交联聚乙烯电缆交流空间电荷与老化特性研究

摘要

交联聚乙烯(XLPE)电缆由于优异的电气和机械性能广泛应用于电力系统，其运行可靠性将直接影响电力系统的安全稳定。如何及时有效地检测交联聚乙烯电缆中的绝缘缺陷和预判电缆故障，是电力企业十分关注的问题。空间电荷是导致电介质老化乃至击穿的重要因素。已有的研究结果发现，空间电荷导致局部电场畸变，加速聚合物分子结构破坏，从而引发电树枝;电荷的注入和抽出、入陷和脱陷都伴随能量的转移和释放，破坏绝缘微观结构;电荷入陷会引起局部较大的电场扰动，并存储电机械能，电荷脱陷时引起的电机械能的释放会造成绝缘击穿。在电场和温度的长时期作用下，电缆绝缘中缺陷增加，积聚的空间电荷反作用于电介质，加快绝缘老化速度。电力系统中的电缆以交流电缆为主，因此研究交流电压下空间电荷特性十分必要。目前，交流空间电荷测试技术未成熟，对交联聚乙烯电缆交流空间电荷的研究处于起步阶段，交流空间电荷的动态行为、产生机理和老化特性尚不十分清楚。本文研究交联聚乙烯电缆交流空间电荷的产生机理与老化特性，对于评估电缆老化状态、诊断绝缘故障和预判电缆寿命有重要意义。
　　本文研制了交流电压下电缆本体空间电荷测试实验平台，研究了电缆交流空间电荷表现形态，提出了交流电荷产生机理理论模型。进行电热老化实验，获得了电热老化过程中电缆切片的交流空间电荷随老化时间的变化规律，并进行电气和材料性能实验辅助分析电缆绝缘的老化特性。对电缆本体进行恒温环境加热和温度梯度场加热两种升温方式的电热老化，研究电缆本体的交流空间电荷随老化的变化规律。主要创新成果有:
　　(1)采用交流相位匹配方法，研制了电缆本体交流空间电荷测试实验平台。设计产生温度梯度场的升流器回路，实现了温度梯度场和交流电压联合作用下电缆的空间电荷测试。
　　(2)发现交流电压下电缆的空间电荷分为“极化电荷”和“空间电荷”两种，分析两种电荷的表现形态;提出“全相位平均法”，更加清晰地展现空间电荷的波形;实验结果表明，空间电荷随老化时间逐渐增加，极化电荷与老化时间的变化没有明显规律。
　　(3)提出基于陷阱能级的理论模型，解释空间电荷的产生机理。分析每个工频周期中电子的动态行为，认为电子在负半波注入的数量多于在正半波抽出的数量。这种正负半波电子迁移方式的不对称性是空间电荷积聚的根本原因。极化电荷是由不均匀区内偶极子在交流电压下发生转向极化形成。
　　(4)研究电缆切片交流空间电荷随老化时间的变化规律，发现电缆绝缘陷阱密度在老化初期减小，在老化中后期大幅度增大。机械强度和交联度在老化初期增加，老化中后期减小，与陷阱密度的变化规律刚好相反。机械强度和交联度的实验结果可辅助解释陷阱密度随老化的变化规律。老化后电缆切片高频段(103Hz～106Hz)的介电常数随老化时间而减小，低频段（10-2Hz～1Hz）的介质损耗因数随老化时间而增大。
　　(5)发现电热老化后应力锥处电缆绝缘空间电荷积聚的现象，研究应力锥处空间电荷随老化的变化规律。随着老化时间增加，空间电荷在电缆绝缘的轴向和径向分布范围都变大，空间电荷幅值增大。对电缆在温度梯度场下进行交流老化实验，研究空间电荷随老化时间的变化规律。实验结果表明，在老化过程中，空间电荷从无到有，随着老化时间逐渐增大;经历一段滞长期后空间电荷向外侧方向移动。电荷在移动过程中发生扩散，电荷密度逐渐衰减。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 交联聚乙烯交流空间电荷研究现状

1．2．1 空间电荷测试技术

1．2．2 国内外交流空间电荷研究成果

1．2．3 聚乙烯交流空间电荷研究的不足之处

1．3 电热老化下交联聚乙烯空间电荷特性研究现状

1．3．1 电缆老化后的空间电荷产生机制

1．3．2 交联聚乙烯电缆加速老化方法

1．3．3 老化对交联聚乙烯材料空间电荷的影响规律

1．3．4 空间电荷与老化关系研究需要解决的问题

1．4 本文主要研究内容

第2章 XLPE电缆本体交流空间电荷测量系统研制

2．1 电声脉冲法的测量原理

2．2 测试系统整体介绍

2．3 试验电缆结构设计

2．4 高压脉冲电源

2．5 交流相位匹配电路

2．6 温度梯度场回路设计

2．7 波形恢复处理程序

2．8 本章小结

第3章 交联聚乙烯电缆交流空间电荷表现形态与产生机理

3．1 总电荷量随交流相位的变化规律

3．2 交流电压下电缆空间电荷表现形态

3．2．1 交变电荷

3．2．2 非交变电荷

3．3 交流电压下电缆空间电荷产生机理

3．3．1 极化电荷

3．3．2 空间电荷

3．4 本章小结

第4章 交联聚乙烯电缆切片交流空间电荷老化特性

4．1 老化实验介绍

4．1．1 老化试样准备和老化平台搭建

4．1．2 老化条件的选择

4．1．3 试样切割方法

4．2 电缆切片交流空间电荷随老化时间的变化规律

4．2．1 实验方法介绍

4．2．2 电缆切片交流空间电荷特点

4．2．3 电缆切片陷阱密度随老化时间的变化规律

4．2．4 电缆切片陷阱能级随老化时间的变化规律

4．2．5 电缆切片直流空间电荷的对比研究

4．3 相关电气和材料性能实验辅助分析

4．3．1 实验方法介绍

4．3．2 机械性能测试

4．3．3 理化性能测试

4．3．4 电气性能测试

4．4 本章小结

第5章 交联聚乙烯电缆本体交流空间电荷老化特性

5．1 电缆绝缘应力锥处空间电荷积聚现象

5．2 电缆绝缘应力锥处空间电荷随老化时间的变化规律

5．3 温度梯度场下的电缆老化实验研究

5．4 本章小结

第6章 结论和展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介