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。     

热老化XLPE电缆绝缘的介电击穿行为的研究

击穿强度通常是用来表征检测和使用过程中的绝缘材料状态和质量的指标之一。尽管有许多报道对聚乙烯(PE)和交联聚乙烯(XLPE)的击穿电压进行了研究,但是对热老化后的交联聚乙烯电缆的击穿行为的研究不是太多。表征威布尔统计分布参数,即范围和形状参数与分子结构、物理和化学缺陷的含量和形状以及其他的物理化学性能有密切的关系。本文的目的是研究不同热老化程度的XLPE电缆的威布尔统计分布参数的变化行为。研究结果显示威布尔参数变化对XLPE绝缘材料的热老化程度是非常敏感的,利用威布尔参数与热老化程度的关系可以有效地诊断PE和XLPE电缆绝缘材料。     

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.     

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.     

热老化对电压稳定剂改善交联聚乙烯绝缘性能的影响

为了进一步提高交联聚乙烯(XLPE)的电气性能,该文选用间氨基苯甲酸作为电压稳定剂,用溶液法制备了质量分数为1％的XLPE共混物试样,并对试样进行加速热老化实验.利用空间电荷、电导率和表面电位衰减测量,研究了添加电压稳定剂和热老化前后材料的电气性能.通过试样在添加电压稳定剂与老化前后的电场和陷阱能级分布,分析了电压稳定剂以及热老化对试样内部陷阱的影响.结果表明,间氨基苯甲酸能够有效抑制XLPE中的空间电荷积聚,改善试样内部电场分布,同时降低试样的直流电导率.热老化后,试样内部出现了明显的空间电荷积聚,电场畸变明显,表面电位衰减速率下降,直流电导率有明显上升.由此可知,电压稳定剂的添加导致试样内部深陷阱和浅陷阱密度的增加,提高了电荷注入的势垒.热老化使陷阱密度下降,深陷阱加深,导致材料中空间电荷积聚,电场畸变明显,从而降低了材料的电气性能.     

热老化对交联聚乙烯电缆绝缘理化结构的影响

按照XLPE电缆热老化过程中绝缘材料理化结构的变化规律,对不同老化程度的电缆绝缘材料的热裂解活化能、结晶形态、分子结构进行分析。结果表明:不同温度热老化过程中羰基指数均随着老化时间的增加而增大;低温热老化有利于XLPE结晶形态的完善,XLPE活化能有所升高,高温热老化对XLPE结晶形态有显著的破坏作用,XLPE活化能成指数规律下降。电缆绝缘材料在热老化热裂解的同时也发生后交联,低温热老化电缆绝缘材料后交联作用占主导地位,而高温热老化电缆绝缘材料热裂解为主要因素。     

交联工艺对交联聚乙烯结晶形态的影响

交联聚乙烯(XLPE)结晶形态影响着电树老化性能和电压击穿性能。以不同交联温度和交联时间制成的XLPE薄片为试样,测试了相应试样结晶度变化的特点,观察了试样的结晶形态,分析了交联温度和交联时间对结晶过程的影响。结果表明,交联程度和交联剂过氧化二异丙苯分解产生的副产物对XLPE结晶形态构成影响,过度交联不利于XLPE晶粒的均匀分布和结晶形态的规整。     

交联工艺对XLPE击穿特性的影响研究

通过添加DCP交联剂到低密度聚乙烯(LDPE),在120～220℃交联温度下进行交联实验,观测不同交联工艺制备的交联聚乙烯试样的击穿电压和耐压时间的变化特点.结果表明:交联温度对试样的击穿电压和耐压时间有显著的影响.随着实验温度的提高,试样的击穿电压和耐压时间下降,当实验温度超过90℃时,下降幅度加剧.交联温度对交联度...     

电压稳定剂对交联聚乙烯直流绝缘性能的影响

电压稳定剂多用于交流电缆用交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘材料,尚未有研究系统探索电压稳定剂在直流电缆XLPE绝缘中应用的可行性。为了研究电压稳定剂对XLPE直流绝缘性能的影响,选取一种可接枝的芳香酮化合物(aromatic ketone compound,AKVS)作为电压稳定剂。通过熔融共混和热交联方法制备含有AKVS和抗氧剂的XLPE-A试样,以仅含抗氧剂的XLPE试样为参照,测试电压稳定剂对XLPE红外吸收光谱特性,以及不同温度下的直流击穿强度、电导特性和空间电荷积累特性的影响。实验结果表明:AKVS分子在热交联过程中能通过其乙烯基上的化学反应接枝到XLPE分子上;含有AKVS的试样不同温度下的直流击穿强度均得到大幅度提高;AKVS使XLPE电导率的温度依赖性略有增大,但对直流电缆绝缘层电场分布的负面影响并不明显;含有AKVS的试样空间电荷的分布相对更均匀、积累量相对减小,电荷消散速度相对更快。该文提出一种将电压稳定剂应用于直流电缆XLPE绝缘的方法,可以作为其他改性方法的有益补充。     

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。     

交流500kV交联聚乙烯海缆绝缘材料的步进工频击穿特性及寿命模型

世界首条500 kV交联聚乙烯(XLPE)海缆已于2018年底在舟山敷设完成。为了研究500 kV XLPE海缆绝缘材料的绝缘与老化特性,对交流500 kV XLPE海缆绝缘材料进行不同温度下的短时工频击穿试验和步进应力工频击穿试验,并运用反幂模型对该材料在电-热应力下的寿命进行计算。结果表明:该500 k V XLPE海缆绝缘材料的短时工频击穿强度在25～85℃内呈现先上升后下降的趋势,工频击穿强度显著下降的阈值温度在70℃左右;相同温度下,步进应力下的工频击穿强度随加压时间步长上升而下降;相同加压时间步长下,步进应力下的工频击穿强度和耐压时间均随温度升高先增大后减小;寿命指数n和常数C随温度的升高也呈现先上升后下降的趋势。最后提出了基于反幂模型的该交流500 kV XLPE海缆材料的寿命计算公式,可为该材料类型海缆的寿命计算以及采用该材料进行电缆结构设计提供参考。     

基于Weibull分布统计分析成核剂对LDPE击穿性能的影响

将成核剂和高压级低密度聚乙烯(LDPE)基料进行熔融共混,制备更高电压等级的绝缘材料,测试其击穿性能,并应用双参数Weibull分布统计分析其电气强度数值。结果表明:电气强度与制样时间、厚度以及后处理有很大的相关性,通过过氧化物交联剂进行交联之后,材料的击穿性能有一定程度的提高。添加不同质量分数的成核剂对LDPE电气强度的影响不同,当成核剂质量分数为0.5%并经过热交联固化后,其击穿性能最好,电气强度的Weibull分布双参数均提高,其中尺度参数提高达9.3%。     

不同老化处理对涂覆硅脂后XLPE/SIR界面击穿特性的影响

为研究不同老化条件对电缆附件界面击穿特性的影响,首先在交联聚乙烯(XLPE)/硅橡胶(SIR)平板复合试样界面处制备环形电极,然后对涂覆两种硅脂的硅橡胶分别进行热老化、臭氧老化、电晕协同臭氧老化处理,最后在交流电压下进行XLPE/SIR界面击穿试验。同时,对涂覆硅脂并经不同老化条件处理后的硅橡胶表面微观形貌、傅里叶红外光谱及凝胶含量进行分析,探究不同老化条件对涂覆不同硅脂后XLPE/SIR界面击穿特性的影响规律。结果表明:短时热老化作用对涂覆硅脂后XLPE/SIR界面的交流击穿特性影响较小,臭氧老化及臭氧协同电晕老化均可降低XLPE/SIR界面的起始放电电压和交流击穿强度。老化作用对XLPE/SIR界面交流击穿特性的影响主要是由硅脂及硅橡胶的物化特性改变引起的。     

基于国产基料的交联聚乙烯高压直流电缆绝缘材料电性能研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)高压直流电缆是直流电网的核心设备,将XLPE高压直流电缆绝缘料国产化具有重要意义。基于欧洲主流超净低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)与国内知名企业生产的2种超净聚乙烯,分别制备XLPE试样,并完成脱气处理。测量与评估3种XLPE试样的直流击穿电场强度、直流电导率、空间电荷特性等电气性能指标,综合评估交联材料电气性能。其中,一种国产交联聚乙烯材料的击穿场强与电导率性能指标接近于参考绝缘材料性能指标,其空间电荷性能指标优于参考绝缘材料性能指标,确定了XLPE高压直流电缆绝缘料国产化的可行性。     

振动载荷条件下的交联聚乙烯绝缘老化特性试验研究

为分析振动载荷对交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆的绝缘状态和运行可靠性的影响,评估热老化过程中施加振动载荷后XLPE绝缘材料微观结构及性能的变化,将2组XLPE试样分别放在恒温箱和恒温-振动箱内进行老化试验,其中在恒温-振动箱内的XLPE试样同时承受温度和振动载荷的作用。将2种老化方式下的XLPE试样在不同老化时间点的微观结构、机械性能、介电性能、热过程、耐电性能等进行比对测试。研究结果表明:在相同的老化时间下,施加振动载荷作用的XLPE试样的微观结构、机械性能、介电性能、耐电性能明显区别于的未施加振动载荷作用的XLPE试样;且存在一个老化时间限值(900~1 200 h),超过这个限制后施加振动载荷作用的XLPE试样的性能明显劣于未施加振动载荷的试样,充分证明了振动载荷对XLPE绝缘老化的加速特性。     

三明治结构聚酰亚胺/SiO_2纳米复合薄膜电学性能研究

采用原位聚合法制备了三明治结构的Si O_2纳米掺杂聚酰亚胺(PI)复合薄膜Si O_2-PI/PI/Si O_2-PI。利用透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)表征Si O_2纳米颗粒的分散状态及三层复合薄膜的断面结构,研究三层结构复合薄膜的介电性能、电导率、耐电晕性能和电气强度等电学性能。结果表明:Si O_2纳米颗粒可均匀地分散于聚酰亚胺基体中,三层复合薄膜具有清晰的界面分层;当Si O_2纳米颗粒掺杂量为20%时,三层复合薄膜的耐电晕老化时间最长,分别为纯PI和单层PI/Si O_2复合薄膜的26倍和2倍;当Si O_2纳米颗粒掺杂量为15%时,三层复合薄膜的电气强度达到最大值(280.6 k V/mm)。     

微纳掺杂对环氧/氮化硼复合绝缘热导率和击穿特性的影响

采用微米和纳米氮化硼(BN)为填料,制备了微纳掺杂环氧/BN复合绝缘材料,并对BN掺杂总量一定时,环氧/BN复合绝缘热导率和击穿特性随纳米BN掺杂量的变化进行研究.结果表明:当控制BN掺杂总质量分数为20％时,随着纳米BN含量的增加,复合绝缘的热导率略有下降,工频电气强度先上升后下降,厚度为0.2 mm的试样在8 kV、25 kHz高频双极性方波电压下的耐压时间缩短.纯微米BN掺杂的环氧复合材料热导率最大(0.83 W/(m·K)),且在高频双极性方波电压下的耐压时间最长(193 s),分别比纯环氧树脂提高了277％和408％;当纳米BN的质量分数为1％时,环氧复合绝缘的工频电气强度最高,为131 kV/mm,比纯环氧树脂提高了27％.因此,对于微/纳米共掺杂环氧复合体系而言,纳米颗粒的加入主要有助于提高复合材料的工频电气强度,但会使复合材料的热导率下降,缩短其在高频双极性方波电压下的耐压时间.     

纳米SiO_2改性环氧树脂电性能研究

为提高环氧树脂的绝缘性能,采用剪力-超声波分散和加热处理方法,制作出不同纳米Si O_2含量的环氧树脂,测试其电气性能并进行了电树枝化试验。结果表明:添加纳米Si O_2后,环氧树脂的击穿强度和介质损耗增大,电阻率和介电常数变化较小;电树枝起树时间延长,使得电树枝通道变窄,电树枝出现逆电场方向生长,纳米Si O_2的添加可以抑制环氧中电树枝的引发和生长。     

过氧化二异丙苯交联剂对XLPE击穿及陷阱特性的影响

通过表面电位衰减法(SPD)和工频击穿实验研究了过氧化二异丙苯(DCP)含量对XLPE试样击穿与陷阱特性的影响。结果表明:随着DCP含量的增加,XLPE的电气强度及深陷阱密度均呈先增大后减小的趋势,两者均在DCP质量分数为0.5%时达到最大值,这是由于未掺杂DCP时,试样内部的陷阱以浅陷阱为主,电气强度较低,随着DCP含量增加,交联过程中在XLPE内部引入了更多的深陷阱,电气强度升高。但DCP含量进一步增加时,深陷阱密度开始减小,电气强度降低。当DCP质量分数为0.5%～1.0%时有利于提高XLPE的击穿特性。