基于超低频介损和U-I滞回曲线的XLPE电缆水树老化状态评估EI北大核心CSCD

为准确地评估交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)电缆的水树老化程度,该文提出一种基于超低频介损和U-I滞回曲线的评估方法。对3组XLPE样本分别进行0、96和168h的加速水树老化,老化结束后采用快速超低频介损设备(very-low frequency dielectric loss detector,iFDS)在1mHz~1kHz范围内测试不同水树老化状态的XLPE电缆的介电频谱和不同频率下U-I滞回曲线。结果发现:水树老化后的电缆段在超低频段(1mHz~0.1Hz)的介损值显著增大,并在0.002和0.1Hz附近出现两个明显的松弛损耗峰。老化越严重的试样,U-I滞回曲线形变越严重。水树老化后电缆绝缘中产生了新的松弛极化过程,相较于单一频率0.1Hz下的介损值,超低频介电谱能够提供更丰富的绝缘状态信息。在1mHz下,U-I滞回曲线特性的偏转角变化率与曲线形变率均随超低频介损值的上升而增大,能够更加准确地评估电缆绝缘的水树老化程度。将超低频介损结合U-I滞回曲线可以有效地评估电缆绝缘的水树老化程度。     

温度和频率对XLPE电缆泄漏电流的影响

为了研究温度与频率对XLPE电缆泄漏电流的影响,采用粒料制作了XLPE片状试样,并对XLPE试样的复介电常数、电导率以及介电模量进行了测试,测试的温度和频率范围分别为20~200℃、10-2~105Hz。结果表明:复介电常数的实部随着频率升高快速降低,下降趋势随着温度升高而变缓;交流电导率与频率的关系遵循幂律定律,且其直流电导区域符合Arrhenius法则;介电模量谱很好地表征了介电松弛现象,能观察到被直流电导与电极极化淹没的损耗峰值,且随着温度的升高,损耗峰值向高频方向移动;XLPE绝缘的松弛极化的增强会造成介电常数以及松弛极化损耗的增大,在相同状态下,电缆泄漏电流会随着温度、频率的升高而增加。     

考虑电导损耗对高压XLPE海缆低频介电特性的影响

随着海上风电的快速发展，高压XLPE海缆在海洋输电系统中承担着传输电能的重任。为了研究热氧老化对高压XLPE海缆频域介电特性的影响，本文在135℃下对XLPE试样进行加速老化试验，分别对不同老化程度的高压海缆XLPE试样进行频域介电特性测试。在分析实测试样介电特性时，发现有大量电导损耗和极化损耗相互叠加于中低频域内，影响了应用频域介电特性评估高压XLPE海缆绝缘老化状态的准确性。针对这一问题，本文推导出分离介电响应数据中电导损耗和极化损耗的方法。最后探究电导损耗对模型参数辨识精度的影响，并提出表征老化程度的特征参数。结果表明：高压XLPE海缆的频域介电曲线随着老化程度加深而向高频方向移动，且低频段内弥散现象越发明显；将复介电常数虚部中的电导损耗去除后能够提高Havriliak-Negami(H-N)模型参数辨识的精度；提取的特征参数弛豫强度?ε和高频介电常数ε∞能够表征高压海缆XLPE绝缘的老化状态，可实现高压XLPE海缆绝缘老化的评估。     

XLPE电缆绝缘老化的时频域介电特性

为了研究交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘老化的介电响应特征量,对XLPE电缆试品进行了加速水树老化,在老化的不同阶段开展了极化/去极化电流(PDC)试验,并对试验数据进行了分析;利用It-lnt曲线和扩展Debye模型,提取第3支路峰值时间τ3和介质损耗因数作为老化特征量,研究了时频域介电特征量与绝缘老化的关系。研究结果表明:XLPE电缆极化/去极化电流曲线受电缆长度的影响,无法直接反映电缆绝缘的实际状态;随着老化程度的增加,第3条支路的峰值不断向右移动,低频(0.001～0.5 Hz)下电缆的介质损耗因数曲线不断上移,这是由于老化使得水树界面不断扩张,陷阱深度增大,极化过程中的损耗也不断增大。因此,It-lnt曲线中的峰值时间常数τ3与低频下介质损耗因数可作为表征电缆绝缘老化程度的特征量。     

不同温度下退役高压电缆绝缘介电特性研究

为研究不同运行年限交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘层不同位置的介电特性变化,文中对2条退役和1条备用110 kV电缆绝缘层进行分层取样,在50～250℃之间选取8个温度点,进行介电谱试验。结果表明:XLPE电缆绝缘的复介电常数在高温下随频率变化明显;各试样的电导率和松弛峰峰值频率随运行年限的增大先减小后增大,能较好反映不同运行年限电缆的介电特性变化;同一电缆试样不同绝缘层位置的松弛峰峰值频率对应的活化能和Cole-Cole曲线对应的圆心角之间的差异随运行年限的增大先减小后增大,能较好反映电缆不同绝缘层位置之间的介电特性差异。各试样介电特性在高温下随运行年限的变化可作为评估XLPE电缆绝缘状况的有效手段。     

基于冲击介电响应法的电力电缆绝缘状态评估

为了解决传统频域介电谱法在电缆绝缘测试中的不足,提出一种基于冲击电压的介电响应法用于评估电缆绝缘状态。首先从理论上对冲击介电响应法进行推导,然后从仿真角度分析用该方法评估电缆绝缘状态的可行性,最后搭建了冲击实验平台,并对不同老化时长的短电缆样本进行测试。结果表明:冲击介电响应法能够反映出电缆在较宽频率范围下的介质损耗变化,老化电缆的介质损耗因数随着频率升高出现回升现象,且随老化时间的增加其回升程度更为明显。研究结果表明冲击下的介电响应特征能有效评估电缆的绝缘老化状态。     

冷热循环条件下不同纯净度XLPE电缆绝缘低频介损变化机理研究

本文提出了一种电缆绝缘杂质含量微观性能的评价方法,可有效避免纯净度评估过程中人工显微观测主观因素的影响.基于宽频介电阻抗谱法,研究35 kV和110 kV电压等级的XLPE电缆绝缘样品在不同程度冷热循环试验条件下介质损耗因数随测试频率的变化规律,仿真计算冷热循环过程中XLPE基体与杂质缺陷的界面应力特性,分析XLPE电缆绝缘的宽频介质损耗宏观物理量参数与材料纯净度等微观性能的相关性.结果表明:35 kV的XLPE电缆绝缘经过-196～50℃下10次冷热循环处理后,0.1～1.0 Hz低频介质损耗因数增大1倍以上,而110 kV的XLPE绝缘试样介质损耗因数未发生明显变化.仿真分析表明,冷热循环过程中聚乙烯绝缘与微观杂质间产生界面应力,界面区机械应力疲劳导致缺陷扩大,加剧低频介质损耗因数增大.     

基于介电模量检测的油纸绝缘老化评估方法研究

老化是影响油纸绝缘设备绝缘强度的重要原因之一。在试验和理论分析的基础上,文中将一个新的参量——介电模量引入油纸绝缘老化状态评估,并针对不同老化程度油浸纸板试样开展宽频范围内介电模量谱测量;与频域介电谱相比较,介电模量对于油纸绝缘系统绝缘结构老化/劣化的微观机理的表征具有新的特征,其介电模量谱在低频范围内出现了明显的弛豫峰,并深入分析了水分含量与弛豫峰的相应关系及产生原因。为消除现场测量中现场环境温度可能引起的影响,通过试验和拟合表明温度对介电模量的影响规律符合Arrhenius方程,可通过计算予以校正。通过文中的研究结论,介电模量可以作为现场评估油纸绝缘系统老化程度的有效方法。     

基于高压频域介电响应的交流500kV交联聚乙烯海缆绝缘老化状态检测与分析

开展海缆绝缘性能劣化状态检测与评估是保障其安全稳定运行的重要手段。该文搭建高压频域介电响应测量平台,基于此测试分析500kV交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)新海缆和电热老化海缆的高压频域介电响应特性变化规律,并结合Dissado-Hill QDC模型对海缆高压频域介电特性变化机制进行了分析。结果表明:与新海缆相比,电热老化海缆XLPE材料的晶面间距更大,簇间极化更强,这导致同等测量电压下电热老化海缆的电容和介损值更大,其频域介电曲线随测量电压升高呈现更为明显的分层现象;电热老化海缆的介质损耗标量变化幅度平均值较小,介质损耗标量变化幅度平均值可作为海缆老化状态的表征参量,该文结果为超高压海缆绝缘老化状态检测提供了借鉴。     

长期服役XLPE电缆绝缘的空间电荷与热性能

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)具有良好的电绝缘性能,被广泛用于高压电缆的绝缘材料,但长期服役会使电缆绝缘遭受不同程度的老化,降低绝缘性能,造成供电故障。为了评估不同运行年限XLPE的绝缘老化状态,进行了陷阱参数、空间电荷、表面化学组成、热性能以及介电性能的测试与分析。结果表明,XLPE电缆随运行年限的增加,表面电位衰减速率和电荷陷阱密度逐渐增加;而且新电缆积聚异极性电荷,以深陷阱为主;运行过的电缆积聚同极性电荷,以浅陷阱为主。DSC测试获得的熔融–结晶性能结果显示随着运行年限的增加,XLPE电缆绝缘结晶度降低,使载流子更易在试样内部形成击穿通道;此外,浅陷阱对电荷的捕获能力较弱,导致材料的击穿场强降低。交联副产物的变化和羰基的形成使得电缆老化或故障时绝缘材料的浅陷阱密度增加。总之,随着服役年限的增加,XLPE电缆绝缘出现明显劣化,产生C=C键、C=O以及—OH等极性基团和物理缺陷形成新的陷阱,增加了介质的浅陷阱密度,降低了绝缘的击穿性能。     

XLPE电缆绝缘加速热老化特性

为探究长期运行环境下XLPE电缆绝缘的老化特性,在实验室条件下对电缆绝缘材料进行加速热老化实验,通过红外光谱、氧化诱导时间及频域介电响应测试,比较分析老化前后XLPE电缆绝缘的理化特性、电气特性变化规律。结果表明:红外光谱中的羰基峰值可用于定性分析XLPE绝缘材料的老化程度;XLPE绝缘高温下的降解随着老化时间的延长愈加严重,氧化诱导时间不断缩短;XPLE材料介质损耗因数频谱曲线的最小值tanδ_(min)与材料老化程度相关且与测试温度无关,因此tanδ_(min)可作为评估XLPE绝缘老化情况的特征量。     

基于弛豫过程的XLPE电缆绝缘老化状态评估

为了评估交联聚乙烯(XLPE)电缆的绝缘老化状态,引入了频率分布函数f (v)。首先采用极化-去极化电流法测得电缆弛豫电流,再用f (v)对弛豫电流进行拟合,得到能直观反映XLPE电缆老化状态的f (v)·v-log(v)曲线。结果表明:XLPE电缆弛豫电流在频域分布上有两个明显的峰,且随着老化程度的增加,两个峰的峰值和脉宽都增大。热老化电缆的弛豫电流在频域的峰值频率明显向低频方向偏移,而水树老化电缆却无明显偏移现象。f (v)对电缆的老化状态比较敏感,能反映XLPE电缆的绝缘老化状态。     

加速水树老化对XLPE电力电缆绝缘性能的影响

交联聚乙烯(XLPE)因具有稳定的理化性能和良好的电气性能而被广泛应用于中高压电缆绝缘中,而电缆长期运行会导致其内部绝缘的化学成分和物理形态的变化。为此,通过加速水树老化实验研究了水树老化对10kV交联聚乙烯电缆绝缘材料理化性能和介电性能的影响。随着老化时间的延长,发现电缆的外层绝缘首先发生化学结构变化,结晶度和密度减小,试样内外层热失重温差增大,熔融温度点向低温偏移,并且发现在介电损耗谱的低频段出现了新的损耗峰。理化和介电两个方面的分析结果表明,老化首先发生在外层绝缘,在电应力和机械应力的作用下,绝缘内部出现微观缺陷,表现为微观结构的变化。提出加速水树老化的物理和化学过程,阐明了水树老化过程对电缆绝缘材料性能的影响机制。     

运行高压交联聚乙烯电力电缆的介电性能

为探究高压交联聚乙烯(XLPE)电力电缆在运行一段时期后的绝缘性能变化表征及老化程度判别依据,对新电缆、实际运行年限为2 a、5 a、9 a和12 a的220 k V高压XLPE电缆绝缘的介质损耗因数频谱、氧化诱导期和工频击穿电场强度等进行了研究。对实际不同运行年限的电缆样本进行了轴向切片处理,制取了表面平整、厚度为1 mm的片状试样并进行了测试。试验发现:XLPE的低频介质损耗因数与老化程度存在对应关系,当频率在0.1 Hz以下时,介质损耗角正切值(tanδ)随老化程度而呈现明显线性上升趋势;随着运行年限的增长,XLPE电缆的氧化诱导期(OIT)与羰基指数这2项参数均同时增大;当运行年限达到约5 a和12 a时,XLPE电缆的击穿电场强度明显下降,运行年限为12 a电缆的击穿电场强度比新电缆的降幅可达约13%。对以上参数的测量都可以作为评估运行XLPE电缆老化状态的有效手段,其中测试运行XLPE电缆的绝缘击穿电场强度变化情况可以反映其综合老化程度,是适合于实际工程应用的简单有效方法。     

XLPE水树老化电缆介电响应下非线性研究

为了准确评估XLPE电缆的绝缘状态,利用极化-去极化电流法对不同水树长度电缆进行测试,并研究XLPE水树电缆介电响应时的非线性特性。通过测得的极化-去极化电流曲线及扩展Debye模型,对XLPE电缆的介质损耗因数(tanδ(0.1 Hz))和直流电导率(σ)进行计算,利用tanδ(0.1 Hz)和σ随电压变化趋势来反映XLPE电缆非线性特征,并分析了其非线性特征与水树电缆老化状态的关系。结果表明:水树电缆在时域的去极化电流和介质损耗因数在频域的低频段都表现出非线性特征,在频域下tanδ(0.1 Hz)的非线性特征比时域下σ的非线性更明显;XLPE水树电缆具有明显的从线性到非线性的转折电压,水树长度越长转折电压越低。上述特性可用于对XLPE老化电缆是否存在水树和水树严重程度进行判断。     

基于小波分析和时域介电谱的变压器油纸绝缘老化状态评估

为了研究变压器油纸绝缘老化特性,从而为变压器寿命评估作出指导,在实验室进行加速热老化实验,利用时域介电谱图对不同老化时间油纸试样的极化/去极化电流开展研究,结合小波分析理论对时域介电谱提出改进算法,并提取表征油纸各部分老化时间的特征量。结果表明:二次微分时域介电谱可以反映油纸绝缘的整体极化强度,测量时间1 000 s后介电谱出现峰值,且峰值随着老化时间的增加而增大;小波改进算法处理后的时域介电谱图的不同谱峰对应油纸绝缘3种主要极化类型,分别为油、油纸界面和绝缘纸内部极化;改进时域介电谱的不同峰值和峰值时间表征不同极化过程的强度和响应速度,且不同峰值与油、纸和油纸界面具有拟合优度很高的指数关系,可以考虑将改进时域介电谱不同谱峰作为表征油纸不同部分的老化特征量。     

交流电场下XLPE绝缘空间电荷研究综述

XLPE电缆目前广泛地应用于电力系统中,如何评估和预测现场运行电缆的老化及早期劣化的程度,是电缆绝缘状态评估的重要内容,然而这项研究在国内仍是空白。XLPE电缆的制造工艺过程、运行中的过电压和温升以及耐压试验过程都可能造成XLPE电缆绝缘特性的改变,导致绝缘性能下降,形成陷阱,特别是空间电荷的形成,畸变原有电场分布,直接影响XLPE电缆的绝缘特性。大量研究表明,在直流电场下空间电荷危害XLPE电缆绝缘,关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的探索较少。综述了交流电场下空间电荷效应对XLPE电缆绝缘影响的相关研究成果,并介绍了测量固体介质空间电荷分布的电声脉冲法,为从空间电荷测量角度研究XLPE电缆绝缘老化程度和状态评估提供了参考。     

热历史过程对XLPE电缆热历史温度的影响研究

文中采用差式量热扫描(DSC)法对实际服役的交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘的热历史过程进行研究,发现不同XLPE试样的DSC一次升温曲线存在着明显差异,具体表现为不同试样热历史峰的位置、大小及形状存在着较大差异,甚至有些试样观察不到热历史峰。为了研究上述差异产生的原因,对不同温度不同热老化时间的XLPE试样进行了DSC测试,当XLPE电缆绝缘所经历的热历史温度高于熔融温度时,DSC一次升温曲线上不会有热历史峰出现,此时DSC曲线的变化主要由热氧降解对XLPE晶体结构的破坏所引发。当XLPE电缆绝缘所经历的热历史温度低于熔融温度时,在DSC一次升温曲线上就会观察到热历史峰,XLPE电缆绝缘处于该热历史温度的时间越长,则热历史峰的面积越大,热历史峰的峰值温度越高,甚至有可能高于实际的热历史温度。     

热氧老化对XLPE太赫兹频域介电特性的影响

为了研究XLPE电缆绝缘的老化特性,对110 kV商用XLPE电缆绝缘在130℃下进行实验室加速老化实验。采用太赫兹时域光谱仪分别测试参考试样和XLPE试样的时域信号,经过快速傅里叶变换获得相应的频域信号,并计算XLPE试样在0.5～2.5 THz内的介电常数实部和虚部。通过差示扫描量热仪和傅里叶变换红外光谱研究老化过程中试样化学结构的变化。结果表明:随着老化时间的延长,XLPE试样的结晶度减小,氧化产物增多,老化XLPE试样在0.5～2.5 THz的介电常数实部高于未老化试样,而介电常数虚部小于未老化试样。热老化过程中,XLPE发生了分子链断裂以及氧化反应,其化学结构被破坏,分子链段运动能力增强,导致XLPE在太赫兹频率的介电常数实部增大;老化导致XLPE的结晶度减小,晶格振动强度减弱,使得介电常数虚部减小。     

油老化对变压器油纸绝缘频域介电谱的影响

为研究变压器油老化对油纸绝缘频域介电谱的影响,以便准确地评估变压器油纸绝缘老化状态,对变压器油进行加速热老化,获得3组不同老化程度的变压器油试样。采用3组油样分别对新绝缘纸进行充分浸渍,得到3组油老化程度不同的油浸纸试样。对每组试样进行频域介电特性测量,获得油浸纸试样介电参数的频域介电谱,研究油老化对变压器油纸绝缘频域介电特性的影响。结果表明:油老化严重时,油纸绝缘的复电容实部(C′)增大,虚部(C″)和介质损耗因数(tanδ)在较低频率范围受变压器油老化的影响显著,且随着油老化的加重而增大,而在较高频率范围的影响较小。