电缆附件用硅橡胶力-热老化特性及电-热-力多物理场耦合仿真研究

长期运行过程中,高温及界面压力作用会导致电缆附件硅橡胶(silicon rubber,SIR)绝缘发生老化,影响附件材料的电-热-力综合性能,易引发放电故障.该文采用实验和仿真结合的方法,研究力-热联合老化作用下硅橡胶材料的电-热-力综合性能变化规律;进一步仿真研究了SIR材料参数变化引起的电缆附件电场、热场和力场变化.实验结果表明,随着老化程度的不断加深,SIR的交联程度和分子运动体系会发生变化,导致材料的电-热-力性能发生不同程度的改变.相对介电常数呈现先下降后上升的趋势,体积电阻率、击穿场强和闪络电压等均呈现先上升后下降的趋势;此外,随着老化时间的延长,材料拉伸强度和断裂伸长率逐渐下降.仿真结果表明,力-热联合老化引起的电缆附件应力锥根部电场强度变化较小,维持在2.2 k V/mm左右;不同老化程度下绝缘层内外侧温差较为明显,最大温度梯度为9.15℃;应力锥根部界面压力从0.263 MPa下降到0.230 MPa,下降约12.5%.该工作对于配电电缆附件绝缘性能评价和故障分析具有指导意义.

动车组车顶高压电缆终端材料特性分析及电-热耦合场仿真研究

动车组运行环境复杂,在电、热、高速气流等多重因素影响下的车顶高压电缆终端绝缘材料性能是影响动车组供电系统安全稳定的重要因素。本研究采用实验分析与仿真计算相结合的方法,测试分析了车顶电缆终端典型绝缘材料的导热性能、玻璃化转变温度和介电性能;通过建立车顶电缆终端电-热耦合仿真模型,分别研究了室温下电缆终端电场分布以及不同环境温度下的电缆终端温度分布。结果表明:三元乙丙橡胶和环氧树脂的导热系数均随着温度的升高而增大,高于80℃时,导热系数随着温度的升高有所减小。室温下,三元乙丙橡胶和环氧树脂的导热系数分别为0.251 W/(m·K)和0.431 W/(m·K)。三元乙丙橡胶的相对介电常数随着温度的升高逐渐减小,从-60℃的3.70减小到100℃的3.28;环氧树脂的相对介电常数随着温度的升高逐渐增大,从-60℃的5.02增大到100℃的5.29,这是由于二者的玻璃化转变温度不同引起的。仿真结果表明:温度引起交流电缆终端的电场变化不大,最大畸变点出现在应力锥根部,其值为3.120 kV/mm;其次电场集中分布在电缆主绝缘,电场强度为2.995 kV/mm。

高压电缆绝缘热老化特性及破坏机理研究

高压电缆长期运行过程中温度引起的绝缘材料热老化是影响其整体绝缘性能的重要因素。通过对高压电缆主绝缘层切片取样,研究分析了不同老化程度试样的微观形貌、官能团、结晶度、交联度等理化性能变化规律,测试分析了不同老化程度试样的电阻特性、介电性能和击穿特性,仿真模拟了不同温度下交联聚乙烯分子链的运动情况,进一步讨论了热老化对其微观结构的破坏演变机理。研究结果表明,老化2160 h后试样的晶区结构破坏较为严重,随着老化时间的延长,相邻晶区的间距增大,晶区排列松散,无定型区面积增大;羰基指数从3.88%增大至11.06%,羟基指数从1.58%增大至10.98%,结晶度从35.43%下降至35.05%,交联度先降低后升高。老化后试样的绝缘性能相应的发生变化,体积电阻率从2.76×10^(17)Ω·cm下降到4.10×10^(13)Ω·cm,介电常数从2.49增加至2.73,击穿场强从55.80 kV/mm下降到42.19 kV/mm,这主要是由于热老化破坏了试样的分子结构,促使其改变了结晶区与非晶区占比,产生了羰基、羟基等极性官能团,加快了电缆绝缘材料的性能下降。该工作对于高压电缆绝缘性能评价和异常分析具有指导意义。

不同热老化温度下高压电缆绝缘特性及失效机理

高压电缆的运行温度是影响其绝缘性能的关键因素。该文通过对交联聚乙烯(XLPE)开展不同温度下的加速热老化实验,对比了XLPE微观理化性能和宏观电学性能的变化规律。同时,在微观层面模拟了XLPE分子在不同温度下自由体积与均方位移的变化规律,在宏观层面结合XLPE的介电性能分析了高压电缆内部温度场的变化规律,进而揭示了高温下高压电缆的绝缘失效机理。研究结果表明,随着老化温度的升高,XLPE分子的劣化程度加快,羰基、碳碳双键等官能团含量增大;介质损耗因数与介电常数逐渐增加,甚至出现了突增的现象;结晶区结构的被破坏加快了击穿场强的下降;分子运动加剧,自由体积率从12.53%增大至14.07%。老化后介电性能的下降会导致电缆内部温度升高,从而对电缆的热老化起到了正反馈作用。

绝缘隔板对空气间隙放电光谱特性的影响及电荷演变机理

在空间有限的开关柜等电力设备中,开展棒-板间隙放电的放电规律以及检测方法的研究具有重要意义。实验探讨了“棒电极-绝缘隔板-接地电极”系统中不同隔板材料、隔板位置时放电光谱的分布规律;采用表面电位计,计算分析了放电后绝缘隔板表面陷阱能级分布特征;通过建立等尺寸绝缘系统仿真模型,分析绝缘隔板的引入对电子密度、电场分布的影响,揭示放电机理。实验研究表明,绝缘隔板的引入,可以显著提高系统的击穿电压,最高可提升1.6倍。不同隔板材料对应的放电光谱特征信息有所不同,环氧树脂隔板的放电光谱强度整体较大,但在波段309.25 nm、589.05 nm处聚酯板的光谱强度略大于环氧树脂。此外,电极间距对放电光谱具有较大的影响。隔板材料表面存在明显的残余电荷,环氧树脂的电荷积聚高于聚酯板,对击穿电压的影响较大。仿真结果显示,隔板材料的改变会影响击穿电压的幅值,同时会改变微观粒子的物理运动,从而改变放电光谱。研究成果可为电力设备光谱放电监测和绝缘状态评估提供理论和实验指导。

电缆附件用二元复合硅橡胶电气性能及机理分析

分子链结构对硅橡胶的电气绝缘性能具有较大影响,本文通过实验与分子模拟相结合的方法,探究不同比例、不同种类的硅橡胶共混对复合硅橡胶电气性能的影响规律及机理。结果表明:苯基/乙烯基共混硅橡胶(PMVQ/MVQ)的电气强度提升明显,苯基硅橡胶质量分数为15%的PMVQ/MVQ复合材料体积电阻率为1.04×10^(16)Ω·cm,电气强度为106.87 kV/mm,与乙烯基硅橡胶相比分别提升了1.77倍和13.22%。三氟丙基/乙烯基共混硅橡胶(FMVQ/MVQ)的介电性能得到改善,三氟丙基硅橡胶质量分数为15%的FMVQ/MVQ复合材料介电常数为3.74,与乙烯基硅橡胶相比提升了40.07%。分子模拟结果表明,苯基/乙烯基共混硅橡胶的自由体积随苯基硅橡胶含量增大而减小,三氟丙基/乙烯基共混硅橡胶的自由体积随三氟丙基硅橡胶含量增大而增大,与复合硅橡胶击穿现象吻合。

高压电缆半导电屏蔽料关键问题及研究进展

半导电屏蔽层作为高压电缆的重要组成部分,在电缆结构中起到均匀电场的作用。目前,我国高压电缆制造技术快速发展,然而高电压等级电缆料严重依赖进口,存在较多的技术壁垒。该文从高压电缆屏蔽料发展历程及关键问题、屏蔽料组成及关键性能参数、屏蔽料性能提升及改性3个方面综述了高压电缆屏蔽料的研究进展。首先,梳理高压电缆半导电屏蔽料发展历程,提炼当前屏蔽料面临的主要技术瓶颈和关键问题;其次,探讨屏蔽料导电和导热机理,从基体树脂、导电填充物和添加剂3个方面分析屏蔽料组成及性能,分析不同电压等级屏蔽料关键性能参数与技术要求;最后,探讨半导电屏蔽层配方,半导电屏蔽层–绝缘层界面特性和半导电屏蔽层性能对绝缘层电荷积聚特性的影响,并提出通过半导电屏蔽层改性抑制高压直流电缆绝缘层电荷积聚的方法。该文所做工作可为我国高压电缆半导电屏蔽料的研发、高压电缆性能评估提供理论参考。

正电性纳米层状材料对聚酰亚胺电性能的影响

二维纳米层状材料是改善聚合物电性能的重要填料。以对氨基苯甲酸为插层剂,利用离子交换制备了有机插层水滑石。以插层水滑石为纳米填料,通过原位聚合制备了水滑石/聚酰亚胺复合薄膜材料,研究具有正电性的水滑石层状材料对聚酰亚胺薄膜耐电晕性能的影响。结果表明:层板间的对氨基苯甲酸与聚合物的键合作用以及层板间聚合物分子链的增长,促进了水滑石在聚合物基体中的剥离分散;剥离后形成具有正电性的层状纳米片对复合材料的不同性能呈现不同的影响规律;层状纳米片能够提高复合薄膜的电气强度(增加了11%)和耐电晕时间(增加了4.7倍),同时能够增强和增韧复合材料。

空间电子辐射环境中绝缘介质电荷沉积特性及陷阱参数研究综述

空间电子辐射环境中绝缘介质充放电特性与介质表面电荷交换过程或内部电荷迁移过程密切相关.介质表面/内部电荷运动很大程度上取决于材料的微观特性,空间电荷与陷阱是反映绝缘介质微观特性的重要参数.本文综述了电子辐射环境中绝缘介质内部空间电荷和陷阱的形成、作用机理、测量方法、存在的问题及国内外研究现状.首先,简要介绍了入射电子与介质材料的相互作用机理及沉积电荷的形成;分析了电子束辐射下介质内部电荷迁移模型,辐射诱导电导模型(RIC模型)和电子-空穴对的产生/复合模型(GR模型)的优缺点;对比分析了经典电声脉冲法(PEA)以及适用于电子束辐射下空间电荷测量的"短路PEA"和"开路PEA",并总结了电子辐射下PEA装置设计中存在的主要技术难点;其次,简要介绍了电子束辐射下陷阱的形成及作用机理,分析了聚合物介质陷阱参数的提取方法,如热刺激电流法、表面电位衰减法(电晕注入方式或电子辐射方式)、空间电荷衰减法,指出在同一真空环境中完成电子注入和表面电位测量的方法较适合空间介质材料陷阱参数的表征,并以聚酰亚胺为例,进行了陷阱参数提取;最后,从理论模型、参数表征和测量技术等方面,展望了空间绝缘介质亟需解决的科学问题.

高压直流电缆附件XLPE/SIR材料特性及界面电荷积聚对电场分布的影响

双层绝缘介质界面电荷积聚是导致高压直流电缆附件界面放电的重要原因。该文测量分析交联聚乙烯(XLPE)和硅橡胶(SIR)两种介质的介电性能、电导特性和导热特性;通过建立高压直流附件电-热仿真模型,研究不同温度下XLPE/SIR界面电荷积聚特性及局部电场畸变引起的附件内部电场变化规律。实验结果表明,室温下SIR的电导率略高于XLPE材料,随着温度的升高,XLPE的电导率增加较为明显,而SIR的电导率增加则相对缓慢,高温下两种介质电导率不匹配是导致界面电荷积聚的重要原因。室温下XLPE/SIR界面积聚负电荷面密度约为3.42×10^(−4)C/m^(2),这部分电荷会增强电缆主绝缘电场,削弱应力锥根部电场畸变,主绝缘电场增加约36%,应力锥根部电场畸变下降约62%。当温度超过约36℃时,XLPE/SIR界面开始积聚正电荷,随着温度的升高,开始出现极性反转现象,造成应力锥根部局部电场畸变加重,70℃时最大畸变电场达到12kV/mm。

配电电缆附件复合绝缘界面缺陷类型和位置对电场分布的影响研究

配电网电缆附件是配电网系统的关键部件,其复合绝缘XLPE/SIR界面是最为薄弱的绝缘位置。该文模拟了电缆附件安装和运行过程中出现的典型缺陷,设计了电缆附件复合绝缘XLPE/SIR界面存在气泡、气隙、水珠、水膜、金属杂质、半导电杂质和绝缘杂质七种界面缺陷结构,通过建立配电网电缆附件界面缺陷电场仿真模型,研究典型缺陷下电缆附件内部电场畸变规律。仿真结果表明:在工频下,气泡缺陷与气隙缺陷在界面上引起的最大电场强度畸变值分别为13kV/mm和4.58kV/mm,随着气泡缺陷尺寸的增加,电场畸变呈小幅增大趋势;水珠缺陷和水膜缺陷引起的最大畸变电场分别为2.94kV/mm和3.74kV/mm,随着缺陷尺寸的增大,电场畸变明显加剧,当尺寸增大两倍时,水珠和水膜引起的最大畸变电场分别提高了18.7%和16%;随着缺陷远离应力锥根部,金属缺陷与半导电缺陷引起的电场畸变先增大后减小,最大畸变电场出现在距离应力锥约2mm处,畸变值约为3.65kV/mm。相比而言,绝缘缺陷引起的最大电场畸变出现在应力锥根部,约为8.74kV/mm,随着缺陷远离应力锥根部电场畸变呈现明显的下降趋势。该文研究结果对于配电网电缆附件故障分析和运行维护具有重要的指导意义。

动车组车顶高压电缆终端电场仿真及界面缺陷模拟研究

动车组车顶电缆终端属于高压系统的关键部件,也是影响动车组安全运行的关键设备。本研究分析了高压电缆和电缆终端的结构特点,建立了电场仿真模型。采用宽频介电谱系统测量了电缆终端用绝缘材料三元乙丙橡胶(EPDM)和环氧树脂(EP)的介电参数随温度的变化。对比分析了不同运行工况下电缆终端电场分布,模拟了电缆绝缘和应力锥界面气泡和水珠缺陷对界面电场分布的影响。结果表明:在动车组运行温度范围(-40~60℃)内,随着温度升高,EPDM的介电常数逐渐减小,EP的介电常数则缓慢增大;环境温度变化对电缆终端电场分布的影响较小,复合绝缘界面的最大切向场强保持在0.40 k V/mm左右;额定电压下电缆绝缘与应力锥的界面切向场强为0.40 kV/mm,冲击电压下界面切向场强为4.73 kV/mm;复合绝缘界面气泡引起的最大畸变电场为8.48 kV/mm,界面水珠引起的最大畸变电场为4.45 kV/mm。研究结果可为电缆终端的故障分析提供理论参考。

海底交流电缆半导电屏蔽层/绝缘层性能对比研究

海底电缆输电在跨海域联网建设中发挥着重要作用。海缆电缆半导电屏蔽料的基本特性以及半导电层/绝缘层的电学、热学性能直接影响电缆的整体绝缘性能。文中从半导电料的基本理化性能出发,表征了海底电缆半导电屏蔽料的物理和化学性能,研究了半导电层/绝缘层的热学性能和击穿特性。导热系数分析表明,海缆半导电层由于含有大量CB颗粒,导热系数整体较高,约为绝缘层的两倍,随着温度升高,二者的导热系数均呈现缓慢增加趋势,半导电层导热系数由25℃的0.68 W/(m·K)增加到80℃的0.83 W/(m·K)。热膨胀特性分析表明:随着温度升高,海缆绝缘层的热膨胀系数比半导电层高出1.5倍左右,总体上两种材料受温度影响,形变不大,90℃时相对形变量分别为2.47%和1.28%。海缆击穿试验表明:随着温度的升高,海缆绝缘层的击穿场强逐渐降低,由25℃的125.2 kV/mm下降至90℃的92.5 kV/mm,相比绝缘层而言,海缆半导电层/绝缘层复合结构击穿场强下降幅度不大,说明二者具有较好的匹配性,尤其是在高温下保持了良好的击穿性能。该工作对于海底电缆绝缘性能提升和击穿故障分析具有重要的参考意义。

片状氧化铝对环氧树脂复合材料性能的影响

本文通过熔盐法制备氧化铝纳米片,采用浇注法制备氧化铝/环氧树脂(Al_(2)O_(3)/EP)复合材料,并对氧化铝结构及复合材料性能进行表征和测试。结果表明:Al_(2)O_(3)纳米片的掺杂可以显著提高环氧树脂复合材料的导热性能和击穿性能,当Al_(2)O_(3)的质量分数达到70%时,复合材料的导热系数与纯环氧树脂相比提高了4.56倍,电气强度由纯环氧树脂的48.8 kV/mm提高到58.5 kV/mm,提升了约19.88%。同时,复合材料的介电性能随着氧化铝含量的增加有明显的提升。

温度对海底电缆半导电屏蔽层电学-热学性能的影响研究

海底电缆被广泛应用在跨海联网输电工程,环境温度会改变半导电屏蔽层的电学性能和热学性能,进而影响海缆整体绝缘性能。从海底电缆半导电层的基本性能出发,研究了温度对其电学-热学性能的影响。热学性能分析表明,随着温度的升高,试样的导热系数整体呈先上升再下降的趋势,在80℃附近达到峰值,最大值为0.83 W/(m·K),比室温下高出约1.5倍;当温度超过80℃时,由于EVA的作用,海缆半导电层的导热系数显著下降。热膨胀系数分析表明,随着温度的升高,试样的热膨胀系数先上升后下降,由25℃的1.36×10^-4/K增加至70℃的2.07×10^-4/K;当温度超过70℃时,热膨胀系数开始趋于缓慢下降,100℃时,热膨胀系数降低至1.88×10^-4/K。电学性能分析表明,随着温度的升高,试样的电阻率整体呈上升趋势,在80℃之前电阻率相对较低,当温度高于80℃时,半导电层表现出较明显的正温度系数效应。随着温度的升高,半导电层/绝缘层复合试样的交流电气强度呈现下降趋势,由25℃的104.5 kV/mm降低至90℃的90.8 kV/mm。总体上在温度作用下海缆半导电层和绝缘层具有较好的匹配特性。

盐雾对电缆附件硅橡胶电气绝缘性能影响及其机理

盐雾是近海和海上电力设备运行中不可避免的环境因素,容易引发电缆附件闪络和击穿等放电故障。从微观形貌及官能团特性、憎水性能、介电性能、表面特性和放电特性等方面研究了盐雾处理后硅橡胶材料的电气绝缘性能变化规律,揭示了盐雾对硅橡胶材料绝缘性能的影响机理。实验结果表明:随着老化时间延长,硅橡胶憎水性能逐渐下降,由于盐雾溶液会渗透硅橡胶表面,造成水分子与杂质离子增多,导致表面电阻有所下降,表面缺陷数量增多。此外,沿面闪络电压和击穿强度均有一定程度的降低,这是由于氯离子(Cl–1)具有一定的腐蚀性,会破坏硅橡胶分子链段。研究结果对于电缆附件老化性能与失效评估具有指导意义。

如何理解工程电介质中极化与电导两个基本物理过程及其测量的科学原理与方法

对法拉第提出的电介质是一种具有极化(储存电能)与仅能通过微弱电流的物质的原始定义做了新的合理诠释,提出按束缚能划分参加电介质极化与电导两个基本物理过程的基本物理单元,指出极化与电导的共存性。特别是介绍了复合电介质中具有分形时间与分形逾渗结构,以及空间电荷相关的基础物理知识。提出空间电荷注入由浅至深陷阱的俘获截面判据以及电介质中类氢原子的陷阱模型。描述低电场下电介质极化与电导的时域–频域响应,补充了与强低频弥散密切相关的分形时间与分形结构的普适响应。通过分析空间电荷极化与电导的相关研究方法,提出强电场下几种典型的电子电导相关性及其区分方法:等温衰减、热激电流与时域–频域谱在t/τp^1时三者之间的等效性;M. W微纳界面极化电子隧穿的尺度判据;SCLC(j-Vn)图形法分析陷阱深度与密度的相关特性;脉冲电声法仅是一种测量技术,而不是一种具有科学原理的测量方法;直流法的共性与互通性。针对科学研究方法的重要性,提出图形法、矩(重心)法、理解公式法,以及三种具体的研究方法。

工程电介质的基础物理知识与学习思考方法

基础物理知识运用到工程电介质领域的研究中,不仅能够提高学者们的知识储备,还能提高实验技术创新水平。该文依据爱因斯坦还原论、费因曼的物理学讲义、能量守恒定律以及海逊堡测不准原理,分析了经典力学中双态及多态简谐振子的能谱特性或色散关系,晶格振动量子态——声子、氢原子、氢分子、半导体杂质能态、极化子与激子等有效半径与能谱。归纳了由薛定谔方程建立的近自由电子近似与紧束缚近似的能带结构,能隙的成因与有效质量近似的物理意义,安德逊莫特定域态的物理本质,能隙结构与应用,非均匀或复合材料逾渗理论的重要性与普适性,以及同它相关的分形与分形维数。

二维水滑石纳米片对氧化铝/聚酰亚胺复合薄膜耐电晕性能的影响

将二维层状材料水滑石剥离为二维纳米片分散液,向其中加入纳米氧化铝,并进行聚酰亚胺(PI)的原位聚合,构筑PI/水滑石纳米片/氧化铝纳米粒子三元复合薄膜。结果表明,在PI薄膜中同时加入质量分数为10%氧化铝和2%水滑石纳米片,比仅加入质量分数为10%氧化铝时的耐电晕时间(180 min)提高了12倍,拉伸强度提高了37.8%。聚合物中同时加入纳米片、纳米粒子两种不同形貌填料,能够同时提升复合材料的耐电晕性能和机械性能。

绝缘层厚度对高压直流电缆电场和温度场分布的影响

高压电缆电场和温度场分布是绝缘层厚度设计需要重点考虑的因素。该文建立了高压直流电缆电-热耦合仿真模型;测量并分析电缆绝缘层和半导电屏蔽层的电阻特性和导热特性随温度的变化规律;计算绝缘层厚度对电缆电场和温度场的影响规律,讨论了载流量和敷设方式对不同绝缘层厚度电缆温度场分布的影响。实验结果表明,随着温度的升高(25~90℃),XLPE电阻率下降2~3个数量级,半导电屏蔽层则由21.4Ω·cm增加至75.5Ω·cm;整体上,半导电屏蔽层导热系数约为绝缘层的两倍。将实验参数代入仿真模型,发现绝缘层厚度从20mm增加至35mm时,绝缘层内侧电场降低约34%,绝缘层内外温差增加约54%;随着载流量的增加,绝缘层温差由800A的3.5℃增加到2400A的31.4℃;三种敷设方式散热效率由高至低依次为隧道敷设、直埋敷设和管道敷设。