基于电应力损伤特征值的XLPE绝缘电压耐受指数评估方法研究

XLPE绝缘的电压耐受指数n表征绝缘电寿命特性,对加速寿命试验中获取的失效数据进行分析可以获取n值,然而,加速寿命试验中的外施场强与试验所获失效数据的分析方法影响n值的准确性。本文研究电压耐受指数n的评估方法,对XLPE绝缘试样分别进行恒定应力试验与步进应力试验,提出基于损伤特征值的试验数据分析方法,该方法通过损伤矩阵建立试验中累积损伤阈值(Dc)与n的映射关系,以矩阵秩的变化作为n值的选取依据。结果表明:本文所提方法在恒定应力试验中获取的XLPE绝缘电压耐受指数n2=12.43,在步进应力试验中获取的XLPE绝缘电压耐受指数n3=12.04,较线性拟合获取的XLPE绝缘电压耐受指数n1=12.83仅相差3%与6%,且本文所提方法能够节省75%以上的试验时间,验证了该方法的有效性。

尖端及气隙联合缺陷下XLPE材料电树枝起始特性及其影响因素研究

交联聚乙烯(XLPE)中内部缺陷是导致电缆中电树枝产生的主要诱因,而电树枝的出现将造成电缆绝缘的整体失效,探寻不同绝缘缺陷特征对电树枝起始的影响规律及机理,可为设计、生产环节中改善电缆绝缘提供理论依据。考虑到凸起及气隙的联合缺陷为电树枝引发的主要诱因,本文搭建了针-电极短电缆实验平台以模拟缺陷下电树枝的引发及生长,并建立了缺陷下电应力物理模型,明确了缺陷模型下各缺陷特征对电树枝起始发展的影响规律。研究表明:XLPE电缆中半导体层缺陷的最大电场分布可采用针-板电极下最大场强Mason模型进行描述;由实验及数值化模型结果分析出缺陷的突刺曲率、微孔压强及材料耐受阈值ΔW_(0)与电树枝起始电压呈正相关,可分别从制造工艺、安装铺设等过程中调控三类缺陷特征,以提高实际工程中XLPE电缆的抗电树枝老化能力。

国产与进口XLPE绝缘高压交流电缆短时与长时击穿特性

为探究国内外高压电缆XLPE绝缘料的性能差异,制备了220 kV国产与进口电缆绝缘切片试样,对比了两种绝缘料的分子量、熔融和结晶特性、交联副产物含量、短时击穿特性与长时击穿特性。实验结果表明:国产220 kV XLPE电缆绝缘的分子结构、结晶度、熔融温度以及副产物含量均与进口绝缘料无明显差异。分析了两种绝缘料短时击穿场强的Weibull分布特性,发现30~50℃下国产XLPE绝缘特征击穿场强高于进口绝缘料,而当温度超过70℃时国产XLPE绝缘特征击穿场强显著下降且低于进口绝缘料,并且国产XLPE绝缘料击穿场强分散性更高。分析了70℃下两种绝缘料在5个电场下的击穿时间,采用反幂模型分析了击穿电场和时间直接的关系,结果表明国产与进口220 kV绝缘料寿命指数值分别为19.3和19.5。研究结果对国产XLPE绝缘的研发与应用提供了理论与实验支撑。

基于泄漏电流频谱特征的XLPE电缆电树缺陷诊断技术

实现电缆电树缺陷的在线诊断对电力系统的稳定运行具有重要意义。泄漏电流蕴含丰富的绝缘信息且满足现场带电检测的需求,是极具前景的可实现在线监测与诊断的检测手段。开展基于泄漏电流频谱特征的XLPE电缆电树缺陷诊断技术研究,从实验研究与仿真分析两方面开展相关工作。首先搭建XLPE电树培养与泄漏电流检测平台,在电树缺陷从起始到击穿的全过程中,对电树枝的形态以及泄漏电流幅值与频谱特征进行实验研究;然后建立电树缺陷物理场仿真模型,计算不同形态下电场强度分布,并分析电场特征与泄漏电流频谱特征的相关性。研究结果表明,在电树缺陷击穿前15 min左右,泄漏电流的幅值在短时间内由585.3μA逐步增大至1 200μA以上,总谐波畸变率短时间内由7.7%增长至35%以上,以泄漏电流的幅值和总谐波畸变率为特征参量,可以在击穿前对电树缺陷进行诊断预警。相关性分析结果表明总谐波畸变率与电场强度正相关,其有着作为电缆缺陷类型诊断参数的潜力。

基于多维介电参数雷达谱图的XLPE电缆老化状态综合评估

极化-去极化电流(PDC)法被广泛用于评估交联聚乙烯(XLPE)电缆的绝缘状态,但现有研究倾向于采用单一介电特征参数反映绝缘的老化情况,未充分利用PDC结果中丰富的介电响应信息,且单一介电参数难以适用于不同的老化类型。为解决上述问题,本文提出了一种改进的雷达谱图评估方法,以综合利用多维介电参数,全面评估XLPE电缆的绝缘状态。为验证所提方法的有效性,对人工加速热老化与水树老化的XLPE短电缆试样进行了PDC测试,并利用提出的多维介电参数雷达谱图方法对PDC测试结果进行分析。结果表明:雷达谱图中多边形面积参数能够较好地反映两种老化XLPE电缆的老化程度。

高压及超高压XLPE电缆附件施工时电缆绝缘处理工艺

在XLPE电缆附件安装施工过程中,需将电缆接头与其他附件进行连接,在现场施工时,经常出现电缆绝缘处理不到位的情况,导致电缆接头与其他附件无法良好连接,影响电缆使用寿命。因此,在现场施工前对电缆绝缘进行处理十分必要。本文主要对高压及超高压XLPE电缆附件施工时电缆绝缘处理工艺进行分析。通过对高压及超高压XLPE电缆附件施工中电缆绝缘处理工艺的分析,总结现场施工经验,可为现场施工提供一定的参考。

电压稳定剂接枝改性对500 kV直流XLPE电缆材料电气性能的影响

为了研究4-乙酰氧基苯乙烯(AOS)电压稳定剂接枝改性对500kV高压直流交联聚乙烯(XLPE)电缆材料在不同温度、电场强度和接枝含量下的电气性能的影响,该文通过熔融接枝法制备了不同含量的AOS接枝XLPE(XLPE-g-AOS)试样,通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱和差示扫描量热实验分别表征试样的微观形貌、理化结构和结晶特性,对试样进行了直流电导电流、空间电荷、直流击穿、热刺激去极化电流测量,得到试样在不同温度和电场强度下的电气性能参数,结合量子化学计算分析了AOS接枝对XLPE复合材料陷阱特性和电荷输运的影响。结果表明:AOS接枝使试样断面形貌更加粗糙,而较高含量接枝会出现纳米球形分散相;XLPE-g-AOS的熔融温度和结晶度比纯XLPE更高;AOS质量分数为3%的XLPE-g-AOS具有最大的浅陷阱能级和密度,且其在高温高电场下具有最低的直流电导率、最少的空间电荷积聚量、最小的电场畸变率和最高的直流击穿强度。接枝AOS引入了更深且更多的浅陷阱,形成了均匀致密的浅陷阱点阵,阻碍了载流子迁移。

基于低频高压频域介电谱的XLPE电缆电树枝老化状态评估

应用传统的频域介电谱(FDS)法对10 kV及以上电压等级的交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘进行测试时,存在抗干扰能力差、微电流采集困难等问题。因此该文提出一种基于I/V转换微电流采集装置的FDS测试方法,用于电缆绝缘状态评估。搭建了一套低频-高压FDS测试系统,用于对不同老化程度的电缆试样进行频域介电谱测试,发现对于同一老化程度的电缆而言,随着激励电压的升高,在低频段内表征出的非线性特征越加明显。基于老化电缆的频域介电谱所表征出的非线性现象,该文提出非线性特征参数的概念,以定量的形式对老化电缆所表现出的非线性进行分析。结果表明,随电树枝长度的增加,非线性特征参数以指数形式增大。通过指数函数关系式可以以非破坏性手段对电树枝长度进行预测,实现对电缆绝缘状态的有效评估。

基于宏微观参数结合的XLPE电缆水树诊断研究

为解决交联聚乙烯电缆(XLPE)水树密度的预测问题,提出了将老化电缆的宏观检测数据与微观水树形貌相结合的分析方法,同时提出了两种新的参数(碳氧指数、含水指数)来定量描述水树区域的能谱分析(EDS)结果和红外光谱(FTIR)结果的变化。首先通过对不同实验条件下的水树老化电缆进行极化/去极化电流法(PDC)检测,得到电缆的老化因子、直流电导率以及0.1 Hz介质损耗因数等一系列宏观参数,再将电缆切片进行微观观测,得到水树的微观参数,建立水树生长的模型计算电缆的水树密度,对PDC测试得到的电缆的宏观参数与微观水树密度进行相关性分析。结果表明:老化时间越长,碳氧指数和含水指数越大,且增大的速率越快。根据相关系数建立了一种新的预测XLPE电缆内部水树生长密度的数学模型,实现了电缆内部水树的微观结构与宏观测试参数的结合。

交联程度对XLPE性能影响的分子模拟

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘材料的性能直接影响电力电缆的运行安全。现有对XLPE的研究大多基于实验展开且研究的性能相对单一,缺乏以数值计算为基础的综合性能分析。为此建立了用于分析XLPE介电、机械、热学和阻水性能的分子模型并进行分子模拟,针对交联程度对XLPE的性能影响开展了研究并得出了相应规律。通过与实验数据的对比,验证了分子模拟结果的正确性。结果表明交联程度的提升有助于XLPE机械和热学性能的提高。其中,常温下其弹性模量的提升幅度最高达到480.4%,导热系数提升幅度最高达到16.78%;玻璃转化温度提升幅度最高可达53.9 K。电−热协同作用下,交联程度对XLPE的阻水能力以及含水分子XLPE相对介电常数的影响则不是线性的。之后,将层次分析法和加权法相结合,对不同交联程度下XLPE的综合性能进行了评价,得到了用于提高XLPE综合性能的交联程度,其可为电缆绝缘用XLPE生产提供参考。

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电缆交叉互联系统中高频局放检测位置对幅值特征的影响

针对高压电缆交叉互联系统中高频局放检测位置影响检测结果的问题,设计并搭建了采用典型截面的百米级110 kV交联聚乙烯电缆线路的交叉互联系统局放检测试验平台;采用高频电流传感器对交叉互联箱的接地线、同轴电缆、换位排和接头接地引出线等4个不同检测点的局放信号进行检测,分析局放信号幅值的变化规律。研究结果显示:检测位置的不同会导致测得的局放信号幅值特征相差较大,通过选取合适的检测位置,结合局放信号幅值比较及局放谱图分析,可以有效实现局放源的识别与判定。在现场实测时,建议HFCT的最优安装位置为中间接头接地引出线和交叉互联箱换位排处,同时换位排处应采用电容臂进行短接。

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

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。

短时高热运行对XLPE电缆绝缘聚集态结构及介电性能的影响

为了研究交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆经历短时高热运行后绝缘性能的变化,通过对短电缆样本进行短时高热老化来研究其聚集态结构与介电性能的变化及关联性。首先对10 kVXLPE电缆样本分别在90、105、120、135和150℃下热老化2 d,然后将所有样本在90℃下热处理90 d,最后采用极化–去极化电流测试、击穿电压测试对热处理前后的样本进行电气性能表征。为了解其聚集态结构变化,采用差示扫描量热测试、傅里叶红外光谱测试对热处理前后的样本进行理化性能表征。结果表明,当电缆经历短时高热运行后,若短时高热温度处于XLPE熔融温度范围内,绝缘的界面极化强度、抗氧化剂消耗速率会减小;而当短时高热温度超过XLPE熔融温度时,绝缘的界面极化强度、抗氧化剂消耗速率会增加。这一结果表明了当电缆短时高热运行温度处于XLPE熔融温度范围时,之后电缆热氧老化进程会因XLPE重结晶效应而被减缓;当温度高于XLPE熔融温度时,之后电缆热氧老化进程会由于XLPE发生热裂解而被促进。

XLPE电缆绝缘老化临界时间现象及其动力学仿真

为深入探究交联聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)电缆绝缘的老化特性,评判XLPE电缆绝缘的老化程度,文中对110 kV XLPE电缆绝缘在135℃进行加速老化实验,采用拉伸试验表征XLPE断裂伸长率的变化规律,采用傅里叶变换红外光谱表征XLPE中羰基浓度与抗氧剂含量的变化规律。结果表明,XLPE电缆绝缘老化存在临界时间现象,即随着老化时间的增长,XLPE断裂伸长率由缓慢下降转变为快速下降,羰基浓度由缓慢增大转变为快速增大,临界时间均为2 016 h;而抗氧剂含量则随老化时间逐渐下降,不存在拐点。基于链式自由基理论,建立考虑抗氧剂反应过程的XLPE热老化动力学模型,进一步仿真计算XLPE电缆绝缘热老化过程中抗氧剂含量和羰基浓度的变化过程,仿真计算结果能够很好地吻合实验结果。研究结果表明抗氧剂含量可用于表征XLPE电缆绝缘的老化程度。

脱气时间对XLPE电树引发和生长特性的影响

为了探究脱气处理对XLPE绝缘性能的影响,研究了不同脱气时间对XLPE交流电树枝引发和生长特性的影响。首先,采用热压法制备厚度为5 mm的XLPE薄片样本,在70℃的真空干燥箱中分别脱气0、1、2、3、4和5 d。然后,对6组试样分别进行交流电树枝引发和生长实验以及介电性能测试。最后通过气相色谱–质谱测试,定量表征不同脱气时间的XLPE中交联副产物种类和含量的变化,以进一步分析它们对XLPE电树引发和生长特性的影响。结果表明:在所设置的实验条件下,脱气2 d试样的电树抑制性能最好。脱气过程中,XLPE内部气孔和副产物的含量共同影响材料的电树引发和生长特性;材料内气孔越多,气孔内易产生局部放电从而引发电树;而副产物中的苯乙酮作为电压稳定剂则会抑制电树引发与生长。因此,气孔和副产物含量随脱气时间的动态变化导致脱气2 d的XLPE试样电树引发电压最高,电树生长平均长度和宽度最小。

基于改进DCGAN的XLPE电缆局放数据增强方法

针对深度卷积生成对抗网络(DCGAN)在扩充XLPE电缆局部放电样本时存在的训练不稳定、收敛速度较慢等问题,从算法和模型结构两方面对DCGAN进行改进,并提出一种基于Wasserstein距离的深度残差生成对抗网络。在算法方面,使用带梯度惩罚优化的Wasserstein距离代替JS散度,提升模型训练的稳定性;在模型结构方面,使用残差网络构建模型的生成器,加快模型的收敛速度;最后使用Inception Score、弗雷歇距离、识别准确率等评估指标衡量所提模型生成样本的质量。实验结果表明,与原始DCGAN生成样本相比,所提新模型的生成样本在Inception Score、弗雷歇距离等评估指标上的得分优化率均大于6.0%,并使AlexNet模型的识别准确率提高了4.0%,有效提升了DCGAN对于XLPE电缆局部放电样本的数据增强效果。

XLPE中金属尖刺缺陷阻性电流谐波成分分析

为开发一种能实时掌握电缆绝缘状态的监测技术,本文通过模拟XLPE电缆绝缘中出现金属尖刺缺陷,对其阻性电流的谐波成分进行分析,从理论和实验两方面为实现基于阻性电流谐波成分的电缆绝缘诊断提供支撑。首先,基于聚合物的跳跃电导模型,对XLPE的电导特性进行了仿真与理论分析。而后建立了XLPE金属尖刺缺陷仿真模型,对不同针尖曲率半径以及针板间距下阻性电流密度的谐波成分进行了仿真分析。最后制作了3种不同规格的XLPE金属尖刺缺陷试样,在针尖曲率半径为30μm、针板间距为2 mm,针尖曲率半径为90μm、针板间距为3 mm以及针尖曲率半径为30μm、针板间距为3 mm条件下进行了验证实验。结果表明:当XLPE绝缘中存在导体尖刺缺陷时,由于局部电场强度的急剧增大,导致绝缘材料的电导特性随着交流电压波形的变化而在欧姆区与非欧姆区之间反复,使得阻性电流的波形发生畸变,叠加了高次谐波分量;当XLPE绝缘中存在导体尖刺缺陷时,其阻性电流中会存在明显的3次与5次谐波分量,二者构成了阻性电流谐波分量的主要组成部分;随着导体尖刺缺陷的严重程度增加,阻性电流的谐波畸变率以及电导率畸变率均有明显的上升,可以谐波畸变率作为判断缺陷严重程度的特征量。

基于损耗电流谐波特征分析的XLPE电缆局部尖刺缺陷诊断

实现电缆局部缺陷的在线诊断对电力系统的稳定运行具有重要意义。损耗电流的谐波分量蕴含丰富的绝缘信息且满足现场带电检测的需求,是极具前景的可实现在线监测与诊断的检测手段。该文开展了基于损耗电流谐波特征分析的电缆尖刺缺陷诊断研究,主要分为仿真机理研究和针对典型局部缺陷的实测研究两部分。首先,对XLPE材料在高电场下的电导特性进行了仿真分析,建立了非线性伏安关系的XLPE电导模型,分析了不同尖刺曲率半径和电极间距对损耗电流谐波特征及电导率的波动程度的影响;然后,制作了三种规格的XLPE电缆导体尖刺缺陷模型并开展了实测研究;最后,对比分析了仿真分析和实测结果。研究结果表明:绝缘存在尖刺缺陷的电缆存在高次谐波分量,其主要成分是3次与5次谐波分量;缺陷导致了高电场,由此产生的非线性伏安特性是高次谐波分量出现的主要原因。对比分析结果表明,损耗电流的谐波畸变率和电导率畸变率与尖刺的曲率半径及电极间距成反比,导体尖刺缺陷的严重程度和缺陷形貌的改变,都会使得损耗电流中的谐波成分发生改变;损耗电流总谐波畸变率(THD)和各次谐波贡献率Hn是有效的诊断特征量。

直埋XLPE电缆在不同敷设条件下的温升与载流量仿真

土壤直埋因具有施工周期短、散热性能好等优点而被广泛应用于电力电缆的敷设。埋设过程中各种敷设条件对电缆的温升和载流量都有着重要影响,文中采用Comsol有限元仿真软件,以110 kV交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电力电缆为研究对象,在直埋敷设的基础上考虑回填沙土、加盖混凝土保护板、装设套管等多种因素,建立包含电磁场、热场和流体场的耦合模型,分析这3种敷设条件对电缆温度场变化及载流量的影响。仿真结果表明:回填沙土会提升电缆载流量,随着回填沙土厚度的增加电缆载流量提升速度变缓;加盖混凝土保护板对载流量的影响较小,与不加盖时相比载流量提升幅度在0.5%以下;在排管内填充高导热材料会提升电缆载流量,相比于无填充情况,三相均填充高导热材料与中间相填充高导热材料、其他两相填充低导热材料时载流量的提升幅度均高于50%;在考虑上述因素同时存在情况下,有利于电缆载流量的提升。