聚乙烯类绝缘复合材料击穿与电树特性实验及仿真研究

发布时间：2020-08-20 16:02

【摘要】：随着聚乙烯电缆在电力系统中的广泛应用,预防电缆的击穿失效在电力传输的稳定中扮演的角色也越来越重要,而电树枝是绝缘击穿失效前常见的电老化现象。因此研究绝缘材料击穿与电树有着现实而重要的意义。本文结合国内外研究现状,对聚乙烯类绝缘复合材料击穿与电树特性展开实验和仿真研究。本文以聚乙烯为基体,加入线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯不同组份共混,测量绝缘复合材料的击穿场强,利用威布尔分布对场强数据拟合和分析得到击穿场强最优的组份。本文对电树试样采用不同升压电压方式,观察试样起树电压和不同电压下电树形态和电树生长速度,分析解释不同形态电树形成原因以及电树生长变化规律,并利用FDTG模型计算不同针板间距下电树前端局部场强并结合实验现象进行分析。本文利用MATLAB软件实现电树生长的WZ模型仿真并计算电树分形维数,讨论改变模型的生长系数、阈值电压和电树内电场参数对电树生长形状和分形维数影响,发现在适当的参数下WZ模型能够对实际电树形态仿真。本文运用皮尔逊和斯皮尔曼相关性分析方法,计算绝缘复合材料的击穿场强与电树起树电压之间相关性,电树分形维数与WZ模型参数的相关性,而后根据相关性评价标准得到相应结论。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM75
【图文】：

过程图,电树枝,过程,电树

西安交通大学曹晓珑等人对环氧树脂的电树生长的动力学模型进行研究发现：动力学模型推导出来的不同电压下电树生长随时间变化与实际情况较为符合，说明采用的电树枝生长模型能够反映电树枝生长规律[19]。重庆大学廖瑞金等人研究电树生长发现： Poincare 截面、最大 Lyapunov指数和关联分形维数的结果均显示电树枝局部放电时间序列具有确定性混沌特征，证实了 XLPE 电树枝的生长过程具有确定性混沌特性。同时局部放电时间序列的混沌特征可以作为判断电树枝形态特征的参考量[20]。哈尔滨理工大学张晓虹等人利用熔融插层法制备了蒙脱土聚乙烯复合材料，并研究其交直流电压下电树枝化特征，同时对比纯聚乙烯电树得到以下结论：纯聚乙烯的电树引发结构偏于“枝状”，是一种非导电型电树，具有长速度较快，形维数较小的特点；而聚乙烯/蒙脱土纳米复合物的电树引发结构偏于“丛状”，是一种导电型电树，具有长速度较慢，形维数较大的特点[21]。1.3.2 电树枝引发理论电树引发和生长一般可以分为：引发期、成长期、饱和期和击穿前期。在实际中导致电树具有一定的复杂性、多变性和随机性。因此尚没有一个确定统一的理论来描述电树中的各种现象，但电树引发大致过程如图 1-1 所示：

击穿场强,场强,直流击穿

a) 交流击穿场强 b) 直流击穿场强图 2-2 击穿场强 weibull 分布Fig. 2-2 The weibull distribution of the field strength从图 2-2 中可以看出 LDPE 的交流击穿场强为 97.32kV/mm，直流击穿场强为 272.9kV/mm；LLDPE 的交流击穿场强为 95.40kV/mm，直流击穿场强为290.0kV/mm；HDPE 的交流击穿场强为 108.7kV/mm，直流击穿场强为402.9kV/mm ； PP 的交流击穿场强为 105.6kV/mm ，直流击穿场强为387.6kV/mm。不同材料间对比，HDPE 和 PP 相比于 LDPE 和 LLDPE 交流场强高 10%左右，直流场强更高将近 30%。这是因为 HDPE 主链相比于 LDPE和 LLDPE 主链上有更少的支链，而 PP 虽然主链上平均每两个 C 上就支链，但因为都是甲基支链，支链长度相比 LDPE 更短。因此，HDPE 和 PP 结晶度更高，在外施电场的作用下，产生高能电子的几率随之减小，宏观上表现为击穿场强更高。聚乙烯类材料直流击穿场强都远高于交流击穿场强，可以达到交流击穿场强的 2-3 倍。类似于电树引发理论，在施加交流电压较低时材料出现麦克斯韦-机械应力。当感生应力大于某一临界值，材料的某一弱点出现气隙裂纹。

威布尔分布,威布尔分布,击穿场强,场强图

a) 交流击穿场强 b) 直流击穿场强图 2-3 LDPE/LLDPE 击穿场强威布尔分布Fig. 2-3 The Weibull distribution of LDPE/LLDPE field strengtha) 交流击穿场强 b) 直流击穿场强图 2-4 LDPE/HDPE 击穿场强威布尔分布Fig. 2-4 The Weibull distribution of LDPE/HDPE field strength

【参考文献】