基于宽频阻抗谱BIS的XLPE电缆绝缘电树枝缺陷定位方法

提出了一种改进的宽频阻抗谱BIS方法来定位XLPE电缆中的电树枝缺陷。进行了不同温度下的电树枝实验,以启动不同类型的电树枝。利用矢量网络分析仪测试了电树枝生长过程中的高频电容特性。采用改进的定位算法计算了含有不同类型电树枝缺陷的20m长电缆的定位谱,结果表明切片样品的电容随着电树枝的生长而减小。丛林状电树对电容参数的影响大于松枝状电树枝。在丛林状电树枝的定位谱中发现了一个典型的双峰,在松枝状电树枝的光谱中发现了单个峰。

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。

热老化对XLPE电缆本体中典型缺陷所引发的电场畸变的影响

由缺陷所引发的局部电场畸变是电缆故障的重要诱因之一。现有的关于缺陷的仿真研究主要针对于未服役的电力电缆开展,缺少老化过程对缺陷所引发的电场畸变程度的影响研究。该文通过COMSOL有限元仿真软件研究热老化对电缆本体中外护套破损、受潮水珠、杂质颗粒、半导电层凸起和水树枝5种典型缺陷所引发的电场畸变的影响。结果表明,5种典型缺陷均会造成不同程度的电场畸变,其中水树枝所造成的电场畸变率最高,为456.2%;外护套破损缺陷引发的电场畸变率最低,为51.6%。随着热老化时间的增加,靠近外半导电层的缺陷所引发的电场畸变率逐渐升高,引发放电故障的风险提高;靠近内半导电层的缺陷所引发的电场畸变率逐渐降低,呈现出自愈的趋势;而位于绝缘中部的缺陷引发的电场畸变对热老化并不敏感。上述结果的产生源自于热老化交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)电缆绝缘的相对介电常数沿电缆径向的非线性分布。所构建的相对介电常数沿电缆径向的分布函数及推导该函数的方法有助于更为准确地研究交变电场下老化、服役电缆绝缘的电场分布特性。

水树对XLPE电缆绝缘材料性能和微观结构影响的研究进展

阐述了交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树引发、生长理论,讨论了水树枝模型及水树化学反应过程,分析了水树对XLPE电缆绝缘材料电性能(介电常数、击穿电压、损耗因子、电导及电树引发电压)的影响。在此基础上,介绍了水树对XLPE电缆绝缘材料微观结构的影响,包括水树中的氧化降解作用对电缆微观结构以及水树对电缆绝缘中空间电荷分布的影响。

XLPE电缆绝缘中的电树枝结构及其生长特性

为研究不同频率下半结晶XLPE电缆绝缘材料中的电树枝引发、生长及结构特征,系统的归纳了XLPE电缆绝缘中可能出现的电树枝特征及其与材料聚集态和残存应力的关系;采用变频高电压发生器、实时显微数字摄像技术及专用试样加工工艺,进行了大量的电树枝培养实验。实验研究发现,由于半结晶高聚物的不均匀结晶和电缆生产过程中在绝缘层中产生的残存应力的影响,使得50Hz施压频率下XLPE电缆绝缘试样中会生成枝状、枝状与丛林混合状及纯丛林状3类电树枝,而>500Hz高频下则只能生成稠密枝状电树枝,它们分别对应于不同的生长机理。低频下电树枝生长特性和电树枝结构与材料的聚集态密切相关,而高频下则关系不大。分形分析这些电树枝的结构后发现,电树枝的生长特性与其分形维数及其分形维数的变化有对应关系,故可用分形维数分类和定量描述这些电树枝.最后探讨了几种不同结构电树枝的生长机理。

XLPE 电缆水树老化过程中半导电层缺陷的形成机理

交联聚乙烯(XLPE)电缆的半导电层缺陷诱发机理尚无定论。为此,在加速水树老化实验的基础上,观测了水树老化后电缆的内、外半导电层中的缺陷,并对这些缺陷的形成原因进行了讨论。采用水针法对长度为70 m的XLPE电缆进行加速老化,电缆的绝缘性能逐渐下降,并在绝缘层中观察到水树缺陷。通过扫描电镜(SEM)观测到,老化样本的半导电层中有大量孔洞缺陷。进一步采用X射线能量色散谱(EDS)对内、外半导电层中的化学元素进行定量分析证明,老化后半导电层中氧(O)元素含量显著减少。因此,在长期老化过程中,半导电层中可能发生了电解质水溶液的电解反应,并生成了氧气(O2)和臭氧(O3),这种气体的生成是半导电层中孔洞缺陷发生及发展的原因。

XLPE电缆缺陷尺寸分布对电树枝起始的影响

采用强度—应力干涉模型 ,计算了缺陷尺寸分布对于交联聚乙烯绝缘耐电树枝起始可靠性的影响 ,发现缺陷分布的均值及标准差对耐电树枝起始可靠性有影响 ,而减小缺陷尺寸分布的标准差可大大提高绝缘耐电树枝起始的可靠性。

工频电压下110kV XLPE电缆电树枝生长及局放特性

基于实时显微数字摄像技术和局部放电连续测量相结合的方法,采用典型针-板电极结构,研究了不同外施工频电压下110kV级XLPE电缆绝缘中的电树枝结构特征、生长规律及其局部放电特性。实验结果表明,外施电压有效值9kV下电树枝呈现出多样性的特点,为滞长型、枝状和枝-松枝状,滞长型电树引发和生长时间最长,滞长阶段局部放电腐蚀作用明显;枝状和枝-松枝状电树引发时间相当,枝状电树生长时间短,滞长阶段局部放电稳定;枝-松枝状电树滞长阶段局部放电减弱,同时松枝状结构出现并快速生长。外施电压有效值11、13和15kV下的电树枝分别呈枝状和丛状,其中枝状电树引发时间长,生长时间最短,局部放电对树枝生长作用明显;丛状电树引发时间短,利用盒计数法计算电树枝分形维数,根据放电雪崩模型理论,研究发现随着外施电压的升高,树枝丛状区域更加密集,电树枝的分形维数增加,对材料的破坏区域扩大,局部放电作用消弱,电树枝生长时间延长。

基于硅氧烷的XLPE电缆水树修复方法研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘电力电缆在经过长时间运行后会发生水树老化,降低电缆绝缘强度,威胁电力系统的安全稳定运行。笔者设计了一套XLPE电缆绝缘水树修复装置,利用硅氧烷修复液对电缆试样进行了修复工作,详细介绍了修复过程并深入分析了修复机理。然后仿真对比了修复前后不同类型水树区域的电场变化,测试了修复后电缆介质损耗角正切与绝缘电阻的变化趋势,接着对电缆进行了加速水树老化实验,利用光学显微镜观察老化后XLPE绝缘中的水树生长情况。研究表明:修复液与水能快速反应产生聚合物填充水树孔隙,逐步提升电缆整体绝缘性能;生成物的介电性能与XLPE接近,能显著改善水树区域特别是尖端的电场,抑制水树的进一步生长,有效延长电缆使用寿命。

高频交流电压下XLPE的电树枝形貌特征及生长机理分析

采用热压法制备XLPE试样,基于针-板电极系统研究了高频交流电压作用下XLPE中电树枝的形貌特征及生长机理。结果表明:在5 k Hz^7.5 k Hz高频交流电压作用下,XLPE中电树枝的引发时间普遍较长,所形成的电树枝形貌均为丛状或丛状-树枝状混合型电树枝。在电树枝形成的初始阶段,产生了"树干状"单枝通道,直径在数十微米数量级。随着外施电压频率的提高,电树枝的颜色加深,表明其侵蚀的区域增多;电树枝的平均生长速率也显著提高。分析认为,高频交流电压作用下XLPE中的局部放电现象是导致"树干状"单支通道和丛状电树枝的主要原因,频率提高使单位时间内发生局部放电的次数增多,进而使电树枝劣化的程度加剧。

工频电压下110kV级XLPE电缆绝缘中电树枝生长阶段特性

基于实时显微数字摄像技术和局部放电连续测量相结合的实验方法,研究了不同外施工频电压下110kV级XLPE电缆绝缘中电树枝的结构特征及其生长特性。结合大量实验结果,研究发现在不同外施电压的作用下,电树枝结构呈现出多样性的特点,生长过程及其局部放电具有鲜明的阶段特性,而且每个阶段存在不同生长机理。

二次施压对XLPE电缆电树枝生长特性的影响

为了研究二次施压下XLPE电缆中电树枝的生长特性,采用短电缆金属针缺陷试验装置,研究XLPE电缆在12 kV作用下生长的电树枝受二次施压(15 kV)作用后新树枝的生长特性。研究结果发现,受二次施压电压和升压速度的影响,XLPE电缆绝缘层中会出现一种奇特的"丛-枝"状电树枝,且二次施压下,生长出的新树枝具有引发时间短、生长速度快、放电通道窄等特点。结果表明,二次施压对XLPE电缆中电树枝的二次引发和生长有较大影响,是加速电缆老化和击穿的重要因素。

10kV XLPE电缆接头的电场模拟方法研究

目前对电缆接头的电场模拟通常采用静电场下的二维模型。文中以XLPE电缆用10 kV接头为研究对象,针对导体屏蔽管和应力锥结构所采用的半导电材料电阻率较低的特性,通过理论分析指出,对接头的电场模拟应在电准静态场下进行,并采用有限元方法,对比分析了静电场和电准静态场下的接头电场仿真结果。此外,通过对接头中多种典型缺陷几何特征的综合分析指出,对于完好的或含有电缆主绝缘回缩类缺陷的接头,由于具有轴对称的结构特性,推荐采用二维轴对称方式建模,以节约工作量,并获得所需的计算精度;而对于含有绝缘表面划伤或半导电颗粒残留、电缆绝缘屏蔽末端的半导电尖端或气隙,以及导体屏蔽管内高电位尖端等缺陷的接头,由于其轴对称特性遭到破坏,必须采用三维立体建模,以真实模拟实际缺陷。文中的研究结论对于提高电缆附件的电场模拟精度,确定敷设安装的技术规范具有重要意义。

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。

XLPE电缆中水树区域干湿状态下的电场特性研究

为研究交联聚乙烯(XLPE)电缆中水树区域介电常数与电场特性的关系,采用水针电极、高频高压对交联聚乙烯电缆试样进行加速水树老化实验,通过显微镜观察水树形态,根据观察到的水树形态构建有限元仿真模型,仿真分析水树区域介电常数变化对水树周围电场强度的影响规律。结果表明:当水树区域相对介电常数或电导率增加时,水树末梢的场强增大,而针尖场强减小,水树末梢尖端易成为电树引发的起点;当水树区域相对介电常数或电导率减小时,针尖场强增大,而水树末梢的场强减小,针尖易成为电树引发的起点。

直流XLPE电缆泄漏电流的测试与分析

目前,国内外直流电缆工程及制造技术空前发展,而直流XLPE电缆运行情况、故障特征及劣化规律研究尚在起步阶段。泄漏电流是电缆绝缘状态的重要表征手段。搭建了直流XLPE电缆泄漏电流检测实验平台,设计并制造了XLPE电缆绝缘划痕缺陷模型,研究了其电场畸变特性及不同电压幅值、不同电压极性及测试时间下泄漏电流变化特征。结果表明,在运行电压下,通过对比正常状态与缺陷状态的泄漏电流值,可有效区分电缆的状态,且泄漏电流随外施电压升高变化显著,在相同的缺陷模型及电压下,负极性泄漏电流比正极性高,绝缘含有划痕缺陷时的泄漏电流存在衰减趋势。研究验证了运行条件下通过泄漏电流带电检测直流电缆状态的可行性,对电缆现场状态检测策略的研究具有重要价值。

电场对水树老化XLPE电缆修复效果的影响

为提高水树老化交联聚乙烯(XLPE)电缆注入式修复效果,研究了在施加不同电场时,水树老化XLPE电缆的注入式修复效果,以获得较好的修复方式。将水树老化后的电缆样本分别在不施加电压、施加直流正极性电压、直流负极性电压以及施加工频交流电压的情况下进行注入式绝缘修复。注入式修复期间,测量4组电缆样本的泄漏电流并对电缆样品切片后进行扫描电子显微镜观测。结果表明,注入式修复时施加电压明显提高了电缆的修复效果,而施加直流正极性电压时,修复液与水反应后的生成物颗粒团聚小,在水树区域分布均匀,注入修复液后4 h水树老化XLPE电缆的泄露电流下降至10μA,修复效果在4组样本中最优。

修复液抑制XLPE电缆局部放电的有效性研究

针对XLPE电缆中存在水树缺陷引起局部放电导致电缆绝缘迅速劣化的问题,提出了一种通过注入修复液修复电缆水树缺陷抑制电缆局部放电的方法,从XLPE电缆试样局部放电特征及缺陷表面微观形貌结构两方面研究修复液对XLPE电缆局部放电的影响。采用水针电极法加速XLPE电缆绝缘水树老化,并对生成水树缺陷的电缆试样进行注入式修复,测试分析修复前后电缆试样的局部放电特征,并对修复后电缆试样缺陷处的表面形貌特征进行分析。此外,建立XLPE电缆水树缺陷的有限元模型,结合水树缺陷处电场仿真进一步阐述修复液对XLPE电缆局部放电的影响机理。结果表明:修复后XLPE电缆局部放电的放电幅值和放电次数均大幅减小,表明修复液可以抑制电缆局部放电的发展,减缓XLPE电缆绝缘的劣化。

XLPE配电电缆缺陷诊断与定位技术面临的关键问题

交联聚乙烯(XLPE)电缆性能优异,在城市配电系统应用广泛。目前部分配电电缆即将达到或已超过其设计寿命,如何准确诊断"老龄化"电缆的状态继而保障配电网运行可靠性是一项重大挑战。该文深入分析现有电缆典型缺陷诊断方法和定位技术应用于XLPE配电电缆状态诊断过程中的有效性,指出长电缆中缺陷诊断灵敏度和定位准确性、电缆老化段与集中性缺陷的辨识与定位等存在的关键问题。在此基础上,从提高电缆中集中性缺陷诊断灵敏度、实现对长电缆中缺陷的准确定位、开展电缆中局部老化段的定位与诊断研究等方面给出了建议。