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。

界面涂敷料对XLPE和SIR复合绝缘界面空间电荷特性的影响

电缆附件绝缘用硅橡胶(SIR)易吸收涂覆在附件与电缆绝缘界面的硅脂发生溶胀,从而影响界面电荷特性。硅脂为硅油二次加工产品,为研究溶胀效应对SIR和交联聚乙烯(XLPE)/SIR界面空间电荷分布的影响,采用硅油作为溶胀剂,利用电声脉冲法(PEA)分别测量了硅油溶胀前后的SIR试样和界面涂覆硅油前后XLPE/SIR试样的空间电荷分布,同时还测量了单层XLPE、硅油溶胀前后SIR试样的体积电阻率。研究结果表明:经硅油溶胀后,SIR电阻率降低了约一个数量级;空间电荷测量时,SIR正电荷峰在低场强(6 MV/m)下出现向橡胶体内移位的现象,且溶胀后SIR的正电荷峰移位更明显,但随着场强升高,正电荷峰逐渐回移至原位;溶胀后的SIR在低场强下,负电极侧出现明显的空间电荷注入现象,同时在高场强下负电极侧的异极性电荷积累量较未溶胀时增多;复合界面空间电荷测量中,相比无涂覆情况,复合绝缘界面积累的正电荷量增多,且在30 MV/m的场强下,电荷峰极性显示为正极性。

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆中间接头内电场分布的影响

为改善交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆中间接头内的电场分布,通过添加纳米填料制备了用于制作电缆接头应力控制体的非线性硅橡胶复合材料。建立了高压直流电缆接头仿真模型,测试了各绝缘材料的电导特性,计算了电缆接头内的电场分布。研究结果表明,70℃时在各场强下未改性硅橡胶的电导率都小于高压直流电缆XLPE绝缘,故电缆接头内的最高场强点位于硅橡胶增强绝缘内,且最大场强远大于电缆本体绝缘的平均场强;以非线性硅橡胶做应力控制体增强绝缘时,超过一定场强后增强绝缘的电导率明显大于XLPE绝缘,保证了电缆接头内最高场强点永远位于XLPE绝缘内,且接近于平均场强。

改性球形氧化铝/褶皱结构石墨烯导热硅橡胶的制备及性能

面对5G时代,高功率化、集成化设备器件的热管理已成为影响性能的关键因素,热管理技术的飞速发展对导热界面材料的柔软性、绝缘性、导热性及可靠性等提出了更高的需求。以二维片状石墨烯(GNP)和不同粒径的球形氧化铝(Al_(2)O_(3))为导热填料,对其进行改性以改善填料在硅橡胶基体中的分散性,增强界面间结合,减少界面热阻。然后采用热压原位固化工艺,利用球形Al_(2)O_(3)将各向异性的GNP形成褶皱结构,制备了改性球形Al_(2)O_(3)/褶皱结构石墨烯导热硅橡胶复合材料。探讨了导热填料的含量、复合材料样品厚度等对导热硅橡胶复合材料综合性能的影响。结果表明,当复合材料样品厚度为0.8 mm,GNP质量分数为8%,Al_(2)O_(3)质量分数为50%时,复合材料面内热导率可达12.058 W/(m·K),面外热导率可达5.097 W/(m·K)。复合材料具有较好的柔性,添加GNP和Al_(2)O_(3)后,断裂伸长率均超过120%,最高可达171.68%。另外,在GNP质量分数为5%,Al_(2)O_(3)质量分数为50%时,当调节复合材料厚度为2 mm时,其击穿电压能够达到3.5 kV,满足一定的绝缘性能要求;此时面内热导率为1.979 W/(m·K),面外热导率为1.231W/(m·K)。与传统共混浇铸制备的硅橡胶片相比,该策略能够形成互联导热网络以获得高导热性能硅橡胶片,在大功率电子器件领域具有巨大的应用前景。

动态流变行为在三元乙丙橡胶/硅橡胶共混物形态结构研究中的应用

利用开放式炼胶机制备了三元乙丙橡胶(EPDM)与硅橡胶(SR)混炼胶和单相硫化硅橡胶(v-SR)的共混胶,通过流变行为研究了组成比例、界面交联作用等对共混体系形态结构的影响,并采用扫描电子显微镜和两相剥离强度对形态结构的研究结果进行了验证。结果表明,动态流变行为成功预测了高黏度聚合物复合体系的形态结构。共混物中EPDM的用量在30~70份(质量,下同)时,EPDM/SR混炼胶的形态呈双相连续结构。用超过1份的过氧化物交联剂对EPDM用量为70份的EPDM/SR混炼胶中的SR进行单相交联,v-SR的连续结构发生了融合,转变成颗粒状结构,且颗粒结构的相畴随着交联剂用量的增加而增大,而高剂量的交联剂可以使两相形成共交联。

纳米Fe_(3)O_(4)增强硅橡胶与铁氧体的界面黏结特性试验研究

目的探究纳米Fe_(3)O_(4)增强硅橡胶与铁氧体的界面黏结特性。方法分别开展准静态拉伸试验、界面法向和切向黏结强度试验。采用超弹性理论,分析纳米Fe_(3)O_(4)增强硅橡胶材料的拉伸行为,采用双线性和指数内聚力模型,分析纳米Fe_(3)O_(4)增强与铁氧体的界面破坏行为。结果通过拉伸试验获得了不同纳米Fe_(3)O_(4)含量的硅橡胶的工程应力应变曲线及两参数Mooney-Rivlin模型,小变形范围的模型误差在1%以内,大变形范围的最大误差为3.8%。通过界面强度试验,获得了不同纳米Fe_(3)O_(4)含量的硅橡胶和铁氧体界面的法向和切向力-位移曲线、黏结强度和界面断裂能,得到了界面法向和切向黏结强度内聚力模型参数。结论随着纳米Fe_(3)O_(4)含量增加,硅橡胶的拉伸强度增加,界面法向黏结强度和断裂能增大,而切向黏结强度和断裂能变化不显著。双线性内聚力模型更适合作为纳米Fe_(3)O_(4)增强硅橡胶与铁氧体的界面黏结强度表征模型,界面法向和切向黏结强度变化规律与实测值的吻合程度更高。

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。

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。

硅凝胶改善XLPE/SIR界面绝缘特性的研究

电缆附件界面涂覆硅脂存在溶胀效应,本研究采用一种硅凝胶作为界面涂覆料,通过测量XLPE/SIR界面试样的局部放电起始电压与界面击穿电压,对比硅脂与硅凝胶对XLPE/SIR界面填充效果的影响;通过拉伸试验与溶胀试验对比硅脂与硅凝胶对硅橡胶材料性能的影响;同时利用3D光学轮廓仪观测得到的数据对界面空腔尺寸进行估算,使用COMSOL仿真不同涂覆条件下的界面电场分布。结果表明:老化前,硅凝胶与硅脂均能提高XLPE/SIR界面的击穿电压和局部放电起始电压;老化后,涂覆硅脂试样的界面击穿电压与局部放电起始电压均大幅下降,而涂覆硅凝胶试样的界面击穿电压与局部放电起始电压不变。硅脂因溶胀作用导致硅橡胶的力学性能下降,而硅凝胶对硅橡胶材料性能无影响。硅凝胶由于其良好的电气绝缘性能并且在老化后不会轻易流失,作为界面涂覆料的性能优于硅脂。

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。

橡胶材料与XLPE绝缘界面电气特性研究

为了深入了解电缆附件采用的橡胶绝缘材料与电缆的交联聚乙烯(XLPE)绝缘之间形成的绝缘界面的电气性能,及其与橡胶材料的厚度、过盈量的配合等相互之间的关系,进行了系统研究和试验,获得了一系列的结果,为今后的电缆附件的设计与制造提供了可靠的依据。

极端运行环境温度下模拟机车电缆与附件绝缘界面压力的松弛特性

近年来,高速机车用柔性电缆终端在极端环境温度下事故频发,严重影响了铁路运输安全性。为此,根据实际机车运行的极端运行环境温度(–40~90℃),通过对比与分析电缆附件用硅橡胶材料在高温、低温及高低温循环过程中的弹性模量变化及其扩张态下的应力松弛特性,探讨了极端运行环境温度对电缆与附件绝缘界面压力的影响规律。研究结果表明:扩张态的硅橡胶材料在高温90℃下的面压松弛率近30%,在低温–40℃下的面压松弛率约10%~20%,而在高低温循环(–40~90℃) 120 h后,面压松弛率高达50%。因此,极端环境温度下电缆与附件绝缘界面压力的大幅度下降或将对机车电缆终端的绝缘性能产生显著影响。

纳米TiO_(2)表面精准修饰对硅橡胶直流绝缘性能的影响

为研究纳米TiO_(2)颗粒表面精准修饰对硅橡胶直流电气性能的影响,分别在纳米TiO_(2)表面单峰和不同密度双峰接枝长链与短链聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)。将具有不同接枝类型的纳米TiO_(2)以相同质量分数(1%)添加到硅橡胶(silicone rubber,SIR)中,制作得到纳米TiO_(2)/SIR复合薄膜样品。热失重分析试验结果证明长链与短链PDMS成功接枝到纳米TiO_(2)表面;Zeta电位试验结果表明,长链与短链PDMS双峰接枝增强了相邻TiO_(2)颗粒之间的静电排斥力;TEM观测结果表明,经过双峰接枝长短链PDMS,纳米TiO_(2)颗粒在SIR中的分散性大幅改善。空间电荷、直流击穿和直流电导试验结果表明,双峰接枝长短链PDMS的组别抑制注入同极性空间电荷效果更佳、直流击穿场强更高、体积电导率更低。这是由于随着纳米TiO_(2)表面长短链PDMS双峰有效接枝密度的提高,使得界面区域分子链排列更加质密,自由体积减少;同时,纳米TiO_(2)与SIR基体之间的表面能差降低,促进了SIR基体中纳米TiO_(2)颗粒的分散,增强了SIR与纳米Ti O_(2)颗粒间的界面作用,从而提高了纳米TiO_(2)/SIR复合材料的直流绝缘性能。

RTV硅橡胶-直插二极管体系的粘固界面应力模拟研究

D04硅橡胶常用于航天产品元器件的加固操作,可实现增强产品的抗力学环境作用,但目前针对元器件点胶粘固的必要性以及规范性多以型号沿用为主,而不同型号产品的应用状态存在差异。本研究工作以直插钝化玻璃二极管BWA66为研究对象,通过ANSYS软件对不同D04硅橡胶点涂高度在力、热环境下进行界面应力模拟仿真和定性分析,深入探讨了该类封装元器件使用硅橡胶粘固的必要性以及对D04硅橡胶点胶粘固工艺参数进行了确认。

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。

钛酸铜钙改性硅橡胶对500kV直流电缆接头优化设计关键控制参数的改善研究

采用硅橡胶作为超高压直流电缆接头的增强绝缘,在接头结构设计中需要解决硅橡胶与电缆绝缘的电导率配合和界面问题。文中利用钛酸铜钙纳米纤维(CCTO NFs)对硅橡胶进行非线性电导率的改性,对改性硅橡胶和交联聚乙烯(XLPE)组成的双层介质界面进行了直流击穿特性试验,以改性硅橡胶以及界面的特性参数为控制条件对改性硅橡胶500 kV直流电缆接头进行了优化设计分析。研究表明,CCTO NFs大大提高了硅橡胶的电导率非线性系数,CCTO改性硅橡胶的直流击穿强度随CCTO NFs体积分数的增加而下降,增大界面压力和涂覆硅脂可提高双层介质界面的直流击穿性能;这种改性硅橡胶对500 k V直流电缆接头增强绝缘中的过高的电场强度和应力锥根部的界面切向电场具有显著的改善作用,可进一步缩小500 kV直流电缆接头的几何结构。研究结果为500 kV直流电缆接头的优化设计提供了有效的新方法。

硅橡胶/胶联聚乙烯界面金属颗粒沿面放电严重程度的评估

硅橡胶绝缘预制型电缆接头由于制作工艺问题在硅橡胶/胶联聚乙烯界面上形成半导电或金属颗粒缺陷最终导致沿面击穿的故障时有发生。探寻硅橡胶/胶联聚乙烯界面金属颗粒沿面绝缘缺陷局部放电的发展过程,可为电缆中间接头放电严重程度的评估提供依据。在35k V电缆中间接头硅橡胶/XLPE界面上设置金属颗粒缺陷,通过逐级升高电压激发出局部放电信号并加速缺陷发展。测量了局部放电起始直至绝缘击穿全过程中的局部放电信号,生成了单位时间内局部放电平均能量、总能量及放电次数共计三个表征参量随时间的变化曲线。基于曲线的发展变化规律,将局部放电发展全过程划分为四个阶段,得到了表征各阶段局部放电重复率及平均放电量相位分布特征的?-n、?-qave二维谱图以及灰度图,从中提取了两个能够表征各阶段局部放电统计规律的特征量。研究结果表明,在预设缺陷局部放电的发展过程中,局部放电相位谱图的形貌特征发生变化,从相位谱图中提取的两个局部放电特征量均呈现单一增大的趋势,且在放电后期增长速率加快。基于对局部放电相位分布特征及特征量变化趋势的综合分析,提出了一种硅橡胶/胶联聚乙烯界面金属颗粒沿面放电严重程度的评估方法。

温度梯度场下硅橡胶与交联聚乙烯界面上空间电荷的形成机理

电缆附件(终端或接头)绝缘与电缆绝缘构成的复合绝缘中,不同介质的分界面以及电极与介质的分界面一般为绝缘的薄弱点,原因是其附近积聚的空间电荷引起的局部电场强度过高。另外,电缆负载运行时的温升效应使得直流电压下附件复合绝缘电导发生梯度变化,改变了复合绝缘及界面的空间电荷的积聚和场强分布。为了解温度梯度下电缆附件复合介质中空间电荷的变化,采用电声脉冲法,在不同的直流电场、不同温度梯度(0～40°C)下测量了硅橡胶(SR)与交联聚乙烯(XLPE)绝缘构成的双层介质中空间电荷的分布,并测量了硅橡胶、交联聚乙烯的电导率随温度的变化特性。研究表明:在6MV/m场强下,温度梯度增加,硅橡胶介质中出现了明显的负电荷注入,导致双层介质分界面处的电荷明显增大;而同一温度梯度(如室温)下,场强增加,由于XLPE电极注入同极性电荷使得界面电荷又逐渐变小。

交联聚乙烯与硅橡胶界面涂抹不同硅脂对其电荷特性的影响

实际电缆附件安装时一般会在附件主绝缘与电缆绝缘界面均匀涂覆硅脂,但不同种类的硅脂对界面特性的影响尚未见报道。为此,选用2种常用工业硅脂(普通硅脂(CSG)和氟化硅脂(FSG)),采用电声脉冲法(PEA)测试不同硅脂涂层对交联聚乙烯/硅橡胶(XLPE/SR)界面电荷特性的影响;并通过机械拉伸实验验证硅脂对硅橡胶材料的溶胀效应。结果表明:氟化硅脂具有较强的电负性,使得试样界面更易于积聚电荷;普通硅脂和氟化硅脂对硅橡胶都具有溶胀作用,进而导致XLPE/SR夹层界面正电荷向硅橡胶体内迁移;老化后,涂覆普通硅脂的硅橡胶力学性能的下降程度更为明显。