极性分子的结构异同性对接枝改性交联聚乙烯材料直流电性能的影响

为改善高压直流电缆运行过程中绝缘层材料的电导率对温度与电场强度敏感性所导致的电场反转问题,以及直流高压长时间作用下的空间电荷积聚现象,该文采用极性基团接枝改性的方式提升交联聚乙烯(XLPE)材料的直流电性能。由于接枝单体一般为沸点较低的极性小分子化合物,为避免材料在接枝过程中单体的气化损失,首先通过平行双螺杆挤出机配合低温高压计量泵装置实现熔融接枝反应。将丙烯酸酯类小分子化合物(丙烯酸甲酯(MA)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA))分别预先接枝到低密度聚乙烯(LDPE)大分子链上制备接枝材料,通过红外光谱测试分析得出接枝单体皆成功接枝到LDPE大分子链上,熔融指数与凝胶含量测定表明材料的流变性能并未发生显著改变,X射线衍射测试与扫描电子显微镜观测发现接枝改性材料的结晶特性保持与基础树脂相似。进一步对三种接枝母料按一定比例稀释并完成交联过程,通过变温直流电导测试发现三种接枝改性材料的电导率-温度敏感性均出现不同程度的下降,综合高温空间电荷测试可以得出,接枝MA的XLPE材料电导率-温度敏感性下降幅度最大、空间电荷分布特性优异;结合第一性原理仿真计算可以进一步得到,三种接枝单体改性XLPE模型的陷阱能级较为一致,其直流电性能的改善效果与接枝单体的静电势分布存在显著关联。

交联聚乙烯直流电树枝降压阶段的局部放电特性

电树枝是交联聚乙烯(XLPE)高压直流电缆的典型缺陷,有效检测电树枝对电缆绝缘状态评估至关重要。为此对含有电树枝的XLPE针-板绝缘试样进行直流局部放电实验,分析不同阶段下的局部放电特性以及电压参数对放电特性的影响。实验发现:含电树枝的试样在降压过程中会出现局部放电现象,不含电树枝的试样则不会放电;降压过程中的放电具有良好的重复性,对电树枝尺寸无明显影响,且放电脉冲极性与恒压阶段的相反。该实验现象表明利用降压阶段的局部放电检测,可为高压直流电缆电树枝的评估提供一种有益的尝试。此外,实验表明多次局部放电可能导致通道电导率增加,放电熄灭电压增大。不同电压参数下的降压阶段实验结果表明:更高的直流电压,合适的降压速率可以增加放电次数;针电极为负极性时平均放电量更高;恒压时长对放电特性没有显著影响。采用数值仿真分析了降压前后绝缘区域的电场分布,结果表明降压前期,泊松电场的衰减速率低于外施电场的衰减速率,使得针尖附近形成场强较高的反向电场,从而导致降压过程中的局部放电。

直流电缆用交联聚乙烯绝缘的击穿概率及其尺度效应仿真

电力电缆在远距离大容量电力传输和海上风电并网中起着极其重要的作用。受直流电场影响,交联聚乙烯(XLPE)电缆存在着空间电荷积聚和电荷能量积累现象,导致绝缘材料被击穿而引发故障。该文建立电荷输运与分子链位移击穿模型,对XLPE介质中载流子输运和能量积累过程进行了仿真,得到XLPE特征击穿场强-试样厚度依赖特性以及击穿概率分布。仿真结果表明,XLPE直流击穿场强受尺度效应影响明显,击穿场强随着试样厚度的增加而减少,且击穿强度概率计算结果服从威布尔分布。建立电荷输运随机变量参数分散性与击穿概率分布的定量关系。随着试样厚度的增加,绝缘材料内部的缺陷分散性增加,电荷输运随机变量参数高斯分布中的方差增加,击穿威布尔分布形状参数减小。陷阱能级是影响击穿威布尔分布形状参数的最关键因素。该研究为电力电缆的优化设计和可靠性评估提供了仿真技术支撑。

交联聚乙烯绝缘料耐焦烧性能的对比研究

选取3种牌号商用高压电缆交联聚乙烯绝缘料为研究对象,首先通过高温剪切作用下绝缘料熔体扭矩随温度的变化规律,对比分析3种绝缘料的耐焦烧性能,并通过凝胶含量表征焦烧试样的焦烧程度,然后提出采用绝缘料熔体在高温下的扭矩变化率作为特征量来表征绝缘料耐焦烧性能的方法,并通过不同牌号商用绝缘料焦烧程度的表征结果验证该方法的有效性。此外,通过红外光谱对3种绝缘料中交联剂含量和抗氧剂含量进行对比分析,结合凝胶渗透色谱法测得的绝缘料基料分子量,建立了绝缘料添加剂含量、基料分子量与其耐焦烧性能的关联。结果表明:通过绝缘料在高温剪切作用下的扭矩分析,可以有效区分不同商用绝缘料的耐焦烧性能,并发现交联剂含量过高是导致绝缘料耐焦烧性能差的主要原因,通过适当减少交联剂用量、增加抗氧剂用量、降低重均分子量可以提升绝缘料的耐焦烧性能。

高压电缆交联聚乙烯绝缘料黏度参数对挤出特性影响的仿真研究

高压电缆交联聚乙烯(XLPE)绝缘料及其挤出成型技术是我国高压电缆生产的关键问题。绝缘料的黏度参数会影响其在单螺杆挤出机内包括挤出口流率和流道内熔体最高温度等的挤出特性,进而决定了高压电缆绝缘的成型质量和绝缘性能。该文通过仿真模拟的方法研究了高压电缆交联聚乙烯绝缘料的黏度参数对挤出特性的影响,提出利用绝缘料挤出最高温度-挤出口流率曲线反映不同黏度参数下的挤出特性变化规律。结果表明,最高温度随着挤出口流率增大而升高,零切黏度和松弛时间对最高温度-挤出口流率曲线的斜率影响最大,幂律指数次之,温度系数影响最小。其中,零切黏度和幂律指数与挤出口流率和最高温度的关系均为正相关,且零切黏度增大到一定值后挤出口流率不再明显增大而最高温度持续提升;松弛时间和温度系数与挤出口流率和最高温度的关系均为负相关,且温度系数较小挤出特性较好。最终,根据实际电缆绝缘料挤出生产需求,提出了绝缘料黏度参数的适宜范围。该文可为国产高压电缆交联聚乙烯绝缘料的研发和挤出成型技术的提升提供重要数据支撑与理论依据。

电缆绝缘材料交联聚乙烯的老化及寿命调控

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)因其优异的力学性能和绝缘性能广泛应用于电力电缆领域中,但在高压电缆的运行过程中XLPE不可避免会受到电老化、热老化和电-热联合老化的影响,使得材料的性能和寿命下降,因此需要对XLPE的老化性能和使用寿命进行调控.本文介绍了XLPE的结构特性和交联机理,系统分析了其老化过程及影响机制,并概述了接枝、共混和纳米粒子改性等调控策略,同时基于寿命评估模型探究了XLPE因老化而导致的寿命衰减问题.最后,展望了调控XLPE电缆绝缘材料使用寿命策略的未来方向,为XLPE电缆绝缘材料的进一步改进和长期稳定运行提供理论指导.

短时热处理对劣化交联聚乙烯热电性能影响

热因素是影响高压电缆绝缘层交联聚乙烯绝缘微观形态的关键因素之一。选取1根运行7年与1根新电缆分别制备绝缘层交联聚乙烯片状试样,首先在105℃下进行180 d的热老化,然后在90~115℃对各老化试样进行恒温24 h的短时热处理,并完成交联度、差示扫描量热、高场强电导测试。结果表明:老化初期,热老化助于交联聚乙烯结晶,且热处理有利于熔融温度与结晶度升高,晶体尺寸分布变小,电导率减小;随着热处理温度升高,上述参数逐渐到达最优值,并随热处理温度升高而开始反向变化;随着老化程度加深,相同热处理温度后各参数提升作用减弱,表现为参数最优值对应的热处理温度降低且与未老化试样差异逐渐减小,老化180 d后各参数值均明显低于未老化试样。研究表明,经历一定热老化的交联聚乙烯在合理温度下短时热处理后,可有效改善内部结晶特征,提升热电性能。

中压聚丙烯和交联聚乙烯绝缘材料的结构与性能对比

热塑性聚丙烯材料在热性能和电气性能方面具有突出优势,被广泛应用在电力电缆绝缘生产方面,在进行生产时不需要进行交联和脱气,可在降低能耗的同时,具备可回收性,相较于交联聚乙烯其在环保方面优势非常明显。本文的研究对象为交联聚乙烯电缆和中压聚丙烯电缆绝缘,主要是通过电气性能测试、X射线衍射分析、力学性能测试、傅里叶红外光谱分析,差示扫描量热分析等测试方法,对比两者的结构和性能,最终结果证明直接将乙烯链段穿插在聚丙烯分子中,将会使聚丙烯材料拥有更低熔点,但是与交联聚乙烯熔点相比依旧处于较高水平。在聚丙烯结晶期间乙烯链段虽然属于参与主体,但是并未出现单独结晶的情况,与交联聚乙烯565%断裂伸长率相比,聚丙烯明显存在更高断裂伸长率,最终测试数值为713%,在此种情况下相关人员开展电缆运输和安装工作将变得更为方便。聚丙烯在90℃环境下拥有91.6kV/mm电气强度,明显比同等温度环境下交联聚乙烯电气强度更高。在这些结构与性能参数下,直接合成的聚丙烯可代替聚丙烯当做中压电缆绝缘材料使用。

影响电缆用交联聚乙烯绝缘使用因素

通过试验数据分析,讨论了对交联聚乙烯绝缘电缆(以下简称XLPE电缆)使用中的影响因数,通过对影响因数分析,在使用中可采取必要的保护措施,确保使用价值最大化。

芳香族化合物含量对交联聚乙烯绝缘电树枝及局部放电特性的影响

为研究芳香族化合物(aromatic compounds,ACs)添加剂含量对交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘电树枝劣化与局部放电特性的影响,制备了含有不同含量ACs添加剂的XLPE绝缘,探究了其在交流电压下电树枝生长形貌与局部放电特性。研究结果表明:ACs添加剂减弱了XLPE绝缘局部放电强度,抑制电树枝生长速率,增强绝缘耐电树性能,提升工频击穿场强;但过高的含量会使XLPE绝缘耐电树特性和击穿场强均出现下降趋势。基于密度泛函理论计算了ACs添加剂的静电势分布与激发态能级,表明此类添加剂利用局部放电产生的紫外波段能量引发夺氢反应,促进绝缘低密度区内的聚乙烯分子链进行再交联反应,形成网状分子链结构,阻止绝缘低密度区扩大,进而抑制绝缘电树枝劣化。

500 kV电力电缆用国产交联聚乙烯绝缘材料性能分析

讨论了新型国产超净XLPE绝缘材料应用于500 kV交流电缆的适用性,首先分析了对应基料与进口基料在分子量以及分子链结构上的异同;然后对比研究了该国产绝缘材料与2种进口绝缘材料的电、热、力学性能,发现3种材料性能相当且均满足应用于500 kV电缆绝缘的要求;最后结合基料的分子链结构特性,认为在基料中引入更多的端基双键以提升交联效率,可能是后续国产绝缘材料提升的方向之一。

交联聚乙烯试样中空间电荷输运特性的数值模拟

挤塑型交联聚乙烯(XLPE)高压直流电缆绝缘中空间电荷的积聚会造成局部场强畸变,导致材料的绝缘性能下降。电缆内导体的热效应在绝缘层产生的温度梯度会进一步影响电荷行为,纳米颗粒改性是抑制空间电荷的一种有效措施,但抑制作用具体如何实现,尤其是对于微观层面载流子输运过程的影响规律还需深入分析。试样内空间电荷的数值仿真可以探究各种微观粒子之间的相互作用和演化过程,因此文中基于载流子抽出受限的双极性电荷输运模型,对温度梯度下的电荷行为,深陷阱与浅陷阱对于载流子迁移过程的影响进行了研究。结果表明:低温侧会因抽出受限而积聚异极性电荷,深陷阱会限制载流子输运且深陷阱作用存在瓶颈,随着迁移率增大,电荷分布由同极性变为异极性分布,当迁移率足够大时,异极性电荷不再增长甚至开始降低。

交联度对交联聚乙烯/有机化蒙脱土纳米复合材料拉伸性能和介电性能的影响

为了研究交联度对纳米复合材料拉伸性能和介电性能的影响,通过调控交联时间,制备了不同交联度的交联聚乙烯/有机化蒙脱土(XLPE/OMMT)纳米复合材料。采用X射线衍射(XRD)测试判断蒙脱土的插层分散状态和试样聚集态结构的变化,利用扫描电子显微镜(SEM)观察试样的结晶形态,并对其拉伸性能、电导-温度特性、介电常数、介质损耗及击穿场强进行了测试。结果表明:交联形成的三维网状结构抑制了晶体生长,且晶体尺寸和结晶度随交联度的增加而不断减小;剥离分散的OMMT在XLPE/OMMT中充当了物理交联点,与交联键共同作用,提高了纳米复合材料的拉伸强度,且不断完善的交联网络,使复合材料的弹性模量增大,韧性增强。纳米复合材料的电导率随温度升高而增大,其活化能的大小与交联度和OMMT的界面区域有关。完善的交联网络和均匀分布的界面区,增加了势垒,提高了复合材料的活化能。交联度的增加,形成较强的分子间作用力,阻碍了偶极子和侧基的转向极化,使介电常数和介质损耗角正切值减小;OMMT的加入和交联结构的完善,共同提高了复合材料的击穿场强;但过度交联会影响OMMT在基体中的分散程度,使OMMT片层发生微重排,进而导致OMMT与基体的界面结合力下降,劣化的OMMT排列和分散,使自由电子易脱离束缚,对晶格结构造成破坏,增加了复合材料的微观缺陷,使击穿场强降低。

基于失效时间统计特性的交联聚乙烯电寿命模型修正

为提高电缆绝缘材料电寿命评估的准确性,根据交联聚乙烯(XLPE)失效时间统计特性,对传统基于反幂定律的XLPE电寿命模型进行修正。首先对XLPE薄片样本进行电压耐久性实验,统计不同电场强度作用下XLPE失效时间。其次分析XLPE薄片样本失效时间统计特性,结果表明在相同电场强度作用下,XLPE失效时间大致分布在三个时间区间内,不同时间区间对应不同绝缘失效过程,电场强度不同时,占主导地位的失效过程也不相同。最后用处于主导地位失效过程样本的失效时间代表该电场强度下XLPE薄片样本的电寿命,由此得到修正后的XLPE电寿命模型。相较于传统电寿命模型,修正后的模型从失效时间统计特性的角度出发,确定了E-t特性曲线中拐点的位置。

纳米掺杂交联聚乙烯复合材料的空间电荷特性研究

空间电荷累积容易引起交联聚乙烯绝缘内部电场畸变,从而导致绝缘老化甚至失效,而纳米掺杂或改性可以抑制空间电荷的累积,因此得到了广泛的关注。本文测量了二氧化硅和氧化镁纳米填料掺杂交联聚乙烯复合材料的空间电荷特性和电导特性,并结合带隙理论模型分析纳米填料的作用机制。结果表明:相比于二氧化硅掺杂的交联聚乙烯复合材料,氧化镁掺杂的交联聚乙烯复合材料具有较高的介电常数、较低的空间电荷积聚程度和较小的电导率。

管材专用硅烷交联聚乙烯的紫外光老化性能

研究了硅烷交联聚乙烯(记作PEX_B)紫外光老化前后的力学性能、热性能、结晶度以及分子链结构的变化、并观察其拉伸断面形貌的变化。结果表明:PEX_B的拉伸屈服应力、结晶度和氧化诱导时间(OIT)均下降明显,拉伸屈服应力从27.4 MPa降至18.8 MPa,降幅达31.39%,结晶度从60.2%降至59.2%,OIT从52.6 min缩短至0.6 min。紫外光辐照下,PEX_B表面形成一层硬质界面层,辐照1080 h后界面层厚度达372μm,并在拉伸时出现大量裂纹,形成密集韧窝。因此,PEX_B用于富含紫外光的工况环境应进一步采取抗紫外光老化措施,以避免带来损失。

交联聚乙烯电缆绝缘试验样品热处理后热效应研究

基于差示扫描量热法(DSC)在电缆热历史分析中的应用,进一步研究具有不同热历史的交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘的热效应及其变化规律,可帮助分析电缆绝缘实际运行中的受热情况。将电缆绝缘试验样品置于不同温度和时间条件下热处理,以模拟电缆绝缘的不同受热过程,然后采用DSC测量热处理后的绝缘试验样品在升温过程中产生的热效应,对比分析得出热处理温度和时间与DSC一次加热曲线的关系,试验结果表明,DSC一次加热曲线中吸热峰的数量、大小、峰值温度,及氧化诱导期等与试验样品的热处理温度、时间和氧气环境密切相关,尤其依赖热处理温度,可为初步分析电缆运行中是否发生过载或短路故障提供依据。

高温下电压稳定剂对交联聚乙烯电树枝化及局部放电特性的影响

为了研究高温环境下电压稳定剂对交联聚乙烯电树枝化及局部放电特性的影响,该文制备了含质量分数为1%的电压稳定剂的交联聚乙烯(XLPE)共混试样,通过设计的高温环境下电树枝实时观察与局部放电同步测量系统,研究不同试样在30℃、50℃和70℃下电树枝的引发、生长及其局部放电特性。结果表明,试样在高温下引发的电树枝呈现典型的枝状结构。随着温度的升高,试样起树电压降低,电树枝生长速度加快,分枝数量减少,局部放电量和放电重复率显著增大。电压稳定剂的添加对电树枝的引发、生长和局部放电有明显的抑制作用。利用陷阱理论和量子化学计算,研究发现电压稳定剂的加入使得试样内部陷阱能级降低,陷阱密度增加,因其特有的量子化学特性,高能电子缓冲能力增强,空间电荷积累减少,从而使得交联聚乙烯材料的耐电性能得到提升。

新型双层包裹聚磷酸铵的设计及其在耐老化阻燃交联聚乙烯复合材料中的应用

研究采用双层包裹聚磷酸铵来提高交联聚乙烯(XLPE)复合材料的力学性能、耐老化性和阻燃性。将聚磷酸铵(APP)用二氧化硅包裹,然后用受阻苯酚抗氧化剂3-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)(AO)接枝,制备双层包裹阻燃剂(MCAPP)。由于MCAPP和XLPE基体具有良好的相容性,提高了XLPE/MCAPP/CFA(XLPE-4)的拉伸强度和断裂伸长率。在135℃老化14天后,XLPE-4复合材料的断裂伸长率保留率达到61.1%,显著高于XLPE-1(2.6%)。这说明MCAPP可以提高XLPE电缆复合材料的耐老化性能。与XLPE-1相比,XLPE-4的最大烟密度和峰值放热速率分别降低了54.9%和89.7%。因此,双层包裹的抗氧化策略为获得高性能的XLPE复合材料提供了一个很好的途径。

重复方波电压上升时间对交联聚乙烯电树特性影响研究

相对于传统燃油推进,全电推进具有低能耗、低噪音、稳定可靠等优势,已成为各国海军未来发展方向。变频驱动系统为全电推进提供核心动力,其安全至关重要。连接电缆位于逆变器和电机之间,是变频驱动系统的重要组成部分,长期承受高频过电压冲击,其绝缘有早期失效的潜在隐患。在电应力下电树产生是电缆绝缘失效的重要原因,研究电力电子应力下电缆绝缘的电树特性具有重要意义。本文在上升时间320~960 ns、峰峰值12 kV、频率5 kHz的重复方波电压下,研究了上升时间对交联聚乙烯电树特性的影响规律。研究表明:重复方波上升时间对交联聚乙烯电树引发特性影响显著,随着上升时间减小,相同时间内电树引发概率和引发长度明显增加,电树形态由丛状和单一的枝状逐渐转变为密集树枝状。其主要原因可能为:在重复方波电压的上升沿和下降沿,方波电压极性反转和介质中空间电荷迁移、恢复具有时间差,会引起背景电场与空间电荷的附加电场正向叠加。研究结果有望为逆变器供电条件下电缆绝缘设计提供实验和理论依据。