低温环境下 XLPE 材料中水树生长特性的研究

为了研究低温条件下水树的生长特性,研究了XLPE薄片样本在0℃下不同老化时期的水树生长速率变化。在XLPE薄片样本中制造针孔缺陷,之后将样本分为3组,并对其在0℃下分别进行为期14 d、21 d、28 d的加速水树老化。利用光学显微镜观测样本中的水树微观形貌和水树长度,并结合电场仿真分析水树在低温下生长速率变化原因。实验结果表明,在低温条件下,样本中的水树明显呈枝状。此外,水树生长速率随着老化时间的增加逐渐增加。电场仿真结果表明,水树长度越长,水树尖端的电场越强。根据水树生长的电机械老化理论,电场越大,水树尖端处的XLPE分子链受到的麦克斯韦应力越大,分子链越容易发生疲劳断裂,导致水树生长速率越大。     

缺陷形状对XLPE材料水树生长特性的影响

利用砂纸在XLPE薄片样本表面压制缺陷,模拟工业实际运行电缆中存在的不同形状的缺陷,然后对XLPE薄片进行加速水树老化实验,对比分析不同缺陷下的实验结果。利用光学显微镜和扫描电镜观察薄片样本水树长度及微观形态,统计不同缺陷下生长的水树长度。搭建水树老化的微观模型,并进行电场仿真分析。结果表明:缺陷深度相同时,不同形状缺陷下生成的水树长度和微观形貌差异较小,水树尺寸分散性较小。未生长水树时,电场畸变严重区集中在缺陷尖端,不同形状缺陷前端处的电场相差较大,缺陷形状对水树引发的影响很大;水树生长中后期,由于水树区域的电导率远大于XLPE材料的电导率,导致电场畸变严重区转移到水树尖端,大幅弱化了缺陷前端处的场强,因此缺陷形状对水树生长中后期的影响很小。     

以分子链疲劳断裂理论理解XLPE电缆绝缘水树生长规律

为研究XLPE电缆绝缘中水树的生长规律,对不同老化时间下XLPE材料的水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极法加速电缆绝缘水树老化,利用光学显微镜和扫描电镜观察不同老化时间下电缆水树的微观结构特征,并对水树尺寸进行测量统计。结果表明:不同老化时间下的水树形态和尺寸均存在明显差异,随着老化时间的增加,水树枝变得密集,染色区域颜色变深。在电机械应力作用下XLPE分子链疲劳累积断裂,水分以密集充水细枝的方式向四周辐射扩散,逐渐形成水树通道和微孔,随着通道和微孔数量的增加,水树逐渐变长。     

基于有限元法和疲劳理论的电缆水树老化机理

针对电缆水树老化问题,本文通过水针电极老化法加速XLPE绝缘水树老化,研究水树的微观形态,并建立了基于电场仿真和材料疲劳断裂理论为基础的水树老化模型。研究结果表明:Maxwell应力作用下的XLPE分子链会发生疲劳,疲劳累积导致分子链断裂形成微孔和裂纹,随着疲劳断裂的发展及水分的积累,逐渐发展形成相互连接的充水微孔和细枝,并最终发展形成水树。     

用有限元分析交联聚乙烯电缆中水树成长行为的研究

水树是电缆主绝缘的主要劣化现象之一,严重影响电缆的使用寿命。正确评价长有水树的材料的电场分布,对于理解水树的生长机理以及水树引起的介质击穿是非常重要的。采用具有不同物理化学性能的热老化XLPE电缆绝缘和与外加电场梯度方向成一定角度的非常规的水针电极结构进行水树枝加速老化实验,用有限元方法对水树加速老化实验中采用的结构模型进行数值电场分析,研究了水树尖端处电场增强对水树枝老化发展的影响。     

冷热两种扎孔方式下交联聚乙烯电缆中的水树生长特征

为了进一步认识机械应力对交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树生长的影响,研究了XLPE薄片试样在不同温度下受机械应力作用时的水树生长特征。对XLPE试样采用冷扎孔和热扎孔两种方式制造针孔缺陷,并对试样进行加速水树老化实验。利用偏光显微镜观测未老化试样针孔周围XLPE材料的形态,并通过显微镜观测老化试样中的水树形态。结果表明:热扎孔试样中存在明显倾斜的应力纹,且热扎孔老化试样中存在和应力纹形态相似的倾斜生长的水树枝。基于高聚物在不同温度下的力学响应特性,温度升高时XLPE材料的屈服强度降低,在较小的机械应力作用下发生取向,进而导致倾斜的水树枝出现。     

用有限元法分析水树尺寸对电场分布的影响

鉴于水树是交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆的主要劣化现象之一,而正确的评价电场分布对理解水树的生长机理及水树引起的介质击穿非常重要,利用有限元方法研究了水树枝初步生长阶段其几何参数(宽度和长度)对水树内部电场的影响。有限元分析结果显示:在相同宽度和相同介电常数的条件下,发散型水树越长,水树尖端的电场增强越明显;而在相同水树长度的条件下,水树枝宽度对水树尖端最大电场强度的影响很小;水树枝长度对电场分布的影响随内部介电常数的大小而变化,水树内部介电常数越大,水树长度对电场分布的影响越小。     

XLPE电缆在不同温度下的力学响应对水树生长的影响

为认识在不同温度下交联聚乙烯(XLPE)电缆受机械应力作用对水树生长的影响,研究了XLPE薄片样本在低温和高温下受机械应力作用时其中的水树生长特征并进行了理论分析。对两组XLPE样本分别采用冷/热扎孔两种方式制造针孔缺陷,并对两组样本进行加速水树老化实验,利用光学显微镜观测老化样本中的水树形态和尺寸。此外,分别利用偏光显微镜和红外光谱仪检测冷/热扎孔两种未老化样本中XLPE材料的取向情况,并研究不同温度下XLPE样本的力学响应及其对水树生长的影响。结果表明,在热扎孔未老化样本针孔一侧存在取向的倾斜应力纹。而在热扎孔老化样本针孔一侧出现和热扎孔未老化样本中倾斜应力纹十分相似的倾斜水树,且其长度显著高于冷扎孔老化样本针孔侧面的水树长度。基于高聚物的力学取向理论,XLPE材料的力学取向是导致出现倾斜水树的重要原因。温度升高时XLPE材料的屈服强度降低,更有利于力学取向。材料取向后,其中的水树生长方向将在很大程度上取决于取向方向,且水树生长沿取向方向加速,从而导致出现更大尺寸的倾斜水树。     

一种加速XLPE电缆水树老化的新型水电极法

基于原有的水电极老化方法,提出了一种能有效加速XLPE电缆绝缘中水树生长的新型水电极法,并针对该方法的老化机制进行了讨论。采用改进后的新型水电极法老化XLPE电缆制作水树样本,测量老化过程中电缆样本的介质损耗正切角(tanδ)的变化。利用光学显微镜、红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)分析电缆样本中水树的微观结构和形貌变化,提出相应的微观老化模型。结果表明:采用改进后的水电极法生成的水树尺寸和微观形貌差异较小,水树长度在300~400μm之间,水树形貌为团状,水树缺陷内部微孔或通道的直径在几微米到几十微米之间。采用新型水电极法老化的电缆试样稳定有效,可生成符合典型结构和特征的水树,为进一步研究电缆绝缘老化机理提供了可靠的保证。     

单一极性直流电压下交联聚乙烯电力电缆水树生长特性

为研究直流电压极性对交联聚乙烯(XLPE)电力电缆水树生长特性的影响,对4种不同极性整流电压下的XLPE材料水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极老化法,分别在正弦电压和4种整流电压下对XLPE薄片样本进行了加速水树老化。经过22 d时间的老化后,对样本进行了切片染色并观察了水树形态,对水树尺寸进行了测量统计。观测结果表明:不同极性整流电压作用下的水树尺寸和形态均存在明显差异;正极性下的水树宽度大于负极性下,水树长度却小于负极性下;正极性下的水树枝干分明,较为稀疏,水树区颜色较浅;负极性下的水树密集,枝干较粗,水树区颜色较深。基于以上观察,提出了整流电压下水树生长的离子扩散模型,认为水合离子在材料中的扩散对于水树老化过程起着重要作用。不同极性整流电压下,离子在聚合物中的扩散通量不同,通过水合带入的水分子数量不同,从而导致水树尺寸存在差异。     

XLPE 电缆绝缘水树老化的无机修复机理及试验分析

为解决电网中大量运行电缆的水树老化问题,采用一种能生成TiO2无机颗粒的修复液对水树老化交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘进行修复,研究了修复效果和绝缘提升机理。将修复液与水直接反应,利用数字电桥和扫描电镜(SEM)研究生成物的介电性能和微观特征。用水针电极法加速XLPE电缆绝缘水树老化,利用修复液对老化绝缘进行修复,测量了样本的击穿电压。通过SEM和能谱分析(XPS),对水树内的填充物进行了观察和分析。实验结果表明:该修复液能扩散到水树区域消耗水分、生成绝缘性能良好的有机-无机复合填充物填充水树空洞;同时,分析认为生成的大量TiO2颗粒能均匀电场、吸收紫外光、降低热电子加速,使修复后样本的击穿电压高于老化样本和新样本的击穿电压。通过实验研究证明,该修复液不但能修复水树老化电缆绝缘,还能进一步提升老化区域的击穿性能。     

在线注入有机硅修复液对交联聚乙烯电缆中水树生长的影响

提出了水树老化电缆的在线修复方法,讨论了在交变电场下修复液对水树的抑制作用及其绝缘修复机理。采用高频高压水针电极法对新样本、预修复样本和在线修复样本进行加速水树老化。老化一个月后,使用显微镜观察样本中水树形态并测量其水树长度。通过差示扫描量热法分析样本绝缘层的劣化程度,同时利用扫描电镜和能谱分析仪对比水树区域的微观形貌及化学结构变化。研究表明,在线注入有机硅修复液能有效地抑制水树的生长。在电场的作用下,修复液分子和水分子同时向强电场区域(如微孔、水树区域等)进行扩散并发生反应,消耗水分并且生成凝胶颗粒填充微孔,一定程度上缓解了绝缘的劣化。     

水树生长中XLPE晶区破坏现象及其对水树生长速率的影响

为了进一步探索水树生长中滞长现象(水树生长速率显著下降)出现的原因,作者研究了水树生长早期的晶区结构变化,揭示了材料晶区破坏对水树生长速率的影响.采用加速水树老化平台对A、B、C3组交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)薄片样本分别进行10、20、30 d的水树老化,老化结束后用光学显微镜观测样本中的水树形态,用化学侵蚀法腐蚀样本并用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观测水树区域晶区形貌,用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)法检测水树区域晶区结构变化.显微观测结果表明,水树老化20 d以前水树生长速率较高,达到了0.46 μm/h,而老化30d后水树生长速率显著下降至0.17 μm/h,水树生长出现滞长现象.SEM观测结果表明,老化20 d以前,样本中晶区出现位错缺陷.老化30 d后晶体中萌生裂缝及位错蚀坑.XRD检测结果表明,水树老化过程中XLPE(110)及(200)晶体衍射峰峰形产生锯齿状畸变,并且随着老化时间增长,(110)及(200)衍射峰半峰宽宽化程度增加.分析认为,XLPE晶区破坏是水树生长速率变化的重要原因.老化20 d前晶区中尚未萌生微裂纹,限制了水树密度增加,导致水树密度较低而水树尖端电场较高,水树生长速率较高.老化20 d以后,晶体中的裂缝和位错凹坑连接起来形成大量新水树枝,导致水树密度显著增加,水树尖端电场显著降低,水树生长速率显著下降.     

水树生长中XLPE晶区破坏现象及其对水树生长速率的影响

为了进一步探索水树生长中滞长现象(水树生长速率显著下降)出现的原因,作者研究了水树生长早期的晶区结构变化,揭示了材料晶区破坏对水树生长速率的影响.采用加速水树老化平台对A、B、C3组交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)薄片样本分别进行10、20、30 d的水树老化,老化结束后用光学显微镜观测样本中的水树形态,用化学侵蚀法腐蚀样本并用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观测水树区域晶区形貌,用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)法检测水树区域晶区结构变化.显微观测结果表明,水树老化20 d以前水树生长速率较高,达到了0.46 μm/h,而老化30d后水树生长速率显著下降至0.17 μm/h,水树生长出现滞长现象.SEM观测结果表明,老化20 d以前,样本中晶区出现位错缺陷.老化30 d后晶体中萌生裂缝及位错蚀坑.XRD检测结果表明,水树老化过程中XLPE(110)及(200)晶体衍射峰峰形产生锯齿状畸变,并且随着老化时间增长,(110)及(200)衍射峰半峰宽宽化程度增加.分析认为,XLPE晶区破坏是水树生长速率变化的重要原因.老化20 d前晶区中尚未萌生微裂纹,限制了水树密度增加,导致水树密度较低而水树尖端电场较高,水树生长速率较高.老化20 d以后,晶体中的裂缝和位错凹坑连接起来形成大量新水树枝,导致水树密度显著增加,水树尖端电场显著降低,水树生长速率显著下降.     

电缆的机械弯曲对绝缘层中水树生长的影响

为了研究电缆机械弯曲对其绝缘中水树生长的影响,对不同弯曲程度的交联聚乙烯(XLPE)电缆中的水树生长特性进行了对比分析。采用水针电极老化法,分别对不弯曲、弯曲程度较小和弯曲程度较大的3组电缆样本进行加速水树老化实验。经过28天加速老化后,分别对3组电缆样本进行切片,利用显微镜观察水树形态,并对水树尺寸进行测量统计。同时,结合XPLE材料在机械应力作用下的取向行为,对实验结果进行理论分析。结果表明:随着电缆弯曲程度逐渐增加,其绝缘外侧的水树形态逐渐由半圆形变为圆锥形,并且水树长度和宽度之间的差异逐渐增大。且弯曲程度越大,水树宽度超过长度越多。分析认为当电缆达到一定的弯曲程度时,其绝缘外侧的局部机械拉力将超过XLPE的屈服强度,从而导致材料分子链发生力学取向。取向后材料呈现各向异性,沿取向方向的水树生长将得到促进,而垂直于取向方向的水树生长将受到抑制,从而导致圆锥形水树的出现。     

聚合物形态变化与水树生长的关联性研究

为研究聚合物聚集态变化与水树生长特性之间的关系,对不同温度下交联聚乙烯(XLPE)材料内的水树生长特性进行对比分析。采用水针电极老化法,分别在-15、0、20、40、60、80℃下对XLPE薄片进行加速水树老化,利用显微镜观察水树形态,并对水树尺寸进行了测量统计。同时利用动态力学分析(DMA)对XLPE分子链在不同温度下的松弛行为进行了测试分析。显微镜观测结果表明:低温下水树枝干清晰,沿着电场线方向排列。随着温度的升高,水树枝干逐渐变粗变密,并且在0℃和60℃下水树整体尺寸最大。DMA结果表明:XLPE新样本的玻璃化温度为-5℃左右,α松弛峰值温度为60℃左右,材料的这两个特征转变温度与最大水树尺寸对应的温度一致。在不同温度下,聚合物分子链的运动单元不同,由于在材料聚集态转变温度处发生了运动单元的突变,从而使得水树生长速率加快。     

有限元法分析交联聚乙烯电缆水树生长机理

为了研究交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树的生长机理,采用水针电极、高频高压的方法对XLPE薄片试样进行加速水树老化实验,通过显微镜观察经硅油加热处理前后的水树形态,构建有限元仿真模型,分析水树生长与电-机械应力的关系,并建立了水树生长的数学模型。结果表明:电-机械应力是导致水树生长的主要原因。在交变电场的作用下,环境中的水分在电缆绝缘中的杂质或缺陷处聚集,形成一系列充水微孔,并对其周围XLPE材料形成交变的Maxwell应力,导致XLPE分子链因应力疲劳而发生断裂,疲劳断裂的累积导致微孔体积增大、数量增多,这些微孔通过水树通道相连形成树枝状的水树形态。     

由异常水树形态洞察力学取向对水树生长的影响

为了进一步理解机械应力对交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树生长的影响,研究了机械应力和XLPE样本中水树形态之间的关系,并提出了XLPE材料的力学取向对水树生长的作用机制。以热钢针在两组XLPE样本中扎孔的方式模拟电缆绝缘受到的机械应力作用,并仅对其中一组样本进行加速水树老化实验,另一组样本仅利用偏光显微镜观察针孔缺陷周围的应力纹形态(XLPE材料取向的宏观形态)。在水树老化样本中发现了异常水树形态,而此异常水树形态和未进行水树老化的样本中观察到的应力纹形态极其相似。以高分子力学取向理论为基础,并结合电场仿真模型,分析了XLPE材料的力学取向和水树形态的内在联系。研究表明,XLPE材料的力学取向在很大程度上决定了水树的生长方向。由于XLPE材料取向后出现各向异性,在取向方向上水树生长将得到促进,而在与取向方向垂直的方向上水树生长将受到抑制,从而导致异常水树形态的出现。     

XLPE粘弹性与水树自恢复后微观形貌变化的关联

为研究交联聚乙烯(XLPE)绝缘内部水树自恢复后的微观形貌变化与其粘弹性对水树自恢复的影响机制,室温下(20℃)对2组XLPE样本分别施加有效电压老化时间均为21天的持续性老化与周期性老化。实验结果发现:相较于持续性老化样本,周期性老化样本中水树产生了自恢复现象,其水树样本尺寸较短,而扫描电镜(SEM)观察到其水树区域的微孔却尺寸相对较大,分布也较为密集。通过动态热机械分析(DMA)测试和电场仿真,表明交变电场下XLPE内部弹性能量的不断累积与形变的逐渐增大,直至超过其弹性极限时将导致水树生长。周期性电压老化下的水树样本在撤去电压后,水分逐渐渗出水树区域,储存在水树通道和微孔内部的弹性能量逐渐消失,从而导致其水树尺寸明显小于持续电压老化下的水树样本。此外,老化过程中,水分多次重复进出已有的水树区域,对周围的XLPE基体造成机械疲劳损伤,是导致周期性老化样本水树区域微孔尺寸较大,分布密集的原因。     

基于硅氧烷的XLPE电缆水树修复方法研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘电力电缆在经过长时间运行后会发生水树老化,降低电缆绝缘强度,威胁电力系统的安全稳定运行。笔者设计了一套XLPE电缆绝缘水树修复装置,利用硅氧烷修复液对电缆试样进行了修复工作,详细介绍了修复过程并深入分析了修复机理。然后仿真对比了修复前后不同类型水树区域的电场变化,测试了修复后电缆介质损耗角正切与绝缘电阻的变化趋势,接着对电缆进行了加速水树老化实验,利用光学显微镜观察老化后XLPE绝缘中的水树生长情况。研究表明:修复液与水能快速反应产生聚合物填充水树孔隙,逐步提升电缆整体绝缘性能;生成物的介电性能与XLPE接近,能显著改善水树区域特别是尖端的电场,抑制水树的进一步生长,有效延长电缆使用寿命。