电气工程学报, 2019, 14(3): 33-40 doi: 10.11985/2019.03.005

纳米炭黑/XLPE复合绝缘热老化特性试验研究 *

秦瑶1,2, 李忠华,1, 孙云龙1

1. 哈尔滨理工大学工程电介质及其应用技术教育部重点实验室 哈尔滨 150080

2. 中车青岛四方车辆研究所有限公司 青岛 266031

Study on Thermal Aging Properties of Nano-CB/XLPE Composite Insulating Materials

QIN Yao1,2, LI Zhonghua,1, SUN Yunlong1

1. Key Laboratory of Engineering Dielectric and Its Application of Ministry of Education, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080 China

2. CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co., Ltd., Qingdao 266031 China

通讯作者: 李忠华,男,1962年生,教授,博士研究生导师。主要研究方向为非线性绝缘电介质基础理论与相关测试技术、电缆绝缘与诊断技术等。E-mail：drzhhli@hrbust.edu.cn

收稿日期: 2019-05-8   网络出版日期: 2019-09-25

基金资助: *国家重点基础研究发展计划资助项目.  973计划
国家重点基础研究发展计划资助项目.  2014CB239504

Received: 2019-05-8   Online: 2019-09-25

作者简介 About authors

秦瑶,男,1991年生,硕士,助理工程师。主要研究方向为高电压与绝缘技术。E-mail：mr_qinyao@163.com

摘要

采用纳米炭黑对交联聚乙烯进行纳米改性是制备低活化能、高电场依赖性高压直流电缆绝缘材料的一种可能技术途径,纳米炭黑/交联聚乙烯(nano-CB/XLPE)复合材料的热老化性能是关系到高压直流电缆长期运行可靠性的关键因素之一。为此,对nano-CB/XLPE复合材料进行加速热老化,研究老化时间对其电导率与介电参数的影响规律。为了表征复合材料的老化程度采用傅里叶红外光谱观察了老化过程材料内部特征官能团变化,并使用扫描电子显微镜(SEM)和差示扫描量热分析仪(DSC)探究了老化过程中材料微观结构变化。试验结果表明,nano-CB/XLPE复合材料随老化时间可分为两个老化阶段,在老化初始阶段,试样的羰基指数增长缓慢,结晶度较大,电导率随老化时间增加而减小,电导活化能随老化时间增加而增大,电场依赖系数变化较小,介电常数和介质损耗因数基本不变;在老化后期,试样的羰基指数增长迅速,结晶度减小,电导率随老化时间增加而增大,电导活化能和电场依赖系数降低,介电常数和介质损耗因数随老化时间增加而增大。

关键词： XLPE复合绝缘 ; 热老化 ; 介电性能 ; 微观结构

Abstract

Adopting nano-carbon black to cross-linked polyethylene is a possible technical approach to prepare insulation materials for HVDC cables with low activation energy and high electric field dependence coefficient. And the thermal aging performance of composites combined with the nano-carbon black and the cross-linked polyethylene (nano-CB/XLPE) is one of critical factors which are related to the long-term operation reliability of the HVDC Cable. Therefore, the regularity about the effect of aging time on the conductivity and dielectric constant is studied, by accelerating heat the nano-CB/XLPE composites. In order to characterize the aging degree of composites, the changes of internal characteristic functional groups in the aging process are observed by using the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and the microstructure changes of composites during aging are investigated by using the scanning electron microscope (SEM) and differential scanning calorimeter (DSC). The experimental results show that nano-CB/XLPE composites can be divided into two aging stages with aging time. In the initial stage of aging, the carbonyl index of the sample increases slowly, the crystallinity is large, and the conductivity decreases with the increase of aging time, while the activation energy of conductivity increases with the increase of aging time. At the same time, the electric field dependence coefficient changes little, and the dielectric constant and dielectric loss factor are basically unchanged. However, in the later stage of aging, the carbonyl index of the sample increases rapidly, the crystallinity decreases, the conductivity increases with the increase of aging time, the activation energy of the conductivity as well as the electric field dependence coefficient decreases, and the dielectric constant and dielectric loss factor increase with the increase of aging time.

Keywords： XLPE composite ; thermal aging ; dielectric properties ; micro-structure

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本文引用格式

秦瑶, 李忠华, 孙云龙. 纳米炭黑/XLPE复合绝缘热老化特性试验研究 *. 电气工程学报[J], 2019, 14(3): 33-40 doi:10.11985/2019.03.005

QIN Yao. Study on Thermal Aging Properties of Nano-CB/XLPE Composite Insulating Materials. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(3): 33-40 doi:10.11985/2019.03.005

1 引言

交联聚乙烯(XLPE)因其优异的机械性能和介电性能已被广泛应用于电缆绝缘材料中 [1,2,3]。由于电缆多敷设于地下,在运行期间容易受到不良散热条件、密集敷设等不利因素的影响,电缆绝缘会受到长期的热应力影响,造成绝缘损坏,严重影响电缆的正常使用。国内外专家学者对XLPE热老化后的化学结构和力学性能进行了大量研究[4,5,6,7],取得了丰硕成果。

在直流电缆的运行过程中,电缆绝缘会出现空间电荷积聚、电压极性反转和较高的温度梯度导致的电场畸变等问题,严重威胁直流电缆的运行安全。为了解决此问题,人们向XLPE中加入MgO、SiC、ZnO等无机填料[8,9,10,11,12,13,14],使其能够在非均匀电场下自适应均化电场。闫志雨等研究了低含量CB/LDPE复合介质,发现其具有较低的电导率和电导率温度依赖特性,能有效抑制空间电荷[15],证实了纳米炭黑对交联聚乙烯进行纳米改性是制备高压直流电缆绝缘材料的一种可能技术途径。

课题组前期研究发现,绝缘材料的电导活化能和电场依赖系数对直流电缆的电场分布具有重要影响[16],通过纳米炭黑改性可以制得低电导活化能、高电场依赖系数的XLPE绝缘材料[17,18]。因此,本文将nano-CB/XLPE非线性复合材料放入140℃的空气老化箱中进行人工加速热氧老化,测量了不同老化时间复合材料的电导率,并对电导率进行非线性函数拟合得到电导活化能和电场依赖系数随老化时间的变化规律,研究了热老化对XLPE复合材料非线性电导特性的影响。同时,测量了不同老化时间复合材料的介电常数和介质损耗因数。通过红外光谱、扫描电子显微镜以及差示扫描量热分析试验,从复合材料微观角度对介电性能的变化机理进行了分析。

2 试样制备与相关试验方法

2.1 试样制备

制样前将导电炭黑放入80℃烘箱中烘干处理48 h,称重后放入无水乙醇中进行超声处理使炭黑颗粒均匀分散。以中国石油化工股份有限公司生产的牌号为LD200的LDPE为基料,在110℃开放式混炼机中加入0.1 phr(每100 g聚乙烯中添加0.1 g炭黑)的导电炭黑、2 phr的DCP和0.3 phr的抗氧剂1 035混炼30 min制成坯料。取适量坯料放入110℃平板硫化机中热压成100 mm×100 mm×0.2 mm的片状试样,然后将试样置于175℃下30 min进行交联,自然降至室温后取出试样。所制备的CB/XLPE复合材料的微观扫描电镜照片如图1所示。

图1

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图1   纳米CB/XLPE复合材料的SEM照片


通过图1可知所制备CB/XLPE复合材料实现了炭黑在聚合物基体中的纳米尺度的分散。将制备好的试样放入80℃烘箱真空处理48 h,以便消除在试样制备过程中产生的残余应力和交联副产物。

2.2 热老化条件

根据绝缘材料热老化试验标准IEC60216-1- 2001,设定热老化温度为140℃,每两周为一个老化周期,共计老化7个周期。每个老化周期结束后取出5个试样,并按标准规定进行正常化处理,而后进行相关性能的测试。

2.3 电导率测量及数据处理

按照标准三电极系统的尺寸要求在试样上蒸镀铝电极,然后放入60℃烘箱中放电24 h。将试样和电极系统放置在温度可控的烘箱实现不同温度下伏安特性的测试。测试系统电源采用HB-Z103-2AC(10 kV)直流高压电源,电流测试采用EST122型皮安表。为了克服复合材料介电特性分散性的影响,每个试验条件取4个试样,取平均值作为最终试验结果。对电导率半经验公式(1)[19]两端取对数得到式(2),将电导率平均值代入式(2)进行非线性函数拟合处理。

$\gamma \left( E,T \right)={{\gamma }_{0}}\exp \left( -\frac{\phi \cdot q}{{{k}_{b}}T} \right)\frac{\sin h\left( B\left| E \right| \right)}{\left| E \right|}$
$Z=A-\frac{C}{X}+\ln \left[ \sin h\left( BY \right) \right]-\ln Y$

式中,γ为电导率,S/m;γ0为与材料有关的常数,V/Ω·m2;φ为电导活化能,eV;q为电子电荷量,C;kb为玻尔兹曼常数,J/k;T为绝对温度,K;B为电场依赖系数,m/V;E为场强,V/m;$Z=\text{ln}\gamma \left( E,T \right)$,

$A=\text{ln}{{\gamma }_{0}}$,$C=\frac{\varphi \cdot q}{{{k}_{b}}}$,$X=T$,$Y=\left| E \right|$。

2.4 介电频谱测量

使用德国Novocontrol公司生产的Alpha-A宽频介电谱分析仪,频率范围为10-2~107 Hz,室温测试。在不同老化时间试样的中心部位真空蒸镀直径为25 mm的圆形铝电极,然后放入60℃烘箱中放电24 h。

2.5 傅里叶红外光谱(FTIR)测量

使用JASCO公司生产的FT/IR-6100傅里叶红外光谱测量仪,扫描范围4 000~400 cm-1,分辨率2 cm-1。取初始和不同老化周期的交联聚乙烯试样,在厚度为0.2 mm试样上不同部位测试5个点。

2.6 扫描电子显微镜(SEM)测试

使用浓硫酸和高锰酸钾(质量比20：1)混合溶液对不同老化时间的复合材料进行表面处理,然后采用离子溅射仪在材料待测面溅射金电极,通过FEI Sirion 200型热场发射扫描电子显微镜观测复合材料的微观形貌。

2.7 差示扫描量热分析(DSC)

使用梅特勒·托利多公司生产的DSC-1型差示扫描量热分析仪测试不同老化时间复合材料的熔融过程,每个试样重量5~10 mg,升温范围20~140℃,升降温速率10 ℃/min。

3 热老化对介电性能的影响

3.1 老化时间对复合材料的电导率及直流电缆电场分布的影响

高压直流电缆稳态电场分布取决于绝缘材料的电导率,而电导率是电场和温度的非线性函数[20],因此电缆运行时的电场和热应力对绝缘材料的电导率会产生一定影响,从而改变电缆的稳态电场分布。本文测得不同老化时间复合材料分别在45℃、60℃、70℃、80℃和90℃下从5 kV/mm到40 kV/mm之间8个场强下稳态时的电导率,取各场强下加压10 min后的电导率为稳态电导率,如图2所示为不同温度下各老化时间复合材料电导率的典型变化图。

图2

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图2   不同老化时间复合材料在45℃和90℃下的电导率


由图2可见,老化前8周,复合材料的电导率随老化时间的增加而减小。老化10周之后,电导率随老化时间的增加而迅速增大,相较于前8周电导率增大约3个数量级。这可能是由于长期的热氧老化导致复合材料内部结构发生改变,使材料导电性增强。

由课题组前期工作得知,绝缘材料的电导活化能和电场依赖系数是影响HVDC电缆电场分布的两个重要参数[16],通过对电导率进行非线性函数拟合,得到了两个参数在老化过程中的变化规律,如图3、4所示。

图3

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图3   电导活化能与老化时间关系图


图4

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图4   电场依赖系数与老化时间关系图


由图3、4可见,老化前8周,电导活化能随老化时间增加而增大,电场依赖系数随老化时间增加而略有减小,但变化幅值不大。老化10周之后,电导活化能和电场依赖系数发生突变,均急剧减小并趋于稳定。

为研究热老化对HVDC电缆稳态电场分布的影响,采用图5所示电缆模型[16]进行电场仿真。电缆运行电压320 kV,功率500 MW,绝缘材料为XLPE,绝缘层内侧温度90℃,外侧温度40℃。

图5

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图5   320 kV直流电缆典型结构


将拟合得到的活化能和电场依赖系数代入图5模型中进行电场仿真,得到不同老化时间XLPE绝缘稳态电场分布规律,如图6所示。

图6

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图6   不同老化时间绝缘层电场分布图


由图6可见,老化前8周,随着老化时间增加,XLPE绝缘内外层的电场差异越来越大,说明绝缘材料的电场均化能力随老化时间的增加而逐渐减弱。老化10周后,随着老化时间增加,XLPE绝缘内外层的电场差异越来越小,说明绝缘材料的电场均化能力随老化时间增加而逐渐增强。

3.2 老化时间对复合材料介电性能的影响

绝缘材料的介电常数直接影响直流电缆的暂态电场分布[21],因此研究直流电缆绝缘材料的介电性能在热老化过程中的变化也具有重要意义。图7和图8分别为不同老化时间复合材料介电常数和介质损耗因数的频谱。

图7

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图7   不同老化时间试样介电常数频谱图


图8

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图8   不同老化时间试样介质损耗因数频谱图


如图7和图8所示,老化前8周,复合材料的介电常数和介质损耗因数均较小,而老化10周之后,二者数值都迅速变大。介电性能突变时间与前述电导率突变时间相同,这说明复合材料的电导率和介电性能在一定的老化时间会发生明显改变,可能是由于复合材料微观结构或成分发生了变化,导致材料宏观电导率和介电性能改变。

由图7a可见,老化前8周复合材料的介电常数较小,随着老化时间增加,介电常数的大小并没有严格按照时间规律改变,且最大与最小介电常数值相差仅3%左右,基本不变。老化6周和8周后,材料松弛极化略微增强,引起的介质损耗也略有增大,但变化幅度都很小。由于测量误差的存在,因此可认为复合材料的介电常数在老化前8周基本不变。

老化10周之后,复合材料的介电常数随老化时间增加而迅速增大,随频率增加而显著减小,这说明复合材料内部极化强度增大,松弛极化现象明显。此时由极化造成的介质损耗因数也迅速增大,由于极化在低频时完全建立而高频时越来越来不及建立,所以介质损耗因数随频率的增加先减小后增大。

4 热老化过程化学成分和微结构分析

4.1 热老化过程化学成分分析

前述试验结果表明,复合材料的电导特性和介电性能在相同的老化时间都发生了改变,这可能是由材料内部组成成分或结构变化所致,因此,通过红外光谱得到了不同老化时间材料内部化学组分的变化情况,如图9所示。

图9

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图9   不同老化时间复合材料典型红外光谱图


图9中羰基在热氧老化过程中变化明显,利用羰基指数可以表示材料的老化程度。定义羰基指数为1 720 cm-1处吸光度与2 010 cm-1处吸光度的比值[22],羰基指数随老化时间的变化规律如图10所示。

图10

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图10   羰基指数与老化时间关系图


由图10可见,在老化前8周,羰基指数随老化时间增长缓慢,而老化10周后,羰基指数迅速变大但数据波动较大。这说明复合材料发生了两个明显不同的老化过程,且与电导特性和介电性能突变的时间相吻合。因此,可将复合材料的老化过程分为两个阶段,即老化初期和老化后期。

然而材料的老化进程与抗氧剂密切相关,通过计算抗氧剂在3 610 cm-1处特征基团酚基吸收峰的强度变化,得到抗氧剂含量随老化时间的变化规律如图11所示,计算方法同羰基指数。

图11

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图11   酚基指数与老化时间关系图


由图11可见,酚基指数随老化时间增加而逐渐降低,说明试样中抗氧剂含量不断减少。同时,XLPE在交联过程中产生的枯基醇等交联副产物[23]会对材料介电性能产生影响,通过计算枯基醇在3 640 cm-1处特征基团羟基吸收峰的强度变化,得到枯基醇含量随老化时间的变化规律如图12所示。

图12

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图12   羟基指数与老化时间关系图


由图12可见,羟基指数随老化时间增加而一直减小,说明试样中枯基醇含量也不断减少。

由此可知,老化初期抗氧剂含量较多,大部分氧和热应力作用于抗氧剂[24],复合材料大分子链氧化反应受到抑制,生成的羰基等氧化产物很少,同时交联副产物挥发,导致材料内部载流子数量减少,所以电导率随老化时间的增加而减小,如图2所示。由于此时产生的羰基等极性基团很少,材料极化强度小,松弛极化不明显,所以介电常数较小且变化不明显,产生的损耗也较小,如图7、8所示。

老化后期抗氧剂逐渐耗尽,复合材料大分子链发生自氧化游离基连锁反应[5],产生大量羰基等含氧基团,而且复合材料大分子链断裂为许多小分子量产物,所以材料内部载流子数量增加,使得电导率随老化时间增加而急剧增大。此时由于极性基团数量增多,材料极化强度增强,所以介电常数变大,由极化产生的损耗也变大。该老化阶段中,松弛极化增强,低频时,各种极化均来得及建立,因此介电常数较大,此时介质损耗主要为电导损耗,损耗因数较大。随频率增加,介电常数逐渐减小,介质损耗在100 Hz左右达到最小值。随频率继续增加,松弛极化的建立越来越跟不上外施电场频率的变化,介电常数显著减小,介质损耗因数随频率增加而增大。

4.2 热老化过程复合材料微结构分析

为了直观了解复合材料内部形态结构的变化情况,对不同老化时间的复合材料进行了SEM观察,如图13所示。由图可见,未老化复合材料结构完整均匀,内部球晶尺寸较大。老化6周之后,复合材料结构依然完整均匀,不过内部球晶尺寸减小,数量增加。材料结构完整使内部缺陷较少,所以陷阱深度和密度较小[25]。陷阱深度小使载流子跳跃距离δ较大[26],所以电场依赖系数较大[27]。而老化14周之后,复合材料结构被氧化降解并出现劣化不均匀现象,内部晶体数量减少,缺陷增多,大量缺陷使材料内部的陷阱深度和密度都增大。深陷阱使离子跳跃距离变小,从而电场依赖系数减小。同时复合材料结构的氧化不均也导致了图10中羰基指数在老化后期分散性较大。

图13

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图13   不同老化时间复合材料典型SEM图


4.3 热老化过程复合材料DSC分析

通过DSC测试,对不同老化时间复合材料的结晶情况进行了量化表征,如图14、15所示。

图14

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图14   不同老化时间复合材料DSC升温曲线


图15

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图15   结晶度与老化时间关系图


由图14和图15可见,在老化前8周,复合材料的熔融峰温度和熔融峰面积都较大,结晶度较高且随老化时间增加而略有增大,这说明老化初期材料内部晶体结构完善,晶体数量较多,因此晶体熔融所需的温度和热量较高,与图13观察结果相同。结晶度的提高使得无定形区面积减少,晶区与无定形区界面增加,而载流子主要在无定形区或晶区表面迁移,高结晶度使载流子输运变的困难[7,28],因此电导率减小,如图2所示,同时载流子需要克服更大的势垒才能跃迁到另一平衡位置,因此电导活化能增大,如图3所示。

但是,老化10周之后,复合材料的熔融峰温度和熔融峰面积急剧减小,结晶度也迅速下降,这说明老化后期复合材料部分晶体结构被破坏,因此晶体熔融所需温度和热量降低。由于结晶度减小,XLPE大分子链断裂,使得载流子迁移变的容易,所以电导率增大,电导活化能减小。

5 结论

通过对纳米炭黑/交联聚乙烯复合绝缘材料进行热氧老化,得出以下结论。

(1) 纳米炭黑/交联聚乙烯复合材料在140℃下老化过程分为初期老化和后期老化：老化初期复合材料的羰基指数增长缓慢,材料轻度老化,老化后期羰基指数增长迅速,材料老化严重。

(2) 老化初期,复合材料的电场均化能力随老化时间增加而逐渐减弱;老化后期,复合材料的电场均化能力随老化时间增加而逐渐增强。

(3) 老化初期,复合材料内部结构完善,载流子减少,使电导率随老化时间增加而减小;老化后期,复合材料氧化降解严重,载流子增多,使电导率随老化时间增加而迅速增大。

(4) 老化初期,复合材料内部多为浅陷阱,且密度小,因此电场依赖系数较大;老化后期复合材料内部陷阱变深,密度增大,所以电场依赖系数减小。

(5) 老化初期,复合材料的结晶度较大,载流子迁移困难,所以电导活化能较大;老化后期材料大分子链断裂,结晶度减小,载流子容易迁移,所以电导活化能急剧减小。

(6) 老化初期,复合材料的介电常数和介质损耗因数较小,且随老化时间变化不明显;老化后期,复合材料内部极性基团增多,介电常数和介质损耗因数随老化时间增加而迅速增大,表现出明显的松弛极化行为。

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[J]. 复合材料学报, 2008,25(5):19-24.

Magsci     [本文引用: 1]

<p>为探讨碳化硅（SiC）/低密度聚乙烯（LDPE）复合材料的电导非线性特性，结合扫描电镜观察和X射线衍射分析研究了SiC的掺量、种类、晶型及粒径对SiC/LDPE复合材料直流伏安特性的影响。研究结果表明：SiC掺量增加可导致SiC/LDPE复合材料电导率增大和电导非线性系数发生改变的临界场强值降低；当外施电场强度相等时，在相同的SiC掺量下，纳米&alpha;-SiC、绿&beta;-SiC、黑&alpha;-SiC复合材料的电导率分别大于微米&alpha;-SiC、绿&alpha;-SiC、绿&alpha;-SiC复合材料的电导率，且前者的电导非线性特性明显优于后者；当黑 &alpha;-SiC的掺量达到37.5wt%时，SiC粒径的增大可导致双对数坐标下的电导率与场强关系曲线的拐点向低场强方向移动。</p>

Han Baozhong, Guo Wenmin, Li Zhonghua .

DC current-voltage characteristic of silicon carbide/low density polyethylene composites

[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2008,25(5):19-24.

Magsci     [本文引用: 1]

<p>为探讨碳化硅（SiC）/低密度聚乙烯（LDPE）复合材料的电导非线性特性，结合扫描电镜观察和X射线衍射分析研究了SiC的掺量、种类、晶型及粒径对SiC/LDPE复合材料直流伏安特性的影响。研究结果表明：SiC掺量增加可导致SiC/LDPE复合材料电导率增大和电导非线性系数发生改变的临界场强值降低；当外施电场强度相等时，在相同的SiC掺量下，纳米&alpha;-SiC、绿&beta;-SiC、黑&alpha;-SiC复合材料的电导率分别大于微米&alpha;-SiC、绿&alpha;-SiC、绿&alpha;-SiC复合材料的电导率，且前者的电导非线性特性明显优于后者；当黑 &alpha;-SiC的掺量达到37.5wt%时，SiC粒径的增大可导致双对数坐标下的电导率与场强关系曲线的拐点向低场强方向移动。</p>

王思蛟, 巫运辉, 查俊伟 , 等.

纳米MgO/低密度聚乙烯高压直流电缆复合材料的制备与性能

[J]. 复合材料学报, 2016,6(33):1179-1185.

[本文引用: 1]

Wang Sijiao, Wu Yunhui, Zha Junwei , et al.

Preparation and properties of nanoMgO/low density polyethylene composites for high-voltage direct current cables

[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2016,6(33):1179-1185.

[本文引用: 1]

郑昌佶, 时海涛, 杨佳明 , 等.

纳米SiC/低密度聚乙烯复合材料的空间电荷与电导特性

[J]. 复合材料学报, 2016,10(33):2166-2173.

[本文引用: 1]

Zheng Changji, Shi Haitao, Yang Jiaming , et al.

Space charge and conductive characteristics of nano-SiC/low density polyethylene composites

[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2016,10(33):2166-2173.

[本文引用: 1]

闫志雨, 赵洪, 韩宝忠 , 等.

CB/LDPE复合介质抑制空间电荷机制及电导特性对电场分布的影响

[J]. 中国电机工程学报, 2017,37(14):4254-4265.

[本文引用: 1]

Yan Zhiyu, Zhao Hong, Han Baozhong , et al.

Suppression mechanism of space charge in CB/LDPE composite and the influence of conduction characteristic on electrical field distribution

[J]. Proceedings of the CSEE, 2017,37(14):4254-4265.

[本文引用: 1]

李忠华, 刘乐乐, 郑欢 , 等.

HVDC电缆电场分布影响因素的仿真研究

[J]. 中国电机工程学报, 2016,36(9):2563-2571.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.09.031      Magsci     [本文引用: 3]

电场分布是决定电缆绝缘短时耐压能力和长期运行可靠性的关键因素。HVDC电缆稳定运行时,绝缘材料的电导率决定电场分布,在较高温度梯度分布下有可能出现电场分布翻转现象。由于电缆绝缘材料的非线性电导率是温度及电场的函数,在投入运行和电压极性反转时HVDC电缆暂态电场分布更为复杂。为此,采用多物理场耦合软件仿真研究了绝缘材料非线性电导属性对不同温度梯度、不同施压方式下电缆绝缘稳态和暂态电场的影响规律。仿真结果发现：当绝缘材料非线性属性确定,绝缘内温度梯度越高,稳态时电场分布翻转现象越严重;电压反转过程暂态电场最大值与电压极性反转时间密切相关,反转时间越短暂态最大电场越高,且暂态最大电场的位置越靠近导体屏蔽。仿真结果同时表明：降低材料电导活化能和提高材料电导率对电场依赖性有利于在温度梯度下对电缆绝缘稳态和暂态电场分布的控制。根据仿真研究结果,建议在HVDC电缆料研发时应采取有效的调控手段降低材料电导活化能和提高场致增强型电导的场强依赖系数;而在HVDC电缆设计时,要特别关注温度梯度效应和极性反转过程中的暂态电场分布问题。

Li Zhonghua, Liu Lele, Zheng Huan , et al.

Simulation on the influence factors of electric field distribution in HVDC cable

[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(9):2563-2571.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.09.031      Magsci     [本文引用: 3]

电场分布是决定电缆绝缘短时耐压能力和长期运行可靠性的关键因素。HVDC电缆稳定运行时,绝缘材料的电导率决定电场分布,在较高温度梯度分布下有可能出现电场分布翻转现象。由于电缆绝缘材料的非线性电导率是温度及电场的函数,在投入运行和电压极性反转时HVDC电缆暂态电场分布更为复杂。为此,采用多物理场耦合软件仿真研究了绝缘材料非线性电导属性对不同温度梯度、不同施压方式下电缆绝缘稳态和暂态电场的影响规律。仿真结果发现：当绝缘材料非线性属性确定,绝缘内温度梯度越高,稳态时电场分布翻转现象越严重;电压反转过程暂态电场最大值与电压极性反转时间密切相关,反转时间越短暂态最大电场越高,且暂态最大电场的位置越靠近导体屏蔽。仿真结果同时表明：降低材料电导活化能和提高材料电导率对电场依赖性有利于在温度梯度下对电缆绝缘稳态和暂态电场分布的控制。根据仿真研究结果,建议在HVDC电缆料研发时应采取有效的调控手段降低材料电导活化能和提高场致增强型电导的场强依赖系数;而在HVDC电缆设计时,要特别关注温度梯度效应和极性反转过程中的暂态电场分布问题。

陈思 .

纳米炭黑/聚乙烯复合材料电导及空间电荷特性实验研究

[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2015.

[本文引用: 1]

薛露 .

聚合物基复合绝缘材料电导特性的表征及实验研究

[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2017.

[本文引用: 1]

Boggs S, Damon D H, Holboll J T , et al.

Effect of insulation properties on the field grading of solid dielectric DC cable

[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2001,16(4):456-461.

[本文引用: 1]

Hjerrild J, Boggs S, Holboll J T, et al.

DC-field in solid dielectric cables under transient thermal conditions

[C]. 2001 IEEE 7th International Conference on Solid Dielectrics,Eindhoven,Netherlands:IEEE, 2001: 58-61.

[本文引用: 1]

郑欢, 刘乐乐, 李忠华 .

直流叠加冲击电压下HVDC电缆暂态电场分布特性研究

[J]. 中国电机工程学报, 2016,36(24):6682-6693.

[本文引用: 1]

Zheng Huan, Liu Lele, Li Zhonghua .

Research on the transient electric field distribution in HVDC cable under DC voltage superimposed impulse voltages

[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(24):6682-6693.

[本文引用: 1]

杨颖, 游蛟, 贾志东 , 等.

10 kV交联聚乙烯电缆运行状态评估分析

[J]. 高电压技术, 2017,43(5):1684-1692.

[本文引用: 1]

Yang Ying, You Jiao, Jia Zhidong , et al.

Evaluation analysis of 10 kV XLPE cable’s operation condition

[J]. High Voltage Engineering, 2017,43(5):1684-1692.

[本文引用: 1]

Sekii Y, Maeno T .

Generation and dissipation of negative heterocharges in XLPE and EPR

[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2009,16(3):668-675.

[本文引用: 1]

王刚, 王鉴, 王立娟 , 等.

抗氧剂作用机理及研究进展

[J]. 合成材料老化与应用, 2006,2(11):38-42.

[本文引用: 1]

Wang Gang, Wang Jian, Wang Lijuan , et al.

Mechanism and research on antioxidant

[J]. Synthetic Materials Aging and Application, 2006,2(11):38-42.

[本文引用: 1]

申作家, 罗智奕, 詹威鹏 , 等.

基于介质体内陷阱参数与松弛过程的XLPE电缆绝缘热老化行为分析

[J]. 中国电机工程学报, 2016,36(19):5382-5389.

[本文引用: 1]

Shen Zuojia, Luo Zhiyi, Zhan Weipeng , et al.

Analysis on thermal aging behaviors of XLPE cable insulation based on trap parameters and relaxation process

[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(19):5382-5389.

[本文引用: 1]

王霞, 王陈诚, 孙晓彤 , 等.

高温高场强下XLPE及其纳米复合材料电导机制转变的实验研究

[J]. 中国电机工程学报, 2016,36(7):2008-2017.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.07.029      Magsci     [本文引用: 1]

为研究交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)在高场强下电导机制的转变过程,测量了XLPE及XLPE/SiO<sub>2</sub>纳米复合材料在20、50和80℃下和2~70 kV/mm场强下的电流特性。此外,利用多种电导机制的数学公式,对这两种XLPE的电场-电流密度曲线进行拟合,从而分析不同温度与高场强下上述两种XLPE在非欧姆区的电导转变机制。结果表明：温度、场强、纳米掺杂与预压效应都会对XLPE的电导产生影响。通过分析发现,随着场强升高,这两种XLPE的电导机制从低场强区的欧姆电导发展为高场强区的体效应(Poole- Frenkel),而后至高场强的电极效应(Schottky)。且这种转变的阈值场强随温度升高而降低。另外,纳米掺杂与预压过程能有效降低相同温度与场强下XLPE的电流密度。此外,预压过程能减小相同温度与电场下的电流密度并提升上述两种转变的阈值场强。

Wang Xia, Wang Chencheng, Sun Xiaotong , et al.

Experimental study on the transference of conduction mechanisms of XLPE and its nano-composite under high temperature and high electrical stress

[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(7):2008-2017.

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.07.029      Magsci     [本文引用: 1]

为研究交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)在高场强下电导机制的转变过程,测量了XLPE及XLPE/SiO<sub>2</sub>纳米复合材料在20、50和80℃下和2~70 kV/mm场强下的电流特性。此外,利用多种电导机制的数学公式,对这两种XLPE的电场-电流密度曲线进行拟合,从而分析不同温度与高场强下上述两种XLPE在非欧姆区的电导转变机制。结果表明：温度、场强、纳米掺杂与预压效应都会对XLPE的电导产生影响。通过分析发现,随着场强升高,这两种XLPE的电导机制从低场强区的欧姆电导发展为高场强区的体效应(Poole- Frenkel),而后至高场强的电极效应(Schottky)。且这种转变的阈值场强随温度升高而降低。另外,纳米掺杂与预压过程能有效降低相同温度与场强下XLPE的电流密度。此外,预压过程能减小相同温度与电场下的电流密度并提升上述两种转变的阈值场强。

尹毅, 陈炯, 李喆 , 等.

纳米SiOx/聚乙烯复合材料强场电导特性的研究

[J]. 电工技术学报, 2006,21(2):22-26.

[本文引用: 1]

Yin Yi, Chen Jiong, Li Zhe , et al.

High field conduction of the composites of low-density polyethylene/nano- SiOx

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006,21(2):22-26.

[本文引用: 1]

詹威鹏, 褚学来, 申作家 , 等.

加速热氧老化中交联聚乙烯电缆绝缘聚集态结构与介电强度关联性研究

[J]. 中国电机工程学报, 2016,36(17):4770-4778.

[本文引用: 1]

Zhan Weipeng, Chu Xuelai, Shen Zuojia .

Study on aggregation structure and dielectric strength of XLPE cable insulation in accelerated thermal-oxidative aging

[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(17):4770-4778.

[本文引用: 1]

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