氮化硼纳米片改性硅橡胶的直流电气与力学性能

日益提升的高压直流输电电压等级对直流电缆附件用硅橡胶的电气性能提出了更高的要求,为了探究具有优良直流电气性能的复合硅橡胶材料,文中制备了填充不同质量分数的聚多巴胺修饰氮化硼纳米片改性硅橡胶,对比分析了不同填充量下复合硅橡胶的直流电气性能。结果表明:填充氮化硼纳米片可以有效抑制硅橡胶的空间电荷积聚现象,试样的直流击穿场强随填充量的提高呈现先增大后减小的趋势,在填充量(质量分数,下同)为15%时达到最大值,相比纯硅橡胶提升23.2%,直流电导率先减小后增大,在填充量为15%时取得最小值;除此之外,当填充量为15%时,试样的拉伸强度较纯硅橡胶提升了38.3%,试样的断裂伸长率仅下降2.7%,基本保持了原有的断裂伸长率;经聚多巴胺修饰的氮化硼纳米片复合硅橡胶相比于未经表面修饰的氮化硼纳米片复合材料,其直流电气和力学性能都有显著提高。综合分析,填充量为15%时复合材料具有较好的综合性能。

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.

多应力条件下电缆附件局部放电的演变过程

电缆附件界面是多层复合介质绝缘结构,在温度、气压、电场等物理条件下都易产生局部放电(partial discharge,PD)。为了研究多种应力条件下局部放电的演变过程,在10 kV电缆终端中设计典型刀痕缺陷,并在实验室搭建“冷热负荷-工频电压-冲击电压”多应力条件下的协同老化平台,利用该平台对电缆进行老化试验,利用工频局放测试平台检测不同老化时间下电缆终端的局部放电。利用波动法对不同老化阶段下的电缆附件局放信号进行消噪,并采用阈值窗提取消噪后的局放信号中的PD脉冲,构建电缆附件局放相位分布(phase resolved partial discharge,PRPD)谱图。实验结果表明:多应力条件下,在不同老化程度下,刀痕缺陷电缆附件的局放经历三个“起伏”击穿,放电幅值存在多段式“增-减”的变化趋势。

电缆附件典型缺陷人机交互识别技术

由于电缆材料存在空间电荷注入与聚集的问题,在长时间运行中会产生故障问题,影响电力线路的输电安全和稳定,研究基于改进视觉特征跟踪算法的电缆附件典型缺陷人机交互识别技术。采用智能测量装备采集电缆附件运行数据,以特征融合算法与视觉特征跟踪算法相结合,对采集到的电缆附件运行信息进行同维融合,在映射关系下建立人机交互流程,以逐一解码方式对电缆附件缺陷进行识别,实现方法设计。实验结果表明,分别以不同的测量距离为验证条件,应用文中方法能够将缺陷识别误差控制在±1 mm之内,具有远距离识别的应用效果。

电缆附件安装质量信用管控系统构建

当前电缆施工质量管控、验收手段单一,难以全方位、全流程进行监督,多组附件安装过程难以全时段覆盖、多点位把控质量,附件安装关键环节缺乏影像资料等,因此,通过建立一种高压电缆附件安装质量信用管控系统,推动高压电缆附件安装管控水平不断提升,促进附件安装施工档案管理规范化、高效化、数字化。

电缆附件用硅橡胶的研究进展

介绍了硅橡胶结构与性能的关系和硅橡胶的分类及组成,重点综述了硅橡胶电学性能、导热性能、力学性能的研究进展,并基于硅橡胶电缆附件的研究进展和应用情况,对电缆附件用硅橡胶的未来发展进行了展望。

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。

冷缩电缆附件用塑料支撑管的强度仿真与试验

冷缩电缆附件是对硫化成型的橡胶制品经工厂内预扩径、内衬支撑管形成的各种预扩张产品。支撑管的机械强度不足,容易导致其在使用时崩散,进而引起预扩张的橡胶部件产品无法正常使用,因此需对支撑管的机械强度进行仿真分析与试验验证。本文结合有限元分析,对不同规格的螺旋支撑管在特定载荷下的理论变形与试验值进行了分析比较,为后续类似产品的强度设计提供了参考。

新型电缆外半导电层切割倒角器的研制

配网电缆附件制作施工中剥离外半导电屏蔽层、外半导电屏蔽层断口和绝缘层断口倒角时,施工人员一般依靠感觉和经验,难以控制切割的深浅度和平稳度,无法保证电缆的断口和倒角光滑平整,不能与冷缩主体(应力锥)紧密搭接,易造成尖端放电效应,留下严重安全隐患。文章旨在开发一种用于配网电缆切割外半导电屏蔽层环切和纵切、外半导电屏蔽层断口和绝缘层断口倒角的三合一专用刀具。该研究能够显著提高电缆的断口和倒角的光滑度和平整度,提升工作效率,降低电缆头绝缘损坏的隐患风险。

电缆附件超声导波检测探头研究综述

电缆附件是输电网络的重要组成部分。由于受到使用环境和运行工况的影响,电缆附件中铜编织带和金属护套连接处容易产生腐蚀缺陷,导致电缆附件的电气连接产生重大安全隐患。因此,有必要对电缆附件定期进行检测。而能够实现检测无损化的超声导波检测技术成为电缆附件的一种有效检测方式。其中,在各类超声导波检测技术中,压电式超声导波检测应用最广,其关键检测结构是探头。对压电式超声导波检测探头及其发展趋势进行了综述,为后续的技术研发提供一定参考。

双光纤温度补偿法测量高温下电缆与附件界面压力的方法

电缆与附件的界面压力和电缆附件的安全运行密切相关,为此提出了一种采用光纤光栅温度补偿曲率传感器在线测量高温下电缆附件界面压力的新方法。首先基于光纤光栅传感机理、纯弯曲数学模型、厚壁圆筒模型,选用道康宁Sylgard–184硅橡胶制备了光纤光栅温度补偿曲率传感器,之后测量了不同扩径率下10 kV电缆附件常温和高温下的界面压力值。研究表明:该光纤光栅曲率传感器温度补偿测量偏差为−7.74%~7.01%,随着温度的升高(从30℃至60℃),电缆附件的界面压力值逐渐增大,其测试结果与传统压电传感器的测量结果趋势一致。该方法有望用于评估运行于复杂温度环境下的实体电缆附件界面压力的长期可靠性。

硅橡胶绝缘高压电缆附件的老化特性研究

为研究高压电缆附件绝缘在电、热和环境等多因素作用下的老化特性,文中以6种退役硅橡胶绝缘高压电缆附件样品为研究对象开展工作。采用SEM、FTIR和XRD分析了不同运行环境下样品的理化特性和微观分子结构变化,通过介电测试和表面电位衰减测试获得了样品宏观介电性能和微观电荷特性,采用拉伸实验获得了绝缘样品的力学性能数据,最后结合上述表征对电缆附件的绝缘和老化状态进行评估。结果表明硅橡胶附件老化过程中以Si-O主链降解为小分子为主,小分子物质进一步发生氧化和重结晶反应,导致分子的交联度下降和极性增强,同时微粒团簇形成应力集中点和放电通道,外在表现为力学性能下降和介电常数改变;硅橡胶绝缘表面在电、热和应力作用下出现裂纹和孔洞,分子链断裂形成低密度区,影响材料表面的陷阱密度和能级深度,宏观体现为电缆附件绝缘击穿场强和电阻率的变化。

冷热循环单周期内电缆附件XLPE-SiR界面局部放电演变特性研究

电力系统的日负荷特性导致配电电缆处于持续的冷热负荷循环状态。现场经验表明,在电力系统负荷突变或环境温度变化剧烈过程中,电缆附件绝缘故障频繁发生,而对于这种运行条件下的电缆附件界面绝缘特性的研究却鲜有报道。为此,该文对电缆附件界面预制传感器,探究冷热循环单周期内的界面压力变化情况。首先,对预置半导电突起缺陷的电缆附件进行50个周期的冷热循环预老化实验。随后,将一个冷热循环周期内附件面压及温度变化情况与一个周期内的局部放电情况进行对比分析。实验结果表明,在一个冷热循环周期内电缆附件的局部放电将经历4个阶段,在温度上升与下降阶段都将出现短暂的局部放电活跃现象,而在温度恒定、界面状态稳定时,局部放电反而相对受到抑制。经分析,认为该现象是由于冷热负荷循环过程中界面温度与界面压力两方面因素相互作用而导致的。最后,从硅橡胶主绝缘的材料特性与界面空腔放电的角度出发,解释了一个冷热循环周期内附件界面局部放电行为特性。

10 kV电缆中间接头结构参数统计分析

中压电缆中间接头的几何参数是其结构设计和电场分布仿真分析研究的关键。分析了9个不同厂家中间接头的结构,计算了各尺寸参数的统计量,分析了各厂家间中间接头结构尺寸的分散性。选择相关结构参数,对中间接头的实际结构进行了建模仿真,研究了不同的设计参数对电场强度的影响。在保持其他参数一致的情况下,发现高压屏蔽层与主绝缘和电缆绝缘交界处的最大场强随着高压屏蔽层长度L2的增加而增大,当两厂家中间接头的高压屏蔽层长度相差50 mm时,最大场强的相对增长率达到了16.66%。应力锥与主绝缘交界处的最大场强随着主绝缘厚度d1的增加而增加,当两厂家中间接头的主绝缘厚度相差4.16 mm时,最大场强的相对增长率为7.36%。高压屏蔽层厚度d2对中间接头场强影响较小。所提的中间接头结构尺寸为中间接头的设计和仿真研究提供了重要的基础数据,并为中间接头的优化提供了思路。

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。

基于Arrhenius公式的电缆附件硅橡胶寿命预测模型

从附件硅橡胶材料的力学性能出发,对目前市面上某主流附件进行加速热老化试验,随后对附件硅橡胶的拉伸特性和热失重特性进行测试,并利用Arrhenius公式基于硅橡胶材料的断裂伸长保留率构建其寿命模型。结果表明:热老化试验后硅橡胶的力学性能下降,具体表现为弹性模量增大,拉伸强度和断裂伸长率降低。仅考虑硅橡胶材料的热老化时,电缆附件的理论运行寿命为13.0~44.5年。

基于M-W极化模型的低电场极性反转下XLPE/硅橡胶空间电荷与电场分布特性研究

相比于单一介质的电缆绝缘,高压直流电缆附件复合绝缘因介质不连续性更易在界面处积聚空间电荷。在基于电网换相器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统中,进行潮流反转调整时需改变电压极性,高压直流电缆附件将会承受极性反转电场,尽管是短时的,但由于空间电荷的累积效应也会在局部产生极高的电场,严重影响绝缘性能。为此,该文利用实验获得交联聚乙烯(XLPE)与硅橡胶(SR)电导率与电场强度的变化关系,基于Maxwell-Wagner(M-W)极化模型仿真研究了低电场极性反转下XLPE/SR双层介质中空间电荷与电场的分布特性。结果表明:室温下,SR的低电场电导率要高于XLPE,且SR电导率受电场强度的影响相对较小而XLPE则较大。由于界面电荷极性变化滞后于电压极性变化,极性反转期间界面处残留的负极性电荷造成SR中出现最大瞬态电场;电压极性反转越快,XLPE/SR界面残留的负极性电荷越多,SR中的最大瞬态电场强度越高;外施电压越高,由于SR与XLPE的电导率比值降低,SR中的最大瞬态电场畸变率越小。

±320 kV直流电缆交联聚乙烯/三元乙丙橡胶附件击穿特性

高压直流电缆接头与终端为电缆系统故障的多发点,其击穿强度为直流输电系统安全稳定运行的重要基础。文中以±320 kV高压直流海底电缆中交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)/三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)附件为研究对象。首先,研究电缆及附件负荷循环耐压试验,发现附件界面为击穿薄弱环节;其次,研究绝缘材料电导率随温度变化特性对电场分布的影响规律,通过有限元仿真模拟电缆空载和满载运行时附件的温度分布与电场分布,发现最大电场出现在电缆绝缘靠近附件应力锥一侧,为29.5 kV/mm,低于附件材料的击穿场强;最后,研究界面在直流电场下空间电荷特性对电场分布规律的影响,通过电声脉冲法测试复合叠层片状样品介质界面的空间电荷及其电场分布,发现场强畸变率约为100%~200%。同材料本征绝缘匹配相比,界面空间电荷积聚对附件内部电场造成的畸变程度更严重,在后续附件提升中应更注重开发抑制空间电荷的绝缘材料。

不同温度下XLPE-SIR异质绝缘的交/直流电树枝及局部放电特性

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆本体与附件构成的异质绝缘的电树枝化严重威胁电缆及附件的安全运行。为探明不同温度下XLPE-硅橡胶(silicone rubber,SIR)异质绝缘的交/直流电树枝及局部放电特性,分别在30、50和70℃下,对XLPE-SIR进行交/直流下的电树枝实验及局部放电检测。结果表明,局部放电特征量与电树枝发展阶段密切相关,其中放电量变化率相关性最强;异质绝缘界面对电树枝发展起阻碍作用;交/直流下试样击穿路径不同,推测这与实际界面的非理想接触状态及交/直流下界面附近电荷分布与局部放电差异有关;此外,温度升高不仅促进电树枝的引发与生长,同时对交流电树枝形态有显著影响。结果可为高压交/直流XLPE电缆附件处的绝缘老化状态监测与评估提供一定理论依据。

界面接触状态和温度对电缆附件界面击穿电压和形态特性影响研究

由于电缆接头界面易产生沿面放电,进而引发绝缘故障,使其成为电力电缆系统中最为薄弱的环节。本文研究了不同界面粗糙度、压强及温度对硅橡胶/聚乙烯双层介质界面交流击穿电压的影响,并对击穿后的界面放电通道进行分析。结果表明:常温下界面击穿电压与界面粗糙度有关,界面光滑程度越高,界面击穿电压越高,且界面碳化区域越小。界面压强越大,界面击穿电压越高,而界面碳化区域呈先增大后减小的趋势。随着温度升高,界面击穿电压呈下降趋势,但高温下的击穿电压并未显著下降。此外,界面碳化区域随温度的升高呈先增大后减小的趋势,不同温度下界面接触状态变化是影响其特性的主要原因。电缆附件界面状态对界面击穿特性有着重要影响,故在电缆使用和维护的过程中应特别注意。