交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中電樹枝測試系統(tǒng)設(shè)計

交聯(lián)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(chǎn)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(qiáng)分布。最后,根據(jù)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。

首先介紹了由“直流分量法”、“交流疊加法”和“損耗電流測量法”三者結(jié)合起來的綜合判斷方法,然后重點論述了交流疊加法的具體實現(xiàn)方案?；?種方法的綜合應(yīng)用,制成的裝置可以在不改變電力系統(tǒng)接地方式的情況下實現(xiàn)xlpe電纜水樹老化狀況的在線檢測。

針對高壓交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣試樣,在1000—2000hz10kv峰值正弦電壓下,采用計算機(jī)實時顯微數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)進(jìn)行了電樹枝培養(yǎng)實驗.基于半結(jié)晶絕緣材料中電樹枝生長機(jī)理和電樹枝結(jié)構(gòu)的分形特征,提出了一個在高頻范圍定量預(yù)測電應(yīng)力驅(qū)動下交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中電樹枝生長特性的動力學(xué)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(yù)測值與實驗中獲得的電樹枝生長規(guī)律實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,其結(jié)果有較好的一致性,表明提出的模型化方法可以應(yīng)用到交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中電樹枝老化規(guī)律的定量分析研究中.

半結(jié)晶高聚物中的電樹枝特性遠(yuǎn)比純脆性或柔性聚合物復(fù)雜,源于材料中的結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)兩相共存。在厚絕緣交聯(lián)聚乙烯(xlpe)中還存在不均勻結(jié)晶和微孔高度集中,以及殘存應(yīng)力,導(dǎo)致電樹枝特性更加復(fù)雜。本文提出利用生長速度比和擴(kuò)展系數(shù)兩個新參數(shù)來研究xlpe中的電樹枝生長規(guī)律。根據(jù)xlpe電纜絕緣中電樹枝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)弱點,分析了微孔集中、大球晶邊界及結(jié)晶排渣、應(yīng)力、電場局部集中所導(dǎo)致的電樹枝在絕緣內(nèi)側(cè)的迅速擴(kuò)展現(xiàn)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(jié)構(gòu)缺陷在電纜絕緣內(nèi)側(cè)集中問題及其對策。

研究發(fā)現(xiàn),交聯(lián)聚乙烯中存在導(dǎo)電型、非導(dǎo)電型和混合型三種電樹枝,分別對應(yīng)于不同的生長機(jī)理,主要取決于介質(zhì)的聚集態(tài)和施壓頻率等。實驗表明,均勻結(jié)晶態(tài)中的電樹枝為導(dǎo)電型,非均勻結(jié)晶態(tài)大球晶界面的電樹枝為非導(dǎo)電型;頻率會促進(jìn)非導(dǎo)電型電樹枝的發(fā)展,但對導(dǎo)電型電樹枝的引發(fā)與生長不產(chǎn)生顯著影響。非導(dǎo)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(dǎo)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(fù)合等是非導(dǎo)電型電樹枝發(fā)展的主要過程。

為了研究交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中的殘余應(yīng)力及其隨溫度的變化與松弛情況,利用電阻應(yīng)變計與電阻應(yīng)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(yīng)變量。試驗發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)過程導(dǎo)致交聯(lián)聚乙烯絕緣層中存在殘余機(jī)械應(yīng)力/應(yīng)變以及半徑方向的形態(tài)不均勻,這是導(dǎo)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(dāng)?shù)臒崽幚砉に囅溆绊?改善絕緣性能。所提測試方法簡單易行,可與計算機(jī)連接完成自動連續(xù)測量,因此可用于工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的應(yīng)變測量與分析

交聯(lián)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(wǎng)從2002年起,大規(guī)模使用交聯(lián)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(lián)聚乙烯電纜絕緣擊穿事故進(jìn)行分析和處理,掌握了一套在交聯(lián)聚乙烯電纜運行維護(hù)中,"如何減少電纜絕緣被擊穿"的有效方法。

分析了交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜在國內(nèi)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(nèi)外交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜在線監(jiān)測的幾種方法.

采用共焦raman光譜分析法對交聯(lián)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(jìn)行化學(xué)產(chǎn)物分析,最終獲得了擊穿通道產(chǎn)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(yuǎn)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(lián)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。

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

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和電纜原材料的不斷革新，抗水樹交聯(lián)聚乙烯電纜應(yīng)運而生。歐美在抗水樹電纜領(lǐng)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(lián)聚乙烯電纜的試驗標(biāo)準(zhǔn)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(lián)電纜抗水樹性能鑒定試驗方法和要求》等。目前，抗水樹交聯(lián)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(yīng)用。我國諸多材料生產(chǎn)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。抗水樹電纜未來具有廣泛的應(yīng)用前景，必將成為國內(nèi)電纜領(lǐng)域的主流。

熱老化過程不但會影響交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的電磁學(xué)和物理化學(xué)性能,還對絕緣內(nèi)水樹的產(chǎn)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(xiàn)象的影響,以及在幾個有可能的影響因素當(dāng)中,哪個因素對水樹現(xiàn)象的影響最大。實驗結(jié)果表明,在與xlpe電纜絕緣的熱老化有關(guān)的各種因素對水樹現(xiàn)象的影響中,熱氧化對xlpe電纜絕緣表層水樹的產(chǎn)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。

本文簡單介紹了交聯(lián)聚乙烯(xlpe)電力電纜絕緣損壞的主要原因,并論述了xlpe電力電纜的離線和在線診斷技術(shù)。特別提出了用0.1hz超低頻交流耐壓代替直流耐壓的優(yōu)越性和可行性。對xlpe電纜絕緣在線診斷的意義及發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

為掌握運行多年的交聯(lián)聚乙烯(xlpe)電纜絕緣劣化狀況及出現(xiàn)劣化的原因,采用熱重法、紅外光譜、機(jī)械強(qiáng)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(zhì)成分及機(jī)械性能與電纜絕緣劣化的對應(yīng)關(guān)系,并分析了14條退運電纜歷史運行數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,14條退運電纜中,有4條電纜絕緣出現(xiàn)了劣化,而這些電纜都經(jīng)受過穿越故障電流或外部高溫;起始分解溫度、羰基指數(shù)、斷裂能對表征xlpe電纜絕緣的劣化狀況有很好的一致性,當(dāng)絕緣出現(xiàn)劣化時,其起始分解溫度降低、羰基指數(shù)升高、斷裂能減小;交聯(lián)電纜經(jīng)受大的故障電流沖擊或外部高溫,都會加快絕緣的劣化。

本文總結(jié)了日本和近年來歐洲開發(fā)的500kv高壓交聯(lián)電纜結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)選型經(jīng)驗,供國內(nèi)有關(guān)單位參考。

500kV交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計

針對交聯(lián)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(fù)技術(shù)的原理、修復(fù)液注入工藝和研究現(xiàn)狀,提出該技術(shù)應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題。

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(jī)理。指出對高壓電纜附件和缺乏徑向防水構(gòu)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.

介紹了目前交聯(lián)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

交聯(lián)聚乙烯(xlpe)電纜在我國的應(yīng)用越來越廣泛,其絕緣老化的在線檢測也日益提到議事日程上來。論文就直流疊加法在線檢測電纜老化進(jìn)行了研究,用軟件作仿真,并通過實驗得出直流疊加法的切實可行性。

闡述了高壓交聯(lián)聚乙烯(xlpe)絕緣收縮的原因,以懸鏈?zhǔn)缴a(chǎn)線為例列舉降低220kvxlpe絕緣收縮的相應(yīng)技術(shù)措施,通過實際工藝驗證220kvxlpe絕緣收縮率能夠達(dá)到不大于4%的指標(biāo)。