服役XLPE电缆绝缘微观结构与宏观性能的关联性研究

作     者：徐磊 

作者单位：陕西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李欢;贾荣兴

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：交联聚乙烯 电力电缆 敷设方式 COMSOL 微观结构 宏观性能 

摘      要：交联聚乙烯(Cross-linked polyethylene,XLPE)电力电缆因具有优良的介电和理化性能,且安装、敷设较为简单,不受高度落差等优点,逐渐取代乙丙橡胶(EPR)电缆和充油电缆。但在XLPE电缆的运行过程中,如热老化、电老化、电化学老化、水树老化等均会引发电缆绝缘结构与性能的改变,甚至导致击穿事故的发生,严重影响电缆的安全稳定运行。因此,研究服役电缆微观结构和宏观性能的劣化规律,以及二者之间的关联性,对于正确评估电缆运行状态、合理分析电缆故障原因具有重要的意义。本文针对服役不同时间的110k V XLPE电缆,主要开展了以下研究:首先,通过采用傅里叶红外光谱、差示扫描量热、扫描电子显微等实验手段,对XLPE的微观结构劣化规律进行表征。结果表明:服役前期,XLPE的微观结构变化不明显;但随着服役时间增加,微观结构开始快速劣化,具体表现为C=O、C=C、-OH等官能团数量增多,结晶度、熔融温度下降以及球晶结构的完整性降低且球晶平均尺寸减小。此外,XLPE内层绝缘较外层绝缘在服役过程中微观结构的劣化更为明显,这可能由内层绝缘在服役过程中经受了更高的温度所导致。接着,通过热重分析、宽频介电谱及工频击穿实验对XLPE宏观性能的劣化规律进行研究。结果表明:随着服役时间增加,XLPE的热降解在更低的温度即开始发生,介电常数和低频损耗均增大,工频击穿场强出现明显下降。同时,内层绝缘的宏观性能也表现出了更快的劣化速率。上述宏观性能的变化中,热降解温度的下降可以归因于氧化反应、热电子轰击分子链导致的XLPE分子量的下降;介电常数的增大可以归因于C=O、C=C、-OH等极性小分子数量的增大;低频损耗的增大可以归因于载流子数量增多所引发的电导损耗的增大;影响工频击穿场强的因素较多,可能包括载流子数量的增多、自由体积的增大以及结晶度增大多导致的载流子自由行程增大等。最后,对不同敷设方式下的XLPE试样的微观结构及宏观性能劣化规律进行研究,并采用COMSOL仿真软件对三种敷设方式下的导体施加相同的载流量并观察其温度变化,用以对试验规律进行验证。结果表明:以施加电流为938A为例,直埋、排管及电缆沟道敷设时绝缘所承受的最高温度分别为89.98C、100.95C、82.32C。电缆沟道敷设方式因敷设空间大、空气对流速度快,所以在电缆本体温度升高时能更快将热量散出,故在劣化程度较排管敷设及直埋敷设更小,体现在熔融温度、结晶度有了小幅度的提高,球晶完善度更高,且平均尺寸保持在更大的范围内。另外,因为老化程度最小,试样内部断链、羰基极性基团含量少,则在介电常数与介电损耗角正切方面较排管敷设及直埋敷设上升幅度小,且工频击穿场强在三者中最大。而排管敷设因散热困难,在服役过程中劣化程度最深,故在微观结构与宏观性能方面变化最大。