正极性下的水树宽度大于负极性下,水树长度却小于负极性下;正极性下的水树枝干分明,较为稀疏,水树区颜色较浅;负极性下的水树密集,枝干较粗,水树区颜色较深。基于以上观察,提出了整流电压下水树生长的离子扩散模型,认为水合离子在材料中的扩散对于水树老化过程起着重要作用。不同极性整流电压下,离子在聚合物中的扩散通量不同,通过水合带入的水分子数量不同,从而导致水树尺寸存在差异。     

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。     

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。     

用有限元分析交联聚乙烯电缆中水树成长行为的研究

水树是电缆主绝缘的主要劣化现象之一,严重影响电缆的使用寿命。正确评价长有水树的材料的电场分布,对于理解水树的生长机理以及水树引起的介质击穿是非常重要的。采用具有不同物理化学性能的热老化XLPE电缆绝缘和与外加电场梯度方向成一定角度的非常规的水针电极结构进行水树枝加速老化实验,用有限元方法对水树加速老化实验中采用的结构模型进行数值电场分析,研究了水树尖端处电场增强对水树枝老化发展的影响。     

由异常水树形态洞察力学取向对水树生长的影响

为了进一步理解机械应力对交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树生长的影响,研究了机械应力和XLPE样本中水树形态之间的关系,并提出了XLPE材料的力学取向对水树生长的作用机制。以热钢针在两组XLPE样本中扎孔的方式模拟电缆绝缘受到的机械应力作用,并仅对其中一组样本进行加速水树老化实验,另一组样本仅利用偏光显微镜观察针孔缺陷周围的应力纹形态(XLPE材料取向的宏观形态)。在水树老化样本中发现了异常水树形态,而此异常水树形态和未进行水树老化的样本中观察到的应力纹形态极其相似。以高分子力学取向理论为基础,并结合电场仿真模型,分析了XLPE材料的力学取向和水树形态的内在联系。研究表明,XLPE材料的力学取向在很大程度上决定了水树的生长方向。由于XLPE材料取向后出现各向异性,在取向方向上水树生长将得到促进,而在与取向方向垂直的方向上水树生长将受到抑制,从而导致异常水树形态的出现。     

基于双电层理论的正/负极性直流电场下水树生长特性

为了揭示直流电场下交联聚乙烯(XLPE)电力电缆中水树生长特性与直流电场极性的关系,进行了XLPE样本正/负极性直流电场下加速水树老化实验,分析了不同极性直流电场下XLPE/溶液界面结构对离子、水分向XLPE材料中迁移过程的影响,并进行了不同极性直流电场下水树区域的仿真分析,提出了直流电场极性影响水树生长特性的一种可能解释。研究结果表明:水树在负极性直流电场下比正极性直流电场下更长、老化更严重;在负极性直流电场下由于迁移至XLPE样本表面的氯离子存在特性吸附现象,界面结构中没有水偶极层阻碍氯离子进入XLPE材料中,所以迁移进入XLPE材料的离子、水分含量比正极性直流电场下更大;负极性直流电场下水树区域中有较多的离子、水分,使水树前端电场强度更大,有利于水树生长。因此基于XLPE/溶液界面结构的双电层理论分析,水树生长存在负极性直流电场下比正极性直流电场下长度更长、老化更为严重的现象。     

电树向水树转化过程中的生长特性

交联聚乙烯(XLPE)电力电缆中生长的电树存在向水树转化的可能性。本研究依据观察到的电树向水树转化现象进行有限元电场仿真,对电树向水树转化的特性及其机理进行了讨论。将电缆样本在交流恒压下进行电树引发实验,在样本引发电树后对其进行加速水树老化实验,通过显微镜观察样本切片中电树向水树转化的特点。基于电场仿真结果并结合实际电缆运行情况,分析了电树向水树转化的特性和机理。结果表明:电树的分枝结构在电树发展过程中起到了一定的电场屏蔽作用。在极度潮湿的环境下,水分受介电电泳力作用向电树枝尖端迁移并填充电树通道,为较低场强下水树的生长提供了条件。湿润的水树包围电树后,水树尖端成为场强集中区域,但削弱了电树尖端电场,抑制了电树的发展,一定程度上减缓了电缆绝缘的劣化。     

以分子取向理论理解交联聚乙烯中水树在不同温度下的生长特性

为了理解交联聚乙烯(XLPE)在不同温度下的水树生长特性,研究了不同温度下XLPE材料的水树生长行为并尝试进行了新的理论解释。使用XLPE薄片作为实验样本,分别进行了0℃、20℃、40℃和60℃温度下的水树加速老化实验。通过显微镜观察了水树形态,统计了不同温度下水树的尺寸,并以有限元电场仿真分析、分子动力学和高分子取向理论为基础,给出了高温和低温下水树不同生长特性的一种可能的解释。经过研究发现:从0℃温度开始,水树的生长速率随温度的升高而先减小后增大,其转折温度约为40℃;XLPE分子的热运动和取向行为可能共同影响不同温度下水树的生长特性,高温下水树的生长速率主要由分子热运动决定,低温下水树的生长速率主要由高分子链的取向行为决定。     

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。     

修复液抑制XLPE电缆局部放电的有效性研究

针对XLPE电缆中存在水树缺陷引起局部放电导致电缆绝缘迅速劣化的问题,提出了一种通过注入修复液修复电缆水树缺陷抑制电缆局部放电的方法,从XLPE电缆试样局部放电特征及缺陷表面微观形貌结构两方面研究修复液对XLPE电缆局部放电的影响。采用水针电极法加速XLPE电缆绝缘水树老化,并对生成水树缺陷的电缆试样进行注入式修复,测试分析修复前后电缆试样的局部放电特征,并对修复后电缆试样缺陷处的表面形貌特征进行分析。此外,建立XLPE电缆水树缺陷的有限元模型,结合水树缺陷处电场仿真进一步阐述修复液对XLPE电缆局部放电的影响机理。结果表明:修复后XLPE电缆局部放电的放电幅值和放电次数均大幅减小,表明修复液可以抑制电缆局部放电的发展,减缓XLPE电缆绝缘的劣化。     

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。