交聯聚乙烯電纜絕緣電樹枝化后熱分析

半結晶高聚物中的電樹枝特性遠比純脆性或柔性聚合物復雜,源于材料中的結晶區(qū)和無定形區(qū)兩相共存。在厚絕緣交聯聚乙烯(xlpe)中還存在不均勻結晶和微孔高度集中,以及殘存應力,導致電樹枝特性更加復雜。本文提出利用生長速度比和擴展系數兩個新參數來研究xlpe中的電樹枝生長規(guī)律。根據xlpe電纜絕緣中電樹枝結構特征和生長特性,研究了電樹枝的影響因素和絕緣中的四種亞微觀絕緣結構弱點,分析了微孔集中、大球晶邊界及結晶排渣、應力、電場局部集中所導致的電樹枝在絕緣內側的迅速擴展現象,提出了超高壓xlpe電纜發(fā)展所必須解決的亞微觀絕緣結構缺陷在電纜絕緣內側集中問題及其對策。

交聯聚乙烯(xlpe)電力電纜的樹枝狀老化研究(尤其是電樹枝老化)是診斷電纜絕緣故障的有效方法。文中采用針板模型模擬電纜絕緣中電樹枝的產生,并通過ansys軟件計算不同曲率半徑及不同電壓等級下起始狀態(tài)針尖處的場強分布。最后,根據實驗室所搭建的實驗系統(tǒng)觀察不同電壓下絕緣中電樹枝的起始發(fā)展情況。

為了研究交聯聚乙烯電纜絕緣中的殘余應力及其隨溫度的變化與松弛情況,利用電阻應變計與電阻應變儀連接的試驗線路,在升溫至80°c和90°c以及在這兩個溫度下的保溫過程中,測量了絕緣截面上不同部位的應變量。試驗發(fā)現,生產過程導致交聯聚乙烯絕緣層中存在殘余機械應力/應變以及半徑方向的形態(tài)不均勻,這是導致電纜性能下降的重要原因,尤其對絕緣較厚的高壓和超高壓電纜,需恰當的熱處理工藝消除其影響,改善絕緣性能。所提測試方法簡單易行,可與計算機連接完成自動連續(xù)測量,因此可用于工藝參數的優(yōu)化設計。

研究發(fā)現,交聯聚乙烯中存在導電型、非導電型和混合型三種電樹枝,分別對應于不同的生長機理,主要取決于介質的聚集態(tài)和施壓頻率等。實驗表明,均勻結晶態(tài)中的電樹枝為導電型,非均勻結晶態(tài)大球晶界面的電樹枝為非導電型;頻率會促進非導電型電樹枝的發(fā)展,但對導電型電樹枝的引發(fā)與生長不產生顯著影響。非導電型電樹,會緩慢發(fā)展成為混合型。研究分析證實,空間電荷限制下的樹枝尖端微擊穿是深入到晶體中的導電型電樹枝緩慢發(fā)展的主要過程,局部高溫高壓氣體沿晶界弱區(qū)迅速膨脹、樹枝通道中的局部放電和電荷復合等是非導電型電樹枝發(fā)展的主要過程。

交聯聚乙烯電纜絕緣的應變測量與分析

交聯聚乙烯(xlpe)絕緣電纜的發(fā)展已有40年的歷史,由于優(yōu)點很多,前景廣闊,發(fā)展迅猛。張家口供電公司配電網從2002年起,大規(guī)模使用交聯聚乙烯絕緣電纜,收益良好,但也存在很多問題。多年來,該公司針對交聯聚乙烯電纜絕緣擊穿事故進行分析和處理,掌握了一套在交聯聚乙烯電纜運行維護中,"如何減少電纜絕緣被擊穿"的有效方法。

針對高壓交聯聚乙烯電纜絕緣試樣,在1000—2000hz10kv峰值正弦電壓下,采用計算機實時顯微數字攝像技術進行了電樹枝培養(yǎng)實驗.基于半結晶絕緣材料中電樹枝生長機理和電樹枝結構的分形特征,提出了一個在高頻范圍定量預測電應力驅動下交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長特性的動力學模型,獲得了電樹枝生長率方程和從電樹枝生長到擊穿過程的壽命公式.將該模型預測值與實驗中獲得的電樹枝生長規(guī)律實驗數據進行比較,其結果有較好的一致性,表明提出的模型化方法可以應用到交聯聚乙烯電纜絕緣中電樹枝老化規(guī)律的定量分析研究中.

設計了高溫下交聯聚乙烯(xlpe)電纜絕緣中電樹枝化的實驗系統(tǒng),在外施工頻電壓有效值為13kv下,對不同溫度下高壓xlpe電纜絕緣中電樹枝生長及其局部放電特性進行研究,結果表明,溫度對電樹枝的生長具有重要影響,整個系統(tǒng)可以用于高溫下電樹枝生長過程的實時觀測與局部放電連續(xù)測量,為研究高溫下xlpe電纜絕緣中電樹枝引發(fā)與生長機理及其局部放電特性分析提供了實驗研究平臺。

分析了交聯聚乙烯絕緣電纜在國內外的發(fā)展趨勢,指出研究這種電纜絕緣在線檢測的必要性,并闡述了國內外交聯聚乙烯絕緣電纜在線監(jiān)測的幾種方法.

熱老化過程不但會影響交聯聚乙烯電纜絕緣的電磁學和物理化學性能,還對絕緣內水樹的產生與生長有著一定的影響。通過研究熱老化過程對xlpe電纜絕緣中的水樹現象的影響,以及在幾個有可能的影響因素當中,哪個因素對水樹現象的影響最大。實驗結果表明,在與xlpe電纜絕緣的熱老化有關的各種因素對水樹現象的影響中,熱氧化對xlpe電纜絕緣表層水樹的產生和生長的影響最大。盡管熱氧化所引起的缺陷有可能就是xlpe電纜絕緣中水樹生長過程中的起始點,但是它在一定程度上抑制著水樹的成長,甚至有著"水樹延遲效果"的美稱。

在交聯聚乙烯電纜交聯度測試中,熱延伸法測量表明,高壓交聯電纜絕緣內層的延伸率大于外層,說明絕緣內層的交聯度小于外層,但凝膠含量試驗方法的測試結果卻與熱延伸試驗的結果完全相反,通過分析認為是內、外層絕緣結晶形態(tài)和結晶度的不同導致了凝膠含量試驗法測試交聯度的不準確性;此外,通過物理機械性能試驗,發(fā)現絕緣內層的抗拉強度和伸長率小于外層,這些結果說明電纜絕緣交聯度存在徑向的非均勻性。

按照xlpe電纜熱老化過程中絕緣材料理化結構的變化規(guī)律,對不同老化程度的電纜絕緣材料的熱裂解活化能、結晶形態(tài)、分子結構進行分析。結果表明:不同溫度熱老化過程中羰基指數均隨著老化時間的增加而增大;低溫熱老化有利于xlpe結晶形態(tài)的完善,xlpe活化能有所升高,高溫熱老化對xlpe結晶形態(tài)有顯著的破壞作用,xlpe活化能成指數規(guī)律下降。電纜絕緣材料在熱老化熱裂解的同時也發(fā)生后交聯,低溫熱老化電纜絕緣材料后交聯作用占主導地位,而高溫熱老化電纜絕緣材料熱裂解為主要因素。

通過對北京多根退役110kv及220kv交聯聚乙烯電纜絕緣層進行差式掃描量熱和力學性能分析,研究了電纜絕緣材料聚集態(tài)結構及宏觀力學性能變化。dsc研究表明:運行10年以上電纜其熔融峰左極限溫度向低溫方向移動10℃左右,即材料結晶度、晶體大小及晶體尺寸分布發(fā)生改變;運行后試樣結晶速率呈增加趨勢,說明材料某些交聯點發(fā)生了氧化斷鏈,交聯度降低。力學性能分析得到:運行10年以上電纜試樣其彈性模量、斷裂能降低,結合dsc分析可得這些試樣發(fā)生了一定程度的物理老化。

為掌握運行多年的交聯聚乙烯(xlpe)電纜絕緣劣化狀況及出現劣化的原因,采用熱重法、紅外光譜、機械強度試驗分析了退運的14條110kv和220kvxlpe電纜絕緣。研究了電纜絕緣材料的熱穩(wěn)定性、物質成分及機械性能與電纜絕緣劣化的對應關系,并分析了14條退運電纜歷史運行數據。結果表明,14條退運電纜中,有4條電纜絕緣出現了劣化,而這些電纜都經受過穿越故障電流或外部高溫;起始分解溫度、羰基指數、斷裂能對表征xlpe電纜絕緣的劣化狀況有很好的一致性,當絕緣出現劣化時,其起始分解溫度降低、羰基指數升高、斷裂能減小;交聯電纜經受大的故障電流沖擊或外部高溫,都會加快絕緣的劣化。

隨著技術的不斷發(fā)展和電纜原材料的不斷革新，抗水樹交聯聚乙烯電纜應運而生。歐美在抗水樹電纜領域已走在前面，而我國抗水樹電纜的研制尚處于起步階段。我國抗水樹交聯聚乙烯電纜的試驗標準主要包括gb／t12706-2008《額定電壓lkv（um=1．2kv）到35kv（um=40．5kv）擠包絕緣電力電纜及附件》和dl／t1070-2007《中壓交聯電纜抗水樹性能鑒定試驗方法和要求》等。目前，抗水樹交聯聚乙烯電纜已在北美、南美、歐洲和部分亞洲地區(qū)得到廣泛的應用。我國諸多材料生產廠家已加入到抗水樹材料的研發(fā)行列中，并取得了一些階段性成果?？顾畼潆娎|未來具有廣泛的應用前景，必將成為國內電纜領域的主流。

采用共焦raman光譜分析法對交聯聚乙烯電纜絕緣發(fā)生擊穿后的通道,以及在試驗條件下加18kv工頻電壓得到的電樹枝的不同生長長度處樹枝通道進行化學產物分析,最終獲得了擊穿通道產物的材料特性、擊穿通道處有游離碳的特征峰譜線的存在,并依此判斷電力絕緣發(fā)生擊穿后絕緣材料被碳化,針尖附近亦測到游離碳的存在,但離針尖較遠處的譜圖上均沒有測得碳峰,譜圖上均有熒光背景存在,不同生長長度處電樹枝通道的譜線含有不同的交聯聚乙烯基帶峰,表明材料發(fā)生裂解,并且隨著電樹枝的生長其裂解程度不同。

本文分析了電纜及其附件絕緣老化原因和形態(tài),敘述了xlpe電纜絕緣老化的機理。指出對高壓電纜附件和缺乏徑向防水構造的xlpe電纜需重視絕緣老化問題.最后,對絕緣老化檢測方法作了探討.

針對交聯聚乙烯電纜水樹枝老化的問題,介紹電纜水樹枝形成和發(fā)展的過程,分析電纜水樹枝修復技術的原理、修復液注入工藝和研究現狀,提出該技術應用中需要解決的關鍵問題。

交聯聚乙烯(xlpe)電纜具有很優(yōu)越的電氣性能,自它一問世就受到用戶的歡迎而成為高壓電網中的新秀。但當它使用到一定年限后,常會發(fā)生絕緣擊穿事故。為此用戶必須經常對它進行絕緣狀況的診斷。過去,診斷時必須停電并對電纜施加直流高壓,不僅影響現代化連續(xù)性生產,而且施加的直流高壓還會進一步加速電纜老化。更有甚者。檢查時顯示絕緣良好的電纜,投入運行后不久就被高壓擊穿。我們研制的cdz型xlpe電纜絕緣熱線

簡要介紹了110kv級交聯聚乙烯電纜絕緣料國產化問題,提出了該產品性能指標、加工工藝和裝備的建議,并對國內生產現狀進行了分析,提出了國產化的可行性。

采用一種自制硅氧烷修復液對水樹老化電纜進行絕緣修復,通過對試驗進行對比分析,說明其修復效果良好。

介紹了目前交聯聚乙烯電纜絕緣在線檢測的各種方法,并敘述各自的有效性及實用性