CN116087711A - 基于电导电流模型的xlpe绝缘材料老化寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，包括采取逐步升压法测量不同温度和电场强度下XLPE绝缘材料的电导电流，获取电流、电导率以及电流密度与场强和温度的关系；对电缆绝缘材料的老化寿命作三个假设，根据电导电流在不同温度和电场下的变化速率分析两种材料老化反应速率，探讨电导电流对老化的影响，建立引入电导电流因素的老化寿命模型；将所获取的XLPE绝缘材料电导电流测试数据与所建立的电缆绝缘材料的老化寿命模型定量关联，确定XLPE绝缘材料在电导电流影响下的老化寿命评估方法。该发明解决了以往老化模型仅考虑电场和单电子作用下的老化问题，可以用于测量各种绝缘材料的老化寿命。
Description
技术领域
本发明属于绝缘材料电应力作用下老化寿命模型的建立方法，特别是涉及引入电导电流因素的电缆绝缘材料老化寿命评估方法。
背景技术
聚合物绝缘材料具有较高的击穿强度和较低的介质损耗，如纤维素绝缘纸、环氧树脂、交联聚乙烯等，被广泛应用于变压器、高压套管、电力电缆等多种电力设备的绝缘系统中。这些聚合物绝缘材料在设备长期运行过程中会经受多种应力的作用，不可避免地出现老化/劣化现象，使绝缘可靠性下降，甚至引发设备故障。随着系统电压等级的提升，绝缘材料所承受的电场强度也不断增强，电应力对材料的老化过程起着愈来愈重要的作用，成为材料老化甚至寿命终止的重要因素之一。因此，考虑电应力的老化寿命模型得到了大量的研究，反映材料老化寿命的模型有现象模型和物理模型。经典的现象模型有反幂模型和指数模型等，其中应用最广泛的是反幂模型，此类模型结构简单，与老化规律基本吻合，但没有考虑物理因素对老化的影响，不能反映老化过程中的物理机理。
随着材料微观结构的观测方法和表征手段的发展和丰富，人们对聚合物绝缘材料寿命模型的研究不再局限于电热老化的基本现象和试验结果的宏观统计规律层面，而是将材料老化过程和电树枝、水树枝、电荷注入、存储和迁移，以及粒子或基团的越障等物理过程起来，试图从材料的微观结构和机制层面解释材料老化的产生和发展过程。在电场作用下，空间电荷效应在绝缘材料老化过程中发挥着重要的作用，空间电荷积聚会使局部电场发生畸变，材料局部结构被破坏，加速老化进程。目前，针对空间电荷效应下绝缘材料老化的寿命模型均基于化学反应速率理论展开研究的，主要包括Crine模型、DMM模型和Lewis模型，这些模型解释了物理层面上的老化机理，并且认为老化过程是单一电荷作用的结果，没有考虑电导电流作用下的多个电荷共同作用的过程。
反幂模型能够较好的反映电压与老化寿命的关系，且模型简单，但由于其为经验模型，本身的参数老化寿命指数和老化寿命积累量没有明确物理内涵，因此难以通过该模型反映材料的老化机理。Crine模型通过引入老化活化能ΔG0和微腔长度λ说明了单一电荷作用下的老化机理，但是其在低场强下电压与老化寿命的关系不符合以往规律，仅在高场强下呈现规律性，且该模型只引入了单一电荷的作用，没有考虑多电荷同时作用下的老化机理。
针对以上模型的优缺点，本发明提出了引入电导电流的老化寿命模型，该模型同时考虑了电导电流和陷阱的影响，同时也考虑到了多电荷共同作用下的老化机理。总体来说，引入电导电流的老化寿命具有反幂模型和Crine模型的优点，同时避免了以上两个模型的缺点，在实际的老化寿命评估方面具有一定优势。
针对电力系统绝缘材料在电应力作用下材料损伤机理以及老化评估，越来越关注于微观方法，并认同空间电荷效应在材料老化过程中的重要作用。而传统的绝缘材料老化寿命模型已无法准确表征材料老化过程和寿命演变规律，尤其对于高压直流绝缘中电应力作用对材料的破坏。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种电导电流特性为电极效应限制和多电子作用下的老化寿命模型，考虑电导电流和陷阱的影响，同时也考虑到了多电荷共同作用下的老化机理，该模型是基于反幂模型和Crine模型基础上进行改进的，有望用于高压直流绝缘的老化寿命评估。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明一方面，提供了一种基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，包括：
在不同温度和场强下，测量XLPE绝缘材料电导电流；
对电缆绝缘材料的老化寿命作三个假设，包括：电极会在电场作用下向电极与电缆绝缘材料界面处的微腔中注入电子；进入微腔的电子会在电场作用下脱陷或对分子链造成伤害；微腔被破坏，电缆绝缘材料老化初始缺陷的所需形成时间为老化缺陷发展所需时间；
依据三个假设推导电缆绝缘材料的老化寿命与电缆的电导电流之间的关系；
根据所获取的电缆绝缘材料的电导电流测试数据，确定电缆绝缘材料的老化寿命与电缆绝缘材料电导电流之间的关系；
建立基于电导电流因素下的XLPE绝缘材料老化寿命评估模型；
根据老化寿命评估模型得到老化活化能，求得随电导电流密度变化的XLPE绝缘材料老化寿命，得到电导电流密度对应的电场强度，以及随电场变化的XLPE绝缘材料老化寿命。
作为优选，测量XLPE绝缘材料电导电流，测试温度分别为20℃、40℃和60℃；电场强度选值范围为10kV/mm-60kV/mm。
作为优选，测量XLPE绝缘材料电导电流，每10kV/mm一个采样点，每个采样点连续测量30min直至稳定，重复测量三次，取三次测量的平均值；采用逐步升压法，测试过程不短路。
作为优选，第一个假设为在试验场强下，电缆绝缘材料的载流子增殖过程电缆绝缘材料内部入陷电子在热和电场作用下脱陷形成载流子，载流子在试样内部迁移并进入到非晶区的微腔中。
作为优选，第二个假设为电荷进入微腔中会出现两种可能：在热运动和电场作用下会脱陷或对材料分子链造成损伤。
作为优选，假设进入微腔的电子会在电场作用下脱陷或对分子链造成伤害，设电子在微腔内存留的时间为t1，电极注入的下一个电子到达时间为t2：
当t1>t2时，微腔大部分时间存在电子，绝缘材料的寿命由单一电荷决定；
当t2>t1时，微腔大部分时间空闲，老化寿命由电导电流密度决定；
当电子能量大于陷阱深度Wd，小于活化自由能ΔG时，电子脱陷，不造成损伤。
作为优选，第三个假设为一旦微腔被破坏，后续破坏更容易发生，老化初始缺陷的形成所需时间远大于老化缺陷发展所需时间。
作为优选，确定电缆绝缘材料的老化寿命与电缆的电导电流之间的关系，通过老化寿命评估模型进行老化寿命评估。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
引入电导电流的老化寿命评估方法，该方法同时考虑了电导电流和陷阱的影响，同时也考虑到了多电荷共同作用下的老化机理，引入电导电流的老化寿命评估方法具有反幂模型和Crine模型的优点，同时避免了以上两个模型的缺点，在高压直流电缆绝缘老化寿命评估和预测方面能充分考虑电导电流、材料本体缺陷和老化缺陷、电应力相互作用下判断材料的老化状态，并且在低场强下的老化寿命评估更准确，有参考性，本发明能够应用于电缆绝缘材料的电应力作用下老化寿命预测评估。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为电子在介质/电极表面的注入过程；
图2为不同温度下XLPE电流密度随场强变化曲线图；
图3为不同温度下XLPE电导率随场强变化曲线图；
图4为XLPE与LDPE引入电导电流的老化寿命随场强的变化。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明实施例提供的一种基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，包括实验、推导和数据处理三个部分。
本发明所采用的绝缘材料是一种高压直流电缆用的XLPE绝缘材料，将绝缘材料颗粒在120℃的平板硫化机热压制成板状试样，热压时间为20分钟，之后将平板硫化机加热到180℃完成材料的交联。根据试验要求在平板硫化机上压制成0.2mm厚度的试样，之后试样放到平钢板上自然冷却成形。所有试样试验前均在真空80℃条件下静置48小时，以去除试样内部交联残留物和副产物。
其中，实验过程包括以下步骤：
步骤11，样品放置在三电极中，电极放入高温箱中温度稳定30min，确保电极和样品温度达到设定温度。分别测试20℃、40℃、60℃下，材料的电导电流数据，采用逐步升压法，测试过程不短路，每10KV/mm一个采样点，每个采样点连续测量30min直至稳定，重复测量三次，从10KV/mm开始连续测试至60KV/mm，采样间隔1000ms，采样时长1800s。
步骤12，取每组数据后100个数据点求平均值，即为对应温度和场强下电流值。依据电流值、电极面积、场强计算得出对应温度和场强下电流密度和电导率。
其中，假设推导部分如下：
步骤21，基于绝缘材料电荷产生机制和输运机制，提出三个假设：
(1)第一个假设为在试验场强下，电缆绝缘材料的载流子增殖过程电缆绝缘材料内部入陷电子在热和电场作用下脱陷形成载流子，载流子在试样内部迁移并进入到非晶区的微腔中。
当电极与介质表面形成欧姆接触，且载流子的迁移时间小于介质松弛时间的条件下，会在电极与绝缘材料试样界面处产生电荷注入。如图1所示，电子在电场作用下进入界面处绝缘材料试样微腔中，微腔长度为λ，半径为r。
(2)第二个假设为电荷进入微腔中会出现两种可能：在热运动和电场作用下会脱陷或对材料分子链造成损伤。
进入微腔的电子会在热运动和电场作用下脱陷或对材料分子链造成损伤，假定电子脱陷所需要的能量为Wd(陷阱深度)，造成损伤材料分子链所需要的能量为ΔG，且Wd<ΔG。微腔中的电子在电场和本身热运动的作用下会脱陷，根据现代化学反应理论，在没有电场作用时电子脱陷的概率为P1：
式中，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，T为开尔文温度。
式(3)等号右边的指前因子为kT/h，反映绝缘聚合物分子链的振动频率(声子)。当施加外界电场时，处于微腔中的电子会在长度为的λ微腔中加速获得能量eλE，此时电子本身热运动脱陷所需的能量为会变为Wd-eλE，在电场E作用下，该式可写为：
在电场作用下，不脱陷的概率为：
电子在电场作用下在微腔内存留的时间为电子不脱陷的概率的倒数：
通过电导电流电极注入微腔的下一个电子到达时间为：
式中，J为电导电流密度，A·m-2；r为XLPE绝缘材料中微腔半径，nm；e为元电荷量，C。
当t1>t2时，则认为微腔大部分时间存在电子，绝缘材料的寿命应由单一电荷决定；当t2>t1时，则认为微腔大部分时间空闲，老化寿命由电流密度决定。实际上t2＞＞t1，所以老化寿命由电流密度决定。其中，当电子能量大于Wd，小于ΔG(老化所需要跨过的势垒)时，则电子脱陷，而不至造成损伤。
(3)第三个假设为一旦微腔被破坏，后续破坏更容易发生，老化初始缺陷的形成所需时间远大于老化缺陷发展所需时间，因此，可利用老化初始缺陷的形成时间代表老化整体时间。
步骤22，基于三个假设推导基于引入电导电流因素的绝缘老化寿命评估模型。
未施加电场时，在分子热运动的作用下，造成老化损失的概率为P3：
在电场作用下，微腔中电子所获得的能量会减少老化所需要的活化能，此时的活化能为ΔG*＝ΔG-eλE，此时老化的概率为：
式(8)等号右边的指前因子为
反映绝缘聚合物链间的振动频率(声子)，去掉该项后的概率为单次振动所能造成损伤的概率：
同样，将式(4)的指前因子去掉为单次振动不脱陷的概率：
新模型实际认为只有当电子不脱陷(在微腔内)时才有几率对分子链造成老化损伤，因此单个电子在单次振动下老化的概率为：
施加电场后通过材料的电流密度为J，单位时间进入微腔的电子数量为
因此多电子下的老化概率为：
老化寿命为：
式中，T为开尔文温度，K；k为玻尔兹曼常数；h为普朗克常数；J为电导电流密度，A·m-2；ΔG为活化自由能，eV；Wd为陷阱深度，eV；r为XLPE绝缘材料中微腔半径，nm。
步骤23，基于上述步骤22模型，参数求解。
老化寿命如公式(13)所示。将式(13)两边同时乘以电流密度J，可以得到以下公式：
在固定温度下，△G和Wd可以认为是不会变化的。
老化寿命与电导电流和陷阱深度呈反比，电导电流和陷阱深度越小，老化寿命越长；老化寿命与ΔG呈正比，ΔG越大，材料耐老化性能越好。该模型反映了电导电流与老化寿命的关系，同时引入了陷阱深度对老化的影响，能够较好的反映老化机理。
其中，数据处理部分如下：
步骤31，根据测得的电流值计算电流密度和电导率，如表1所示。
步骤32，根据老化活化能△G求得随电导电流密度变化的XLPE绝缘材料老化寿命，然后求得电导电流密度对应的电场强度，得到随电场变化的XLPE绝缘材料老化寿命。
步骤33，绘制E-t曲线，如图2、图3图4可以直观的发现其在全部电场范围内均符合以往经验规律，但是该模型结构复杂，需要同时测量多个物理量来求解其参数。
总体来说，引入电导电流的老化寿命具有反幂模型和Crine模型的优点，同时避免了以上两个模型的缺点，因此其在实际的老化寿命评估方面具有一定优势。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，包括：
在不同温度和场强下，测量XLPE绝缘材料电导电流；
对电缆绝缘材料的老化寿命作三个假设，包括：电极会在电场作用下向电极与电缆绝缘材料界面处的微腔中注入电子；进入微腔的电子会在电场作用下脱陷或对分子链造成伤害；微腔被破坏，电缆绝缘材料老化初始缺陷的所需形成时间为老化缺陷发展所需时间；
依据三个假设推导电缆绝缘材料的老化寿命与电缆的电导电流之间的关系；
根据所获取的电缆绝缘材料的电导电流测试数据，确定电缆绝缘材料的老化寿命与电缆绝缘材料电导电流之间的关系；
建立基于电导电流因素下的XLPE绝缘材料老化寿命评估模型；
根据老化寿命评估模型得到老化活化能，求得随电导电流密度变化的XLPE绝缘材料老化寿命，得到电导电流密度对应的电场强度，以及随电场变化的XLPE绝缘材料老化寿命。
2.根据权利要求1所述的基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，测量XLPE绝缘材料电导电流，测试温度分别为20℃、40℃和60℃；电场强度选值范围为10kV/mm-60kV/mm。
3.根据权利要求1所述的基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，测量XLPE绝缘材料电导电流，每10kV/mm一个采样点，每个采样点连续测量30min直至稳定，重复测量三次，取三次测量的平均值；采用逐步升压法，测试过程不短路。
4.根据权利要求1所述的基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，第一个假设为在试验场强下，电缆绝缘材料的载流子增殖过程电缆绝缘材料内部入陷电子在热和电场作用下脱陷形成载流子，载流子在试样内部迁移并进入到非晶区的微腔中。
5.根据权利要求1所述的基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，第二个假设为电荷进入微腔中会出现两种可能：在热运动和电场作用下会脱陷或对材料分子链造成损伤。
6.根据权利要求5所述的基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，假设进入微腔的电子会在电场作用下脱陷或对分子链造成伤害，设电子在微腔内存留的时间为t1，电极注入的下一个电子到达时间为t2：
当t1>t2时，微腔大部分时间存在电子，绝缘材料的寿命由单一电荷决定；
当t2>t1时，微腔大部分时间空闲，老化寿命由电导电流密度决定；
当电子能量大于陷阱深度Wd，小于活化自由能ΔG时，电子脱陷，不造成损伤。
7.根据权利要求1所述的基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，第三个假设为一旦微腔被破坏，后续破坏更容易发生，老化初始缺陷的形成所需时间远大于老化缺陷发展所需时间。
8.根据权利要求1所述的基于电导电流模型的XLPE绝缘材料老化寿命评估方法，其特征在于，电缆绝缘材料的老化寿命与电缆的电导电流之间的关系：
式中，T为开尔文温度；k为玻尔兹曼常数；e为元电荷量；h为普朗克常数；ΔG为活化自由能；Wd为陷阱深度；r为XLPE绝缘材料中微腔半径；J为电导电流密度；P4为引入电流因素作用下的老化概率。
9.一种如权利要求1-8任一项所述方法在变压器、高压套管、电力电缆电力设备的绝缘系统中应用。
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| CN202310033644.XA Pending CN116087711A (zh) | 2023-01-10 | 2023-01-10 | 基于电导电流模型的xlpe绝缘材料老化寿命评估方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116087711A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119199363A (zh) * | 2024-11-26 | 2024-12-27 | 南京理工大学 | 一种电磁线绝缘层耐电晕寿命加速预测方法及装置 |
| CN120412859A (zh) * | 2025-07-04 | 2025-08-01 | 浙江泛和科技有限公司 | 基于数字孪生的高温线缆材料性能退化模拟方法及系统 |
-
2023
- 2023-01-10 CN CN202310033644.XA patent/CN116087711A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119199363A (zh) * | 2024-11-26 | 2024-12-27 | 南京理工大学 | 一种电磁线绝缘层耐电晕寿命加速预测方法及装置 |
| CN120412859A (zh) * | 2025-07-04 | 2025-08-01 | 浙江泛和科技有限公司 | 基于数字孪生的高温线缆材料性能退化模拟方法及系统 |
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Legal Events
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