长期服役XLPE绝缘性能劣化机理研究

作     者：陈玺 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王倩

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080803[工学-高电压与绝缘技术] 08[工学] 

主      题：交联聚乙烯 长期服役高压电缆 微观结构 介电特性 绝缘特性 劣化机理 工频击穿场强 

摘      要：电力电缆线路具有供电可靠性高、结构简单便于安装且敷设美观等优势被广泛应用在城市城镇配电网络中。近年来,电力电缆事故频发,严重影响了城市供电可靠性。高压XLPE电缆在长期实际运行过程中,会受到各种因素影响,其劣化过程极其复杂,为电缆事故的发生埋下隐患。论文选用长期服役15年和30年110 kV XLPE电缆绝缘材料作为研究对象,以同型号高压备用电缆为对比组,对实际运行电缆随服役年限的劣化变化规律展开相应研究。结合微观、介观以及宏观,分别对不同服役年限的电缆劣化过程进行了分析研究,为长期服役交联聚乙烯电缆绝缘的劣化研究提供理论参考。长期服役运行电缆试样相较于备用电缆,结晶度随服役年限逐渐降低,结晶区逐渐被破坏,XLPE大分链断裂,生成了较多不同尺度的小分子链等自由基,使得热失重第一阶段的占比增大,热稳定性降低;长期的电热耦合作用使电缆中交联杂质逐渐挥发,材料羰基指数迅速下降;电缆在服役期间遭受多次短路故障,短路电流引起的高温使得电缆绝缘结晶行为产生变化,故障温度冷却过程中伴随有重结晶发生,生成了大小不一的晶粒,使得熔融温度降低,融程变宽。根据空间电荷分布特性可知,随着服役年限增加,结晶区破坏以及热氧老化的发生使电缆内部缺陷逐渐扩大,空间电荷包积聚更加明显,试样内部的深陷阱密度增大。结晶区的进一步破坏,为大分子链运动提供了更多自由空间,主链的局部运行以及整个链段的运动成为了介损的主要来源。因为电缆在服役运行期间有重结晶的发生,较小的晶粒会导致界面增大,进而缩小了电子的自由程,使得击穿更易发生,导致工频短时击穿场强逐渐降低。本文同时探索了介质声速与电缆劣化的关联性。研究发现,介质声速与温度呈现一次关系。随着温度的升高,介质声速呈正比例下降。可能是因为温度升高使得试样内部小分子无规则运动变得更加剧烈,阻碍了声波在介质中传递。随着服役年的增加,同一温度下的介质声速有所提升,其可能是原因为XLPE大分子链断裂,短链和小分子基团增多为声波的传递提供了大量谐振自由基,加快了介质声速的传递。研究结果有望为电力电缆绝缘老化状态评估提供新的测试方法和理论依据。