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。

有机硅基热界面材料的研究进展

综述了使用陶瓷填料(如氮化硼、氧化铝等)提高有机硅基热界面材料(导热硅脂、导热硅橡胶垫片及导热硅凝胶)导热性能的研究进展。此外,还总结了导热硅脂、导热硅凝胶渗油性,导热硅橡胶垫片柔软性的研究进展。

涂覆硅脂对电缆附件绝缘溶胀机理及影响因素

电缆与附件绝缘的复合界面长期处于电、热联合作用的复杂环境。除了附件安装和设计等因素外,界面涂覆硅脂特性对界面可靠性也起着关键作用。至今为止,硅脂对附件绝缘的溶胀作用及影响因素研究仍属空白。该文基于电缆附件安装用涂覆润滑/密封硅脂,研究了热、电晕及气氛(臭氧)老化对硅脂在硅橡胶表面溶胀过程及溶胀后硅橡胶性能的变化规律。结果发现:3种老化不同程度地破坏了硅脂和硅橡胶的表面微观形态;电晕老化后试样表面硅脂干裂成块状,硅橡胶表面出现大量树枝状裂痕。进一步的硅橡胶/交联聚乙烯(SR/XLPE)界面击穿特性和硅橡胶力学性能测试以及红外光谱分析的结果表明:电晕老化明显降低了界面绝缘强度和硅橡胶本体力学性能;热老化、气氛老化和电晕老化都加速了硅脂的溶胀,促进作用依次减小;热老化通过增加硅脂和硅橡胶分子之间的相对运动使硅脂在硅橡胶中的扩散速度增加,气氛老化和电晕老化通过臭氧等强氧化剂和高能带电粒子破坏硅橡胶的交联结构从而促进了硅脂的溶胀。

电晕放电加速硅脂劣化对硅橡胶绝缘表面性能的影响

硅脂广泛用于电缆附件安装过程的表面润滑和密封。但电缆附件绝缘在长期运行过程中受到硅脂的溶胀作用,且电缆与附件绝缘界面易发生沿面电晕放电乃至击穿故障。而不同硅脂在电晕老化作用下对界面电气性能和硅橡胶机械性能的影响未见报道。为此选择了6种不同涂覆硅脂,研究涂覆不同硅脂的硅橡胶在电晕老化后表面粗糙度、分子基团与交联结构、复合界面击穿电压和硅橡胶本体机械性能的变化。结果发现:电晕老化破坏了硅脂和硅橡胶的表面形态和硅橡胶的交联结构,导致界面绝缘强度和硅橡胶机械性能下降严重;硅脂和硅橡胶表面出现的裂纹孔洞以及极性分子等使涂覆硅脂的试样表面粗糙度增加;而XLPE/SR复合试样界面击穿电压与硅橡胶试样表面粗糙度值呈负相关:表面粗糙度越大的试样其复合界面击穿电压越低。另外,本文提供了一种简单的硅脂性能测试思路:通过对涂覆不同硅脂的硅橡胶试样在电晕老化后的界面电气性能和机械性能等测试,可以筛选出性能稳定的硅脂。

多因素下硅橡胶吸收硅脂/硅油特性及其对力学性能的影响

在安装电缆附件时,通常会在电缆附件硅橡胶绝缘和电缆本体交联聚乙烯绝缘之间的界面处涂覆硅脂,硅脂会被硅橡胶吸收,从而影响了硅橡胶的性能。目前针对不同因素下硅橡胶对硅脂或硅脂基油—硅油的吸收特性及吸收后硅橡胶力学性能的研究并不充分。为此系统研究了硅橡胶无机填料粒径、硫化剂含量及硅油种类对硅橡胶吸收硅脂/硅油特性的影响,以及硅橡胶吸收硅脂对自身基本力学参数与静态粘弹性的影响。结果表明:硅橡胶无机填料粒径对硅橡胶的饱和吸收硅脂/硅油率无明显影响;饱和吸收率随硅橡胶硫化剂含量的增加而减小且当硫化剂含量达到一定量时其值基本不变;硅橡胶对不同种类硅油的饱和吸收率不同,当硅油支链含有三氟丙基或乙烯基时,饱和吸收率较小;硅橡胶吸收硅脂使其拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量均减小,且促进了硅橡胶的应力松弛和蠕变。

硅脂对电缆中间接头硅橡胶力学特性的影响

在安装电缆附件时,通常会在电缆附件硅橡胶绝缘和电缆本体交联聚乙烯绝缘之间的界面处涂覆硅脂,硅橡胶吸收硅脂后会对其力学特性产生影响。目前关于硅橡胶在多种情况下吸收硅脂后其力学的研究并不充分。该文研究了吸收硅脂后对其基本力学性能的影响,系统研究了扩张程度、温度和吸收率对硅橡胶吸收硅脂后应力松弛和蠕变及永久变形率的影响,并研究了不同涂覆条件对裂痕发展的影响。结果表明:硅橡胶吸收硅脂后弹性模量、拉伸强度和断裂伸长率均减小;硅橡胶吸收硅脂后的应力松弛与扩张程度和温度之间无明显规律,但其永久变形率随扩张程度的增加而增加;硅橡胶吸收硅脂含量越大,产生的应力松弛和蠕变及永久变形率越严重;仅裂痕处涂覆硅脂时,裂痕发展最为迅速。

多因素下硅橡胶吸收硅油/硅脂的影响规律

电缆附件安装时需在附件绝缘与电缆本体绝缘界面处涂覆硅脂以保证界面密封性和耐电强度,但长期运行过程中附件绝缘硅橡胶会吸收硅脂,进而降低自身的电气性能与力学性能,最终引起附件绝缘故障。为此文中重点研究硅脂在硅橡胶内分子动力学扩散过程的数学物理模型,为硅橡胶吸收硅脂的研究奠定理论基础;并研究硅脂基油—硅油的黏度、硅橡胶无机填料含量和温度对硅橡胶饱和吸收硅油/硅脂量的影响。研究表明:硅油/硅脂在硅橡胶中的扩散过程符合Langmuir扩散模型;硅橡胶吸收硅油/硅脂的单位体积饱和质量变化量随着硅油黏度以及硅橡胶中氢氧化铝、气相白炭黑含量的增大而减小,随着温度的升高而增大。

硅脂涂覆料对XLPE/EPDM复合介质界面电荷积聚和击穿特性的影响

电缆与附件复合介质界面的电荷特性,不仅与复合介质界面极化机理有关,也受到高场强下电极注入电荷的影响。另外,电缆与附件界面涂覆料也会影响界面电荷的积聚和消散特性。文中基于附件安装工艺中常用的普通硅脂和氟化硅脂两种硅脂涂覆料,测量了交联聚乙烯/三元乙丙橡胶（XLPE/EPDM）复合介质在不同硅脂涂覆下,外施不同极性电压时界面电荷积聚和消散特性,通过体预压和界面击穿试验探讨了界面残余电荷对界面击穿电压的影响规律。研究结果表明：涂覆氟化硅脂试样的界面电荷量多于涂覆普通硅脂试样。且涂覆氟化硅脂时,界面残余正电荷的衰减速率远高于界面残余负电荷的衰减速率。另外,当界面残余电荷极性与界面针电极极性一致时,有利于提高界面击穿电压,反之亦然。界面涂覆氟化硅脂试样的界面击穿电压均低于涂覆普通硅脂试样。

硅脂环境下电缆中间接头界面压力演变规律研究

在安装电缆附件时,通常会在电缆附件硅橡胶(SR)绝缘和电缆本体交联聚乙烯(XLPE)绝缘的界面处涂覆硅脂,硅橡胶吸收硅脂后会对界面压力产生影响。采用实验和仿真相结合的方法对电缆接头SR和XLPE之间的界面压力进行研究,通过实验测得硅橡胶吸收硅脂后弹性模量的变化,并将其分配到三维模型中进行仿真。结果表明:硅脂环境下,硅橡胶扩张程度越大,质量变化率越大,弹性模量越小。电缆接头SR和XLPE之间的界面压力随吸收硅脂时间的增加而减小;电缆接头扩张程度越大,界面压力越大,界面压力的降低速度越快;界面压力随摩擦系数的增加而略微减小。

硅脂对交联聚乙烯绝缘与硅橡胶界面电场的影响

在交联聚乙烯绝缘与硅橡胶界面涂抹硅脂是制作电缆中间接头的一个关键步骤,但实际制作电缆接头时,由于现场施工人员对硅脂认识不足,常有硅脂漏涂、涂抹不均匀的情况,而硅脂对界面电场的影响研究尚未见报道,为此建立10 kV电缆中间接头三维有限元模型,分析硅脂有、无;涂抹均匀和不均匀时的电场分布规律,同时还研究了硅脂对杂质缺陷电场的抑制作用。仿真结果表明,未涂抹硅脂时,界面最大场强比涂抹硅脂时增大了3.79倍;硅脂涂抹不均匀时,涂抹不均匀处最大场强比均匀涂抹硅脂时增加2.8倍。未涂抹硅脂、硅脂涂抹不均匀均会造成界面电场严重畸变。且硅脂涂抹不均匀时,空气隙处场强与其到外半导切断处轴向距离及空气隙厚度均成反比关系。此外界面存在杂质缺陷时,涂抹硅脂情况下电场强度远小于未涂抹硅脂时电场强度。说明涂抹硅脂对杂质缺陷的电场有很好的优化作用。规范涂抹硅脂是施工不可缺少的环节。

不同涂覆条件对XLPE/硅橡胶界面击穿强度的影响

针对电缆接头安装过程中涂覆硅脂种类、制作工艺差异引起的界面粗糙和划痕等缺陷以及运行过程中水分侵入等因素对界面击穿特性的影响,测量分析了XLPE/硅橡胶界面涂覆普通和氟化两种不同硅脂,在不同粗糙度、潮湿处理及刀痕条件下的交流及冲击电压下的击穿特性。结果表明:在施加交流和冲击电压下,随着界面压力的增加,击穿电压均升高,冲击电压下普通硅脂试样比氟化硅脂试样有更高的击穿电压;涂覆氟化硅脂对改善界面防潮性及稳定性优于涂覆普通硅脂;XLPE/硅橡胶界面的光滑程度越高,界面的击穿电压值较高。

压力对交联聚乙烯-硅橡胶界面电痕破坏碳化深度的影响

为了研究界面压力对电痕破坏的影响规律,以电缆专用交联聚乙烯-硅橡胶薄片叠压的复合界面为实验样品,建立了界面压力可调的电痕破坏实验平台,采集并分析了界面压力与复合界面电痕破坏碳化深度分布的数量关系,得到了界面压力对交联聚乙烯碳化分布的影响规律,并探讨了其影响机理。结果表明:界面压力越小,复合界面上交联聚乙烯表面的碳分布面积越大,碳化深度越浅;界面压力越大,交联聚乙烯表面的破坏面积越小,碳化深度越深。这种结果可能是界面中存在微气隙,这些微气隙具有一定的绝缘自恢复性,且对压力敏感以及微气隙的绝缘强度比固体有机绝缘低的缘故。

硅脂溶胀对XLPE-SiR复合界面气隙缺陷局部放电的影响及作用机理

电缆附件在安装时会将硅脂涂覆于电缆与附件绝缘界面处,但硅脂对附件绝缘硅橡胶(SiR)材料的溶胀则会降低其力学与绝缘性能,而针对硅脂的溶胀效应对界面局部放电的影响目前尚缺乏相关研究。为此,首先制作了含缺陷界面测试单元,测试研究了硅脂溶胀对界面局放起始电压(partial discharge inception voltage,PDIV)的影响;然后对溶胀前后硅橡胶(SiR)进行质量测量、傅里叶红外光谱测试、宽频介电常数谱测试和扫描电镜表征;最后建模仿真了界面单元电场的分布情况。研究结果表明,界面单元PDIV在刚涂覆硅脂时会出现显著上升,随后仅需36h就由17.5k V降低至10.8k V,该最小值低于不涂覆硅脂的对照组;而溶胀后SiR工频介电常数由2.87增大至3.3,产生这一变化的原因是溶胀过程中硅脂作为短链分子的引入所导致的SiR单位体积极化分子数增加;同时,SiR介电常数的增大会加剧界面缺陷与气隙处的电场畸变,导致界面局放起始电压进一步降低。硅脂溶胀所导致的硅橡胶介电常数变化是影响XLPE-SiR界面局放引发的重要因素之一。

水分对XLPE与LSR介电性能的影响

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)及液体硅橡胶(liquid silicone rubber,LSR)绝缘材料受潮后对其介电性能有影响。为了探究水分对两种绝缘材料介电性能影响及其机理,本文以片状XLPE与LSR试样作为研究对象,测量试样在65℃不同浸水时间后的介电频谱、工频击穿场强、水分含量以及红外光谱特性。发现浸水后,水分对XLPE与LSR的介电性能均有影响,并且水分对LSR的介电性能影响更大,0.1 Hz下的损耗因数在反映XLPE与LSR的受潮方面更加明显;利用Pearson相关分析得到了0.1 Hz与50 Hz的tanδ之间的关系模型;浸水后,XLPE试样以结合水影响为主,LSR试样主要受自由水影响。

不同老化处理对涂覆硅脂后XLPE/SIR界面击穿特性的影响

为研究不同老化条件对电缆附件界面击穿特性的影响,首先在交联聚乙烯(XLPE)/硅橡胶(SIR)平板复合试样界面处制备环形电极,然后对涂覆两种硅脂的硅橡胶分别进行热老化、臭氧老化、电晕协同臭氧老化处理,最后在交流电压下进行XLPE/SIR界面击穿试验。同时,对涂覆硅脂并经不同老化条件处理后的硅橡胶表面微观形貌、傅里叶红外光谱及凝胶含量进行分析,探究不同老化条件对涂覆不同硅脂后XLPE/SIR界面击穿特性的影响规律。结果表明:短时热老化作用对涂覆硅脂后XLPE/SIR界面的交流击穿特性影响较小,臭氧老化及臭氧协同电晕老化均可降低XLPE/SIR界面的起始放电电压和交流击穿强度。老化作用对XLPE/SIR界面交流击穿特性的影响主要是由硅脂及硅橡胶的物化特性改变引起的。

聚乙烯硅橡胶绝缘材料老化性能的研究

输电线路表面虽然包覆绝缘材料,但是线路长期暴露在自然环境中,发生老化反应后严重威胁使用效果,因此研究了聚乙烯硅橡胶绝缘材料老化性能。制备聚乙烯硅橡胶绝缘材料,使用热老化方法加速聚乙烯硅橡胶绝缘材料老化,研究老化后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料的失重情况、力学性能、结晶度、击穿场强与体积电阻率。测试结果显示,140℃老化处理后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料失重情况更严重,断裂伸长率和拉伸强度均更低,弹性模量升高,材料整体失去韧性,结晶度明显降低,击穿场强和体积电阻率均下降明显;80℃老化处理后的聚乙烯硅橡胶绝缘材料失重情况与力学性能较好,经过长时间老化处理后,击穿场强和体积电阻率始终高于140℃老化处理的聚乙烯硅橡胶绝缘材料。因此,说明控制老化温度,能够提升聚乙烯硅橡胶绝缘材料的老化性能。