交聯(lián)聚乙烯電纜交流空間電荷與老化特性研究.pdf

1、交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜由于優(yōu)異的電氣和機械性能廣泛應用于電力系統(tǒng)，其運行可靠性將直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。如何及時有效地檢測交聯(lián)聚乙烯電纜中的絕緣缺陷和預判電纜故障，是電力企業(yè)十分關(guān)注的問題?？臻g電荷是導致電介質(zhì)老化乃至擊穿的重要因素。已有的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空間電荷導致局部電場畸變，加速聚合物分子結(jié)構(gòu)破壞，從而引發(fā)電樹枝;電荷的注入和抽出、入陷和脫陷都伴隨能量的轉(zhuǎn)移和釋放，破壞絕緣微觀結(jié)構(gòu);電荷入陷會引起局部較大的電場擾動，并存儲電

2、機械能，電荷脫陷時引起的電機械能的釋放會造成絕緣擊穿。在電場和溫度的長時期作用下，電纜絕緣中缺陷增加，積聚的空間電荷反作用于電介質(zhì)，加快絕緣老化速度。電力系統(tǒng)中的電纜以交流電纜為主，因此研究交流電壓下空間電荷特性十分必要。目前，交流空間電荷測試技術(shù)未成熟，對交聯(lián)聚乙烯電纜交流空間電荷的研究處于起步階段，交流空間電荷的動態(tài)行為、產(chǎn)生機理和老化特性尚不十分清楚。本文研究交聯(lián)聚乙烯電纜交流空間電荷的產(chǎn)生機理與老化特性，對于評估電纜老化狀態(tài)、診

3、斷絕緣故障和預判電纜壽命有重要意義。
　　本文研制了交流電壓下電纜本體空間電荷測試實驗平臺，研究了電纜交流空間電荷表現(xiàn)形態(tài)，提出了交流電荷產(chǎn)生機理理論模型。進行電熱老化實驗，獲得了電熱老化過程中電纜切片的交流空間電荷隨老化時間的變化規(guī)律，并進行電氣和材料性能實驗輔助分析電纜絕緣的老化特性。對電纜本體進行恒溫環(huán)境加熱和溫度梯度場加熱兩種升溫方式的電熱老化，研究電纜本體的交流空間電荷隨老化的變化規(guī)律。主要創(chuàng)新成果有:
　　(1)

4、采用交流相位匹配方法，研制了電纜本體交流空間電荷測試實驗平臺。設計產(chǎn)生溫度梯度場的升流器回路，實現(xiàn)了溫度梯度場和交流電壓聯(lián)合作用下電纜的空間電荷測試。
　　(2)發(fā)現(xiàn)交流電壓下電纜的空間電荷分為“極化電荷”和“空間電荷”兩種，分析兩種電荷的表現(xiàn)形態(tài);提出“全相位平均法”，更加清晰地展現(xiàn)空間電荷的波形;實驗結(jié)果表明，空間電荷隨老化時間逐漸增加，極化電荷與老化時間的變化沒有明顯規(guī)律。
　　(3)提出基于陷阱能級的理論模型，解釋空

5、間電荷的產(chǎn)生機理。分析每個工頻周期中電子的動態(tài)行為，認為電子在負半波注入的數(shù)量多于在正半波抽出的數(shù)量。這種正負半波電子遷移方式的不對稱性是空間電荷積聚的根本原因。極化電荷是由不均勻區(qū)內(nèi)偶極子在交流電壓下發(fā)生轉(zhuǎn)向極化形成。
　　(4)研究電纜切片交流空間電荷隨老化時間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電纜絕緣陷阱密度在老化初期減小，在老化中后期大幅度增大。機械強度和交聯(lián)度在老化初期增加，老化中后期減小，與陷阱密度的變化規(guī)律剛好相反。機械強度和交聯(lián)度的

6、實驗結(jié)果可輔助解釋陷阱密度隨老化的變化規(guī)律。老化后電纜切片高頻段(103Hz～106Hz)的介電常數(shù)隨老化時間而減小，低頻段（10-2Hz～1Hz）的介質(zhì)損耗因數(shù)隨老化時間而增大。
　　(5)發(fā)現(xiàn)電熱老化后應力錐處電纜絕緣空間電荷積聚的現(xiàn)象，研究應力錐處空間電荷隨老化的變化規(guī)律。隨著老化時間增加，空間電荷在電纜絕緣的軸向和徑向分布范圍都變大，空間電荷幅值增大。對電纜在溫度梯度場下進行交流老化實驗，研究空間電荷隨老化時間的變化規(guī)律。