交联聚乙烯绝缘电老化过程的映射技术研究

Traditionally cable lifetime is the time period from the application of a constant voltage to the insulation breakdown. The accelerated electrical aging test based on this definition is time and effort consuming, with measured parameters highly dispersed. After the long-term exploration into the electrical aging performance of XLPE insulation, it is found that the V-t curve of material's electrical treeing deterioration is in the similar shape and variation with cable's lifetime curve from electrical aging breakdown test. In this project, it is proposed that the electrical treeing life of insulating material can be used as a mapping of electrical aging lifetime of XLPE cable, and the relevant technical content will be explored. This study aims to prove the validity of this mapping relation, and based on that, it is proposed to take the initiation of an electrical tree as the end of XLPE insulation reliable lifetime. After the systematic research on tree initiation performance under AC voltages, characteristic parameters such as voltage endurance index and long-term breakdown field strength for XLPE insulation are determined, and a reliable lifetime evaluation method is established for XLPE cable. The micromorphic measurement and analysis on the change of morphology and energy state of samples in the tree incubation period is helpful to explore the behavior and parameter of materials electrically deteriorated. The research is of vital significance for the exploration into electrical aging performance and failure mechanism of solid insulation, and for the structure design and reliable life evaluation of high-voltage XLPE cables.

传统的交联聚乙烯（XLPE）电缆寿命是指施加恒定电压至绝缘击穿的全过程，按此定义进行加速电老化寿命试验耗时费力，且测得参数分散性大。在对XLPE绝缘电老化特性所进行的长期探索研究中发现，绝缘材料中电树枝劣化过程的V-t曲线与电缆击穿试验的电老化寿命曲线具有相似的形状和变化规律，因此，本项目提出以绝缘电树枝化寿命作为电缆电老化寿命的映射的基本理论，并对相关技术内容进行探索。本项研究将系统证明该映射关系的客观性，在此基础上，以电树枝引发作为绝缘可靠寿命终了的标志，通过对交流电树枝引发特性的深入研究，给出电压耐受指数及长期击穿场强等特征参数，建立对XLPE绝缘进行电老化可靠寿命评估的新方法。通过对电树枝潜伏期内被测试样的微观形态、能量状态等的检测与分析，探索材料电致劣化的表现形式及有效表征参数。本项目对探索固体绝缘的电老化失效机理、完善XLPE电缆的可靠寿命评估技术具有重要的理论意义及工程价值。

传统的XLPE电缆寿命是指施加恒定电压至绝缘击穿的全过程，按此定义进行加速电老化寿命试验耗时费力，且测得参数分散性大。研究发现，对高压XLPE电缆，电树枝化是导致绝缘失效的决定性因素，XLPE电缆击穿总是以绝缘中电树枝的出现为先导。一旦电树枝在XLPE绝缘中得以引发，电缆将在较短时间内被击穿而完全失效。特别是对于薄层绝缘或强场下应用的场合，介质击穿将完全由树枝引发所主导，树枝生长阶段的整体影响相对较小。.本项目提出以绝缘电树枝化寿命作为电缆电老化寿命的映像的基本理论，采用以电树枝引发作为绝缘可靠寿命终了标志的手段，对交流电树枝引发特性进行了深入研究，给出电压耐受指数及长期击穿场强等特征参数，建立对XLPE绝缘进行电老化可靠寿命评估的新方法。通过对被测试样电树枝化区域内微观形态、能量状态等的检测与分析，探索材料电致劣化的表现形式及有效表征参数。.在研究过程中，采用提高电压频率加速老化的方式，解决低压试验时间过长的问题（试验获得等效老化时间约471天）；采用新的紧固环切设备，解决成品电缆绝缘试样切片的问题（环切绝缘试样厚度约0.2mm）；采用显微红外光谱测量方法，解决试样中极小区域的微观特性分析问题（分析区域可精确到10μm×20μm）。.本项目取得的成果有：完善制样模具及插针设备，组装并调试试样加压、实时显微观测系统及局部放电测量装置，开发了可对成品电缆绝缘进行固定和环切的装置；研究了电树枝引发特性的主要影响因素，确定引发试验的规范条件为：室温，针尖曲率半径10μm，针板电极间距2mm；从试验的可重复性、可操控性、可实现性等综合考虑，确定了电树枝引发的判断标准：树枝长度达到100μm；通过树枝引发试验，获得XLPE试样的V-t特性，与同一电缆绝缘切片试样的击穿数据进行对比分析，确认了树枝化微击穿与绝缘整体击穿之间的映射关系；利用树枝引发试验获得的材料电老化特性参数（电树枝引发阈值场强100kV/mm；1小时耐受场强为250kV/mm；电压耐受指数13），对110kV高压XLPE电缆进行绝缘设计，验证了参数的有效性以及所建立的绝缘结构设计方法的工程实用性；采用显微红外光谱分析方法，发现在XLPE电树枝区域含有醚键和羟基的特征基团，推论聚乙烯电树枝化过程中发生了β-断链和Norrish II型反应，为绝缘材料的电树枝劣化机理研究提供了重要的新发现。