交流500kV XLPE海缆绝缘材料在电-热联合应力下的工频击穿特性与寿命模型

为深入掌握交流500 kV交联聚乙烯(XLPE)海缆绝缘材料在电-热应力下的工频击穿特性并建立电-热联合寿命模型,本研究首先对500kV海缆主绝缘进行25、40、55、70℃步进应力下的电-热联合绝缘击穿试验,对电气强度和耐压时间进行Weibull统计分析,获得不同温度下等效电气强度和等效耐压时间的变化规律.然后,通过多元线性回归建立F-LLOU、SIMONI和CRINE模型并进行误差分析.最后,研究构建适用于该交流500 kV XLPE材料的E-T耦合参数模型.结果表明:在相同温度下,随着每级电压持续时间的增加,等效电气强度逐渐降低;在每级电压持续时间相同时,随着温度的升高,等效电气强度和电压持续时间均呈现先上升后下降的趋势.对电-热联合老化模型的分析表明,3种模型拟合误差较大,拟合优度不满足精度要求.本研究通过利用逐步回归计算电-热变量与寿命的显著性与相关性,获得改进的电-热联合老化寿命模型,误差分析显示改进模型具有较好的拟合精度.     

66 kV交联聚乙烯海底电缆绝缘厚度设计

随着国内外海上风电工程的快速发展,66 kV交联聚乙烯(XLPE)海底电缆以其较低的生产、运维成本受到各方青睐。然而,国内尚无针对66 kV XLPE海缆设计的结构标准。为规范66 kV XLPE海缆的技术要求,有必要对其绝缘厚度进行合理设计。为此选取了66 kV海缆用XLPE试样进行了工频击穿试验和冲击击穿试验,发现XLPE的击穿场强与其厚度的关系符合反幂定律。然后,基于步进应力试验计算得到30℃和90℃下XLPE的寿命指数n分别为13.9和15.1,并进一步通过冲击和交流耐压试验的结果,综合得到66 kV海缆的推荐绝缘厚度为8.9 mm。基于该方法得到的66 kV海缆绝缘厚度与传统依靠经验设计的绝缘厚度相比更薄,为轻型66 kV海缆的绝缘厚度设计提供了理论参考和试验依据。     

基于Crine模型和逐步升压法的交联聚乙烯及其纳米复合材料老化寿命研究

本文利用逐步升压法系统测量了交联聚乙烯(XLPE)及其纳米复合材料在不同温度下的耐压特性.提出了一种计算Crine模型关键参数的新方法,并基于逐步升压法的试验结果,计算了XLPE及其纳米复合材料在不同温度下老化的活化能和电荷加速距离.结果表明:随着温度的升高,两种材料的特征击穿时间均降低.在相同温度和时间步长下,XLPE纳米复合材料的特征击穿电压和特征击穿时间均高于XLPE,在高压下XLPE纳米复合材料比XLPE拥有更长的老化寿命.两种材料的老化活化能和电荷加速距离均随温度的升高而增大;在相同温度下XLPE纳米复合材料的老化活化能和电荷加速距离均小于XLPE.利用Crine模型的活化能和电荷加速距离比反幂模型或指数模型的老化寿命指数能更加直观地反映出绝缘材料的耐老化性能.     

振动条件下XLPE绝缘热老化的可靠性评估

为提高交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘材料在联合应力老化条件下寿命预测的可靠度,并探究其失效概率分布,设计了2组加速老化试验,在不同老化应力条件下,对多个XLPE材料样片进行电阻退化数据测试。测试数据通过时间尺度函数转换后,应用线性Wiener过程进行数据建模;同时利用传统阿仑尼乌斯(Arrhenius)方程、逆幂准则与材料寿命之间的关系,结合极大似然函数,对线性Wiener过程模型参数进行估计,最后经理论计算得出试验所用XLPE电缆绝缘材料的失效概率密度曲线、可靠度曲线及不同组合应力条件下其寿命分布图,同时结合实际敷设电缆在复杂振动工作环境下的应力水平等因素,计算得到在最高允许温度(90℃)下,外部振动加速度为0.5 m/s~2时,XLPE电缆绝缘材料预期寿命为17.8年。     

现役交流XLPE电缆绝缘切片试样的交、直流耐压性能对比

为升级输电线路的传输能力,可将现役交流XLPE电缆线路改为直流运行,但仍缺乏改造方案设计的统一标准或规范。因而对1根投运7年的YJV22-8.7/10 kV-3×185 mm~2电缆进行绝缘环切,在相同条件下对切片试样进行交流及直流电压下的连续和逐级升压击穿试验。结果表明:升压速率为2、0.5、0.1 kV/s的连续升压击穿试验中,升压速率对试样的交流平均击穿场强影响很小,而对直流击穿场强影响较大;时间步长为2、6、15 min的逐级升压试验中,随着时间步长的增加,交流击穿场强略有降低,而直流击穿场强显著增大。随着电压施加时间的增加,交流击穿场强下降,而直流击穿场强反而增大,这导致直/交流击穿场强比值持续增大,由1.33增大至3.73。以击穿场强的95%置信下限值为基础,推导可获得XLPE绝缘试样的交、直流1 h击穿场强分别为89.50 kV/mm及247.55 kV/mm,而反幂定律中的电老化寿命指数拟和值为17和-11.51。在高压短时击穿试验范围内,试样的直流耐压性能随时间变化不符合传统电老化寿命定律,这可能与空间电荷效应的时间依赖性有关,需要后续研究进一步确认;同时也说明基于薄试样、高电压、短时间的击穿试验数据无法有效反映直流绝缘的长期电老化性能,不能直接用于XLPE直流电缆的绝缘结构设计。     

高压交联聚乙烯电缆绝缘径向的力学、电学、理化性能分析

对66 kV退役及加速热氧老化的电缆主绝缘分层导体屏蔽层一侧(内层)、绝缘屏蔽层一侧(外层)取样,利用电子万能拉伸机进行拉伸实验;采用X射线衍射仪、萃取法进行理化实验;采用耐压测试进行工频击穿实验。通过力学、电学、热学耦合仿真分析XLPE绝缘层径向老化性能。结果表明：XLPE材料内外层抗拉伸强度随老化周期的增加呈先增大后减小,断裂伸长率一直减小,XLPE绝缘内外层结晶度、击穿电压呈先增大后减小。     

基于累积损伤曲线的电寿命模型步进应力试验方法及在XLPE电缆中的应用

交联聚乙烯（XLPE）的反幂函数电寿命模型（IPM）表征了XLPE电缆绝缘的长期耐压特性,包括电压耐受指数（VEC）在内的IPM模型参数是电缆绝缘设计和预鉴定试验电压选取的重要依据。步进应力试验具有耗时短、效率高的优点,适用于求取电缆样品的电寿命模型参数。然而,步进应力试验参数的选择尚无规程可参考,目前主要依靠经验和主观确定,严重影响了试验结果的有效性和可比性。将固体绝缘材料累积损伤“D-t曲线”作为判断绝缘失效机理的主要依据,分析不同试验参数下步进应力与恒定应力试验的等效性,提出适合工程应用的步进应力试验参数选取及现场试验方案。通过该方法设计绝缘厚度分别为2.8 mm和3.5 mm的2种模型电缆的步进应力试验,并获取2种模型电缆的IPM电寿命模型参数,验证该方法的可行性。     

基于累积损伤曲线的电寿命模型步进应力试验方法及在XLPE电缆中的应用

交联聚乙烯（XLPE）的反幂函数电寿命模型（IPM）表征了XLPE电缆绝缘的长期耐压特性,包括电压耐受指数（VEC）在内的IPM模型参数是电缆绝缘设计和预鉴定试验电压选取的重要依据。步进应力试验具有耗时短、效率高的优点,适用于求取电缆样品的电寿命模型参数。然而,步进应力试验参数的选择尚无规程可参考,目前主要依靠经验和主观确定,严重影响了试验结果的有效性和可比性。将固体绝缘材料累积损伤“D-t曲线”作为判断绝缘失效机理的主要依据,分析不同试验参数下步进应力与恒定应力试验的等效性,提出适合工程应用的步进应力试验参数选取及现场试验方案。通过该方法设计绝缘厚度分别为2.8 mm和3.5 mm的2种模型电缆的步进应力试验,并获取2种模型电缆的IPM电寿命模型参数,验证该方法的可行性。     

交联聚乙烯热老化与绝缘性能的关联关系

为研究交联聚乙烯（cross-linked polyethylene,XLPE）绝缘材料的热分解活化能、电气特性和力学特性随热老化程度变化的规律,对交流电力电缆绝缘用XLPE材料在110 ℃下开展加速热老化实验。采用热失重（thermogravimtric analyzer, TGA）测试手段,对XLPE在20~600 ℃的热分解行为进行研究;采用交流击穿测试、宽频介电谱测试及体积电阻率测试,研究老化后XLPE试样的电气特性;采用拉伸实验测试,研究老化后XLPE试样的力学特性。结果表明：热老化使得XLPE的交联结构和结晶状态被破坏,XLPE活化能呈减小趋势。由于氧化反应快速进行,使得XLPE分子链发生断裂,交联结构变弱,导致XLPE绝缘材料严重劣化,其活化能、击穿强度、体积电阻率、弹性模量和断裂伸长率随老化时间增长呈下降趋势,而介电常数、介电损耗和电导率呈增加趋势。     

交联聚乙烯交联度对材料击穿强度的影响

为了研究XLPE材料交联度对其电气性能的影响,制备不同交联度的XLPE样本并对其进行电气击穿实验,分析在不同的交联度区间范围内样本击穿场强变化。利用温度-时间控制法制备六组不同交联度的XLPE样本;利用差式扫描量热仪测量得到样本结晶度;利用交流变压器测量得到样本的击穿强度。实验结果表明,随着交联度上升,样本击穿场强呈先上升后下降趋势。在交联度为0%～75%区间范围内,样本击穿场强增加2%。在交联度为75%～88%范围内,样本击穿场强增加21.2%。而在交联度为88%～92%范围内,样本击穿场强下降5.3%。分析认为,样本的击穿强度与样本交联度和材料均匀程度有关。当交联度较低时,样本的击穿强度主要由样本交联度决定,随着交联度上升,样本击穿强度增加。但由于此时局部材料结构较为不均匀,因此击穿强度增加幅度不大。而当交联度上升至75%时,材料形成较为密集、均匀的三维网状结构,导致样本击穿场强大幅上升。而当交联度继续增加时,此时样本结晶度下降幅度较大,局部材料结构变得不均匀,导致样本击穿强度下降。     

屏蔽材料对XLPE电力电缆工频击穿特性的影响

为检验不同屏蔽材料对抗水树电缆抗水树枝能力的影响,建立了抗水树屏蔽材料性能试验手段和评价程序,在同一制造厂家分别采用两种不同电缆屏蔽材料,生产同一屏蔽结构的交联聚乙烯(XLPE)电力电缆,并制作成30段电缆试样。在相同试验条件下,进行14d负荷循环、120d加速老化、180d加速老化和360d加速老化,然后对老化前原始试样和老化后电缆试样共5种不同老化状态的电缆试样进行工频逐级击穿,试验研究不同屏蔽材料组成的XLPE电力电缆的工频击穿特性。试验结果表明,国产普通屏蔽材料制造的XLPE电力电缆的工频击穿特性相对进口抗水树电缆屏蔽材料制造的XLPE电力电缆的工频击穿特性存在明显差异,进口抗水树电缆屏蔽材料制造的XLPE电力电缆经过360d加速老化试验后仍保持较好的工频击穿特性,安全运行寿命较长。     

交联聚乙烯热老化与绝缘性能的关联关系

为研究交联聚乙烯（cross-linked polyethylene,XLPE）绝缘材料的热分解活化能、电气特性和力学特性随热老化程度变化的规律,对交流电力电缆绝缘用XLPE材料在110 ℃下开展加速热老化实验。采用热失重（thermogravimtric analyzer, TGA）测试手段,对XLPE在20~600 ℃的热分解行为进行研究;采用交流击穿测试、宽频介电谱测试及体积电阻率测试,研究老化后XLPE试样的电气特性;采用拉伸实验测试,研究老化后XLPE试样的力学特性。结果表明：热老化使得XLPE的交联结构和结晶状态被破坏,XLPE活化能呈减小趋势。由于氧化反应快速进行,使得XLPE分子链发生断裂,交联结构变弱,导致XLPE绝缘材料严重劣化,其活化能、击穿强度、体积电阻率、弹性模量和断裂伸长率随老化时间增长呈下降趋势,而介电常数、介电损耗和电导率呈增加趋势。     

抗水树XLPE电力电缆的工频击穿特性

为检验电缆材料是否具有抗水树枝能力,建立抗水树枝材料性能试验手段和评价程序,在同一制造厂分别采用5种不同电缆绝缘料,生产同一绝缘结构的电缆,并制作成90个电缆试样。在相同试验条件下,进行14d负荷循环、120d加速老化、180d加速老化、360d加速老化和480d加速老化试验,然后对老化前原始样和老化后电缆试样共6种不同老化状态的电缆试样进行工频逐级击穿,试验研究XLPE电力电缆工频击穿特性。试验结果表明:普通电缆绝缘料制造的XLPE电力电缆工频击穿特性相对抗水树电缆绝缘料制造的XLPE电力电缆工频击穿特性存在明显差异,抗水树XLPE电力电缆经过480d加速老化试验后仍保持较好的工频击穿特性,安全运行寿命较长。     

交流500kV交联聚乙烯海缆制造工艺控制要点

为更好地指导交流500 kV XLPE海缆的制造,保障产品质量稳定性,结合世界上首个500 kV XLPE海缆工程,对交流500 kV XLPE海缆本体制造工艺控制要点进行了总结分析。结果表明:导体绞合、绝缘生产、大直径铅套连续挤出等是海缆本体制造的关键工艺;对于导体绞合,需从生产设备选择、导体表面状态控制、单丝直径及节径比控制等方面保证导体性能;对于绝缘生产,需从绝缘料的选用、偏心在线监测、绝缘除气等方面确保绝缘挤制过程中不出现影响绝缘强度的缺陷;对于大直径铅套连续挤出,可通过合理控制机头温度、实时监测铅套厚度等方面确保铅套的挤制质量。     

电压稳定剂及其含量对高压直流用500kV XLPE电缆材料绝缘性能的影响

该文研究了4-正丙基苯甲酸电压稳定剂及其含量对高压直流用500kV交联聚乙烯（XLPE）电缆材料绝缘性能的影响。采用500kV XLPE直流电缆料,通过溶液共混法和热压法制备电压稳定剂含量分别为0%、1%、3%和5%的XLPE试样,对试样进行了空间电荷、直流电导率、直流击穿、介电性能、机械性能和差示扫描量热实验。结果表明：添加4-正丙基苯甲酸电压稳定剂可以有效抑制XLPE试样中空间电荷的积累,减小材料的直流电导率并提高其绝缘寿命指数,且电压稳定剂含量为1%时XLPE试样的直流击穿场强和寿命指数最大;随着电压稳定剂含量的增加,试样的直流击穿场强先增大后减小,相对介电常数和介质损耗逐渐增加,且频率对材料相对介电常数作用更加明显;试样的机械性能和结晶度呈现出相反的变化趋势。量子化学计算表明,电压稳定剂具有正电子亲和能和较窄的分子带隙,电压稳定剂分子极性较大,添加后有利于在试样内部引入陷阱,从而有效提升了电缆绝缘材料的电气性能。     

基于电—热场耦合分析的高压大容量直流XLPE海缆绝缘结构研究北大核心CSCD

随着交联聚乙烯直流海缆向着高电压、大容量的方向发展,其在工程应用中也遇到了温度和电场两方面的挑战。文中结合±160 kV XLPE直流海缆建立了XLPE海缆的电场仿真模型和热路模型,对更高电压等级的XLPE直流海缆的结构特点进行了探讨。通过仿真发现,直流海缆绝缘层的厚度同时影响海缆的温度和场强分布,在对高电压、大容量海缆设计时需要综合考虑绝缘材料能承受的最大场强和最高温度,选取合适的绝缘层厚度。同时,通过仿真对比铜、铝导体电缆对电场、温度的影响发现,铜导体电缆运行温度较低,有利于电缆稳定运行,而铝导体海缆虽然体积更大,但其重量小,更有利于安装敷设。     

66 kV抗水树XLPE绝缘轻型海底电缆研制

介绍一种额定电压66 kV抗水树XLPE绝缘轻型海底电缆的研制方法。通过对模型电缆进行工频电压和雷电冲击电压击穿性能测试,按照CIGRE TB 722:2018规范对研制样品进行500 Hz/3000 h、50 Hz/8750 h、50 Hz/17500 h 3种湿式绝缘质量鉴定试验,按照CIGRE TB 490:2012和CIGRE TB 623:2015规范对研制产品进行型式试验,试验结果完全满足设计规范要求。在未来的深远海、大功率海上风机互联阵列海缆选型中,66 kV抗水树XLPE绝缘轻型海底电缆可以完美替代35 kV XLPE绝缘海底电缆。     

基于失效时间统计特性的交联聚乙烯电寿命模型修正

为提高电缆绝缘材料电寿命评估的准确性，根据交联聚乙烯（XLPE）失效时间统计特性，对传统基于反幂定律的XLPE电寿命模型进行修正。首先对XLPE薄片样本进行电压耐久性实验，统计不同电场强度作用下XLPE失效时间。其次分析XLPE薄片样本失效时间统计特性，结果表明在相同电场强度作用下，XLPE失效时间大致分布在三个时间区间内，不同时间区间对应不同绝缘失效过程，电场强度不同时，占主导地位的失效过程也不相同。最后用处于主导地位失效过程样本的失效时间代表该电场强度下XLPE薄片样本的电寿命，由此得到修正后的XLPE电寿命模型。相较于传统电寿命模型，修正后的模型从失效时间统计特性的角度出发，确定了E-t特性曲线中拐点的位置。     

冲击电压下160kV高压直流电缆绝缘材料击穿特性研究

为了研究士160 kV高压直流交联聚乙烯电缆绝缘料切片在标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压下的击穿场强随温度的变化特性,设计了一套温度控制系统,试验温度控制在30~70℃,并采用三参数威布尔分布模型对试样的击穿场强进行统计分析。结果表明:温度对XLPE雷电冲击电压下的击穿特性影响较小,其击穿场强值随温度变化较小;高于40℃时,温度对操作冲击电压下的击穿场强有较大影响,其击穿场强随温度升高明显降低。在两种冲击电压下,大部分试样在冲击电压上升沿发生击穿,表明试样的击穿场强对电压变化率更为敏感。通过对XLPE的击穿原理分析,进一步阐述了陷阱和空间电荷是XLPE聚合物击穿的主要原因。     

液氮环境中3种聚合物薄膜老化和拉伸状态下的绝缘强度

用于超导设备的薄膜型绝缘材料绕包于导体时往往承受一定的绕包张力,且由于工作环境温度的变化、机械应力等作用会发生老化.为研究薄膜型绝缘材料在液氮环境中老化拉伸状态下的绝缘强度,设计了一套测试电极系统对聚酰亚胺(Kapton)、聚丙烯层压纸(PPLP)和聚四氟乙烯(PTFE)3种薄膜在液氮中经过不同老化处理后拉伸状态下的工频和直流绝缘强度进行了实验研究,结果发现老化拉伸状态下交、直流击穿电场强度大多在较小幅度内发生变化,而经过冷热循环处理后的聚丙烯层压纸交流、直流击穿电场强度均发生了跳跃性地下降,因而在选择聚丙烯层压纸作为超导电力设备的绕包型绝缘材料时,应充分考虑工作温度剧烈变换导致的材料老化因素的影响.3种材料的直流击穿电场强度要普遍高于交流击穿电场强度.