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。     

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。     

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。     

LDPE中介入聚合物阻挡层后其交流电场下的电树特性分析

为了研究低密度聚乙烯(LDPE)的电树老化特性,观察电树在LDPE中的生长情况,以及在频率50Hz交流电压作用下电树老化引起的破坏现象和电树生长过程中的形态变化,采用在LDPE样品的两电极之间介入阻挡层,且阻挡层分别选用不同材质的聚合物薄膜。对介入了聚合物阻挡层的LDPE与纯LDPE样品电树的生长形态及电树的生长方向进行比对,观察阻挡层对电树的影响情况,并探讨了不同阻挡层对电树阻挡作用的差异。结果表明,当在针-板电极中放入阻挡层时,可以减缓电树的生长,对于增加其击穿时间有一定的研究价值;对击穿时间的影响取决于阻挡层材料本身的性质和结构特点以及空间电荷的作用。     

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.     

重频纳秒脉冲下有机玻璃电树枝老化特性的实验研究

介绍了高聚物绝缘材料中电树枝老化的现象、影响因素及研究现状。进行了重频(~300Hz)纳秒脉冲(半高宽70ns)下有机玻璃电树枝老化特性的试验研究。实验施加负电压。主要研究了在不同频率下、不同电场强度条件下有机玻璃中电树枝生长速度和生长形态。实验发现重频脉冲下在有机玻璃上施加电压越高,电树枝增长速度越快;电树枝的初始生长速度随着频率升高而变快;电树发展普遍存在滞胀期;频率高后,丛林状电树产生的概率增加;实验中还发现有的试样高频下针尖附近出现裂纹,然后生长出树枝。     

工频电压下 XLPE 绝缘的电树枝老化实验研究

用针——板电极对ＸＬＰＥ电缆绝缘的电树枝老化过程进行了实验研究,得出了ＸＬＰＥ电缆绝缘的电树起始场强值及其老化曲线,进一步证实了电树枝放电通道有丛状放电和枝状放电两种形式。丛状放电时,在一定电压范围内电压越高,丛状放电通道区域越大,老化时间越长。     

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。     

针—板电极下交联聚乙烯电缆绝缘中树枝生长规律的研究

电树枝化是交联聚乙烯绝缘电缆运行过程中的常见现象,是限制交联聚乙烯电缆长期安全运行的瓶颈,随着电缆投运时间的增加,由电树枝引起的电缆故障问题日益突出。为探究10kV交联聚乙烯电缆绝缘中电树枝的引发和生长规律,文中首先通过仿真分析,验证了用针—板电极下电树枝试验代替在实际电缆进行电树枝试验的可行性;然后搭建了电树枝培养试验系统,试验测量了不同电极间距下的电树枝起树电压,观测了电树枝生长过程中的形态变化,划分了电树枝的生长模式和生长阶段,绘制了电树枝生长曲线。试验结果表明:电极间距为1～4 mm时,电树枝的起树电压相差不大,电极间距对起树电压影响较小。工频交流8 kV电压下电极间距为2 mm的交联聚乙烯绝缘块的电树枝生长过程可分为枝状—击穿,枝状—松枝状—击穿,枝状—枝松状混合和枝状—枝丛状混合4类。在测量电树枝长度的基础上,提出了电树枝的3种生长模式,即击穿模式、快速生长模式和滞长生长模式,且将后二种生长模式的电树枝生长过程划分为四个生长阶段。     

以电场遮蔽效应理解交联聚乙烯丛状电树滞长过程

为了研究丛状电树生长过程中的滞长现象,对XLPE薄片进行电树培养与实时观测实验,并从电场角度分析丛状电树各个阶段的生长过程。通过对XLPE薄片内设置针-板电极培养稳定的丛状电树,利用实时微观观测与局部放电监测技术记录电树各阶段特征,并对不同密度电树枝建立有限元电场模型,分析不同电树形态下的电场特点。结果表明:电树枝在变密集后,相互之间存在明显的电场遮蔽效应,致使电树滞长,滞长期后的新生电树往往从树枝稀疏区域开始生长。     

机械应力与电压频率对XLPE电缆电树的影响

实验研究了机械应力和电压频率对 XL PE电缆绝缘中电树枝起始特性、生长特性及电树枝结构的影响。研究发现 ,与不含应力试样相比 ,含有机械应力的 XL PE试样中电树枝的引发时间短 ,生长速度快 ,且低频下生长的电树枝常有类似于松树枝的结构 ,高频下均为单纯稠密枝状结构。无应力试样中低频电树枝则为枝状或枝状与局部丛林状共存的混合结构。     

交联聚乙烯电缆绝缘中的双结构电树枝特性及其形态发展规律

根据从电树枝动态生长过程中所拍摄的大量实验照片和生长特性数据，探讨了在XLPE电缆绝缘中的电树枝发展特征与材料聚集态结构的关系。研究表明，由于半结晶高聚物不均匀聚集态、不均匀结晶和残存应力的影响，会在XLPE电缆绝缘中生成枝状、丛林状、藤枝状、松枝状和混合结构电树枝。并且在电树枝发展过程会呈现非常清晰的三个基本阶段，即引发阶段、滞长阶段和迅速发展阶段。引发阶段猛烈时生成迅速生长的纯枝状电树枝，引发阶段较弱或材料均匀时易导致丛林树状电树枝产生，发展于极不均匀区的电树枝多为鲜明的双结构；另外，引入一种新的参数，电树枝扩展系数来描述电树枝生长特性，并综合电树枝生长过程分形维数的变化规律和速度关系对产生这种实验现象的机理进行了分析。     

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。     

高温下交联聚乙烯电缆绝缘中电树枝测试系统设计

设计了高温下交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中电树枝化的实验系统,在外施工频电压有效值为13 kV下,对不同温度下高压XLPE电缆绝缘中电树枝生长及其局部放电特性进行研究,结果表明,温度对电树枝的生长具有重要影响,整个系统可以用于高温下电树枝生长过程的实时观测与局部放电连续测量,为研究高温下XLPE电缆绝缘中电树枝引发与生长机理及其局部放电特性分析提供了实验研究平台。     

高温下110kV交联聚乙烯电缆电树枝生长及局部放电特性

利用实时显微数字摄像与局部放电连续测量系统,采用典型针-板电极结构,研究了高温下不同外施工频电压作用时110kV级交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中典型电树枝的形态特征、引发、生长规律及其局部放电特性。实验结果表明,温度对XLPE电缆绝缘中典型电树枝的形态、引发与生长时间具有非常重要的影响。在高温下,不同外施工频电压作用时电树枝的形态呈现出多样性的特点,50°C下典型电树枝形态为枝状、枝-松枝状和丛状,70°C下为枝状,90°C下为滞长型和枝状。高温下电树枝引发时间随外施电压升高而减小,而且在同一外施电压下,电树枝引发时间随温度升高而减小,这是由于在高温下XLPE电缆绝缘中片晶熔化,无定形相增加,介质中自由体积扩大,从而更有利于电树枝引发。研究发现在低电压(9kV)下,电树枝生长过程中由于通道电导率增加而抑制了通道内局部放电的发展,局部放电作用减小,电树枝生长速度减慢,分形维数较高;而11kV以上电压作用时,电树枝在局部放电的连续作用下呈枝状向对面电极快速生长,同时高温下XLPE弹性模量下降,击穿场强降低,局部放电作用加剧,电树枝生长明显加速,电树枝分形维数较低。     

A versatile method to study electrical treeing in polymeric materials

Electrical treeing in high voltage cable insulation has been studied widely as it is one of the major breakdown mechanisms for solid dielectrics subjected to high electrical stresses. The most frequently experimental set-up used to study electrical treeing is utilizing needles to achieve a high divergent field to promote the initiation of electrical trees. In this paper a new type of electrode configuration is described, which will be beneficial when examining electrical treeing in terms of both the capability to follow the course of events in real time and the small amount of insulation material is needed. This new electrode configuration makes use of a thin tungsten wire as electrode to obtain the high divergent electrical stress needed to initiate electrical trees. Multiple electrical trees are at times formed at different points along the wire during the testing, this indicates that the field are homogenous along the wire. This allows for determining the tree initiation field and the rate of tree growth. It is also shown that this electrode configuration is able to distinguish the increased electrical tree inception obtained by the addition of voltage stabilizers.     

Effects of inorganic fillers on withstanding short‐time breakdown and long‐time electrical aging of epoxy composites

Inorganic fillers were added to epoxy resin for preparing micro and nano filler/epoxy composite, and then the breakdown strengths, depths of erosion caused by partial discharge, and electrical tree experiments of composites were investigated. It was found that the loading of micro fillers usually decreases the short‐time breakdown strength (breakdown under a continuously rising voltage) of the composites. On the contrary, it increases the ability to withstand long‐time electrical aging (erosion or breakdown caused by electrical tree under a discontinuously rising voltage or constant voltage) of the composites. The effect of inorganic fillers in suppressing the electrical tree or erosion channel propagation in the composite is different during the process of withstanding short‐time breakdown and long‐time electrical aging. Defects are introduced during the mixing of fillers and epoxy resin, which play a role to decrease the short‐time breakdown strength and accelerate long‐time electrical aging. It is concluded that micro and nano inorganic fillers can suppress the electrical tree channel propagation and erosion caused by partial discharge, whereas defects play the opposite role in composites. Two opposite effects of inorganic fillers and defects exist simultaneously during the process of electrical aging and breakdown; whereas inorganic fillers play a primary role in long‐time electrical aging, defects play a primary role in short‐time breakdown.