强直流电场下交联聚乙烯空间电荷特性及机理研究

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交联聚乙烯被广泛用作电力电缆绝缘材料,聚乙烯交联后获得的交联聚乙烯能大幅提高机械性能,但空间电荷会使绝缘中电场强度的分布发生畸变,从而缩短电力电缆的使用寿命,因此强直流场下交联聚乙烯空间电荷特性一直是国内外学者研究的重点。但很少有学者关注过交联效应和热老化对交联聚乙烯空间电荷特性的影响,而这又会极大地影响电力电缆的性能。为此,本文采用过氧化二异丙苯(dicumyl peroxide,DCP)为交联剂并以低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)为基料制备试样,采用电声脉冲法(PEA)测得空间电荷分布,研究交联效应和热老化对交联聚乙烯空间电荷特性的影响。本文主要成果如下:  (1)基于实测数据对空间电荷密度波形进行了校正。针对目前PEA测量系统中参数不能反映样品实际情况从而引起误差的问题,本文提出采用Concept80宽带介电谱测试系统获得实际的εr,由参考信号(REF)和实际厚度d计算获得实际声脉冲速度Vsa,然后由实测数据计算获得空间电荷密度波形。  (2)研究了交联效应对聚乙烯空间电荷特性的影响。交联效应向聚乙烯中引入了负电荷陷阱,并增加了较深电荷陷阱的密度。交联后各试样的阈值场强显著的大于纯聚乙烯,并且随着交联剂含量的增加先增大后减小。外施电场强度较低时,交联效应使得电荷不易注入和累积;外施电场强度很高时,电荷反而更容易注入和累积。交联聚乙烯中更容易出现空间电荷包,电场强度达到100kV/mm时,开始可以观测到明显的空间电荷包现象。  (3)研究了热老化对交联聚乙烯空间电荷特性的影响。热老化使得各试样的工频(50Hz)εr逐渐增大。热老化将使得各试样的阈值场强逐渐减小,且LDPE试样减小慢 XLPE试样减小快。热老化也向聚乙烯中引入了负电荷陷阱,且大大增加了深、浅电荷陷阱的密度。随着热老化时间的增加各试样中的电荷密度都增大,热老化初期增大较慢而热老化的末期增大较快,相对于纯聚乙烯而言交联后试样中的电荷密度增大得更快。  (4)以平均电荷密度为特征参量,分析了各试样中的平均电荷密度变化规律。电极附近被较深陷阱所捕获的电荷对电极有“屏蔽作用”,使得交联后试样的阈值场强值较高,并且在较低电场强度下电荷不易注入和累积,但在很高电场强度下试样中将累积更多的电荷。浅电荷陷阱的“隧道效应”,电极附近被浅电荷陷阱所捕获电荷容易脱陷,这使得屏蔽作用减弱,热老化后交联试样的阈值场强快速降低,与未老化时相比加压时和去压后试样中的电荷密度值也快速增大。
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