不同温度下高压直流电缆纳米复合绝缘中的周期性直流接地电树枝特性

该文自主研发了一种以交联聚乙烯（cross-linked polyethylene,XLPE）为基体,添加0.5 wt%纳米Mg O颗粒的新型高压直流电缆绝缘材料。为研究不同温度下该材料中直流接地电树枝特性及其影响因素,对该材料和某商用级XLPE高压直流电缆绝缘材料进行了20~80℃下不同极性不同电压幅值的周期性直流接地电树枝实验。结果表明：电子比空穴更易注入,且在材料中拥有更大的平均自由程,因此负极性下电树枝比正极性下更易引发,且生长更为分散;纳米Mg O的添加增加了材料中的陷阱密度,减弱了电荷注入,故纳米Mg O/XLPE绝缘材料表现出更好的抗电树枝化性能;温度升高增强了电荷注入与脱陷,提高了电子平均自由程与电荷分布均匀度,使电树枝更容易引发和生长,且形态更加茂密。由此可见,电压极性与温度的改变,以及纳米Mg O的添加均会对材料中的周期性直流接地电树枝的引发与生长产生影响。

XLPE与MgO/XLPE纳米复合材料周期性直流接地电树枝与交流电树枝的温度特性

随着电力电缆的广泛应用,由电树枝化导致的电缆绝缘失效问题得到了人们越来越多的关注。以交联聚乙烯（XLPE）和纳米Mg O掺杂的交联聚乙烯（Mg O/XLPE）为研究对象,研究了这两种材料在20-80℃下的周期性直流接地电树枝和交流电树枝特性。实验结果表明：两种材料中的周期性直流接地电树枝呈枝状,对应的分形维数接近1,交流电树枝呈丛状,对应的分形维数接近2;纳米Mg O颗粒的添加对于抑制周期性直流接地电树枝的生长有显著效果,但对抑制交流电树枝的生长效果有限;XLPE中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升呈现先下降后上升的趋势,Mg O/XLPE材料中的周期性直流接地电树枝长度随温度的上升变化不明显,两种材料中的交流电树枝长度随温度的上升均呈现出增加的趋势,但增幅较小。

空间电荷对直流接地电树枝影响的实验及仿真研究

为研究聚乙烯中直流接地电树枝的生长特性与材料中空间电荷分布的联系,该文以某商用级XLPE高压直流电缆绝缘材料为对象,分别进行了20℃下不同单次预压时间和短路次数的直流接地电树枝实验。实验结果表明:正负极性下电树枝长度都随着短路次数的增加而增加,正极性下电树枝长度随着单次预压时间的增加先增加再减小,负极性下单次预压时间对电树枝的影响不大;负极性下电树枝的扩散系数整体大于正极性下的电树枝。同时,基于双载流子模型建立了针板电极的三维仿真模型,在综合考虑了电荷的注入、迁移、扩散、入陷和脱陷等行为的基础上,计算出XLPE中随时间变化的空间电荷分布,并据此提出了空间电荷有效注入深度这一新的的概念,以此表征能够引发电树枝的那部分空间电荷在材料中的分布范围,从空间电荷的角度对实验所发现的电树枝特性进行了合理的解释,证明了受陷电荷是直流接地电树枝的成因。

直流预压对XLPE中直流接地电树枝引发特性的影响

直流接地电树枝对高压直流电缆绝缘安全构成了严重威胁。为了研究直流预压对交联聚乙烯(XLPE)中直流接地电树枝引发特性的影响,在10 s、5 min和1 h不同预压时间下,对XLPE试样进行了直流接地电树枝引发试验。同时对该材料在不同场强下的空间电荷积累特性进行了测量,并根据空间电荷注入理论及测试结果对直流接地电树枝的引发特性进行了分析说明。研究结果表明:直流预压时间对直流电树枝的引发率影响较小,接地电树枝平均长度随预压时间的增加略有增加,并有饱和的趋势;同时,直流接地电树枝具有明显的极性效应,负极性接地电树枝的50%引发电压(-19.3 kV)明显低于正极性时的引发电压(25.7 kV),且负极性下的平均电树枝长度也明显高于正极性时的电树枝长度。研究结果有助于进一步了解直流电树枝的引发机理,并为今后同类试验参数的选取提供参考。

添加纳米MgO对交联聚乙烯中直流接地电树枝的影响

对交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)材料与质量分数为0.5%的MgO/XLPE纳米复合材料分别进行了直流接地电树枝实验与基于电声脉冲法的空间电荷测量。电树枝实验表明,正极性下MgO/XLPE纳米复合材料表现出更高的50%电树枝引发电压;空间电荷测量结果表明XLPE中有更多同极性电荷注入,说明纳米颗粒的添加阻碍了针尖处同极性电荷的注入与抽出,进而阻碍了电树枝引发。正极性下MgO/XLPE纳米复合材料表现出更小的平均电树枝长度与宽度,这是由于高场强区产生的载流子与纳米颗粒发生碰撞,导致电树枝生长较慢。此外,正极性下MgO/XLPE纳米复合材料中平均电树枝长宽比随电压升高下降更快,这是由于电树枝无法穿透纳米颗粒,只能从其表面绕过,导致了电树枝通道方向的改变与细小分枝的产生。

XLPE直流接地电树枝生长特性及形态结构

电树枝化是交联聚乙烯(XLPE)绝缘劣化的重要表征。为此,对直流接地电树枝生长特性和电树枝形态结构进行了试验研究,重点分析了正负极性直流接地电树枝生长机理。同时,利用分形维数定量描述了电树枝结构特征,并结合电树枝生长过程中分形维数变化规律对不同极性接地电树枝生长机理进行了分析。最后通过提出导电通道分压理论和电树枝尖端屏蔽机理对直流接地电树枝生长特性进行了解释说明。试验结果表明:直流接地电树枝生长特性具有显著的极性效应;正极性直流接地电树枝生长速度较快,电树枝分枝较少且通道颜色较浅,形成明显的稀疏枝状结构;负极性直流接地电树枝生长方向具有分散性,细小分枝较多且分枝主干道颜色较深,形成相对密集的枝状结构。该试验结论可为今后同类型试验研究及高压直流电缆安全稳定运行提供理论参考。

直流预压幅值及时间对XLPE中接地电树枝引发特性的影响

为了研究直流预压对交联聚乙烯中直流接地电树枝引发特性的影响,在不同预压时间下进行了不同电压的直流接地电树枝试验。结果表明:直流接地电树枝的长度随着预压幅值的增加而增大,并且具有明显的极性效应。当直流预压幅值较低时,接地电树枝的长度随预压时间的增加变化较小;当预压幅值远高于接地电树枝的引发电压时,接地电树枝的长度随预压时间增加而显著增加;负极性接地电树枝的长度远大于正极性接地电树枝,且生长分散性更大。

纳米SiO2对交联聚乙烯交/直流击穿强度和耐电树枝性能影响

为系统地研究纳米SiO2对交联聚乙烯(XLPE)交/直流击穿强度和交/直流耐电树枝特性的影响,使用平行双螺杆分别制备了含0.5wt%和1wt%纳米SiO2的纳米SiO2/XLPE复合材料,以商用直流电缆料和普通XLPE作为参照,测试了掺杂纳米SiO2对XLPE交流电树枝和直流接地电树枝的引发和生长特性及交/直流击穿强度的影响。实验结果表明,商用直流电缆料的直流击穿强度与普通XLPE相近,但其直流接地电树枝的引发更困难,树枝生长也更缓慢;随着纳米SiO2添加量增大,纳米SiO2/XLPE复合材料交/直流击穿强度的作用增强,对交/直流电树枝引发的抑制作用也增强,1wt%纳米SiO2/XLPE复合材料具有显著抑制直流接地电树枝生长的效果,其直流接地电树枝引发和生长特性均优于商用电缆料;1wt%纳米SiO2/XLPE复合材料的交流击穿强度和交流电树枝起始电压均高于普通XLPE,但其对交流电树枝的生长抑制作用仅局限在电树枝生长初期,电树枝生长达到一定阶段后,1wt%纳米SiO2/XLPE复合材料中的电树枝生长速度超过普通XLPE。