硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响

交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆终端内各绝缘材料的电导率受温度和电场强度的影响差异较大,这是导致其电场分布复杂、研发难度大的关键因素之一。为此,利用多物理场耦合软件仿真计算了以不同性质硅橡胶为增强绝缘的高压直流电缆终端模型内的电场分布,分析了绝缘材料的电导特性对电场分布的影响与机理。研究结果表明:以高压交流电缆终端中常用的硅橡胶作为直流电缆终端的增强绝缘时,应力锥根部的硅橡胶内电场严重畸变,最大电场强度(简称场强)值约达到电缆本体平均场强的6.7倍;以具有合适非线性电导特性的硅橡胶做增强绝缘时,直流电缆终端内电场分布均匀,且最大场强点位于电缆XLPE绝缘内。说明应用电导非线性硅橡胶是解决XLPE绝缘高压直流电缆终端制造瓶颈问题的有效方法之一。     

30kV直流XLPE电缆电场及温度场的仿真计算

根据电流场和静电场理论,分析了在计算电缆绝缘层电场分布时必须同时考虑电导率和空间电荷的影响。为计算直流交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘层径向电场及温度场分布,应用多物理场有限元仿真软件COMSOL模拟实际运行工况,解决了电热耦合场场量的计算。仿真计算时,电导率模型采用的是最适合XLPE绝缘材料的经验公式;设计阶段的空间电荷数据是采用电声脉冲（PEA）技术测量绝缘样品而得到。仿真计算结果表明,设计的30kV直流XLPE电缆是满足设计和实际运行要求的。     

温度对高压直流电缆中间接头内电场分布的影响分析

高压直流电缆附件中的电场分布主要取决于绝缘材料的电导率而非相对介电常数,由于交联聚乙烯(XLPE)和硅橡胶(SR)2种绝缘材料电导率差异较大,且受电场强度和温度影响较严重,导致直流电缆附件的设计比交流附件复杂得多。为此,采用软件仿真手段分析了不同温度梯度作用时,直流电压、直流叠加冲击电压下电缆接头中的电场分布情况。研究结果表明:在直流电压下,随着温度的升高电缆接头内的最大电场强度(简称场强)及XLPE/SR分界面的切向场强会大幅增加,而且绝缘内最大场强出现位置也会由高压屏蔽端部转移到应力锥根部;当直流叠加冲击电压作用时,接头内的电场分布会出现3个场强极大值点,压接管端部高压屏蔽内侧的场强最大,且不随冲击电压极性和线芯温度的变化而变化;直流叠加正极性冲击电压作用下,压接管端部SR材料内侧和应力锥根部XLPE材料内侧的场强随温度的升高而降低,而在直流叠加负极性冲击电压作用下这2点的场强随温度的升高而增大。以上研究结果可供高压直流电缆附件设计参考。     

500 kV直流电缆接头增强绝缘设计关键参数及其控制研究

500 kV直流电缆接头设计的核心内容是增强绝缘的材料性能和几何结构.本文计算和仿真了直流电缆接头内电缆主绝缘与增强绝缘双层介质的电场分布特征,分析了直流电缆接头由界面放电引起的击穿故障的发展机理,测试了直流电缆接头中的交联聚乙烯(XLPE)与硅橡胶(SR)介质界面的击穿特性.结果表明:增强绝缘与电缆接头主绝缘的电导率和界面切向电场强度是增强绝缘设计的关键参数;增强绝缘材料的电导率在温度和电场容许范围内应始终小于XLPE;主绝缘与增强绝缘界面的切向电场强度是影响直流电缆接头运行可靠性的关键控制参数,在最不利的条件下其阈值为2.5 kV/mm.研究结果为解决直流电缆接头尤其是增强绝缘的设计问题提供了新方法.     

320kV XLPE高压直流电缆接头附件仿真分析和结构优化设计

应用在高压直流输电系统的挤出式交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)电缆,通常用工厂预制的硅橡胶(silicon rubber,SR)中间接头在现场进行连接。为了研究接头的电场分布并对接头结构进行优化设计,对影响附件电场的电缆绝缘和附件绝缘的材料电导率关系、以及附件应力锥和高压屏蔽管的几何参数进行了深入研究。从两种绝缘材料的电导率和电场、温度的非线性关系入手,结合试验数据,通过数据拟合得到了XLPE和SR的电导率表达式,在仿真分析中代入电导率的表达式,可以判断两种材料的电导率配合是否使得电场分布不超过设计值。通过合理设计应力锥和高压屏蔽管结构,降低了应力锥根部和高压屏蔽管端部电场强度,抑制了绝缘交界面切向方向的电场强度。可知:当应力锥使用该文提出的形状、高压屏蔽管的厚度适当增加且电缆绝缘和附件绝缘的电导率相匹配时,附件电场的分布最优。     

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆中间接头内电场分布的影响

为改善交联聚乙烯（XLPE）绝缘高压直流电缆中间接头内的电场分布,通过添加纳米填料制备了用于制作电缆接头应力控制体的非线性硅橡胶复合材料。建立了高压直流电缆接头仿真模型,测试了各绝缘材料的电导特性,计算了电缆接头内的电场分布。研究结果表明,70 ℃时在各场强下未改性硅橡胶的电导率都小于高压直流电缆XLPE绝缘,故电缆接头内的最高场强点位于硅橡胶增强绝缘内,且最大场强远大于电缆本体绝缘的平均场强;以非线性硅橡胶做应力控制体增强绝缘时,超过一定场强后增强绝缘的电导率明显大于XLPE绝缘,保证了电缆接头内最高场强点永远位于XLPE绝缘内,且接近于平均场强。     

交联聚乙烯与浸渍纸绝缘直流电缆接头电场分布

针对交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆与粘性浸渍纸(MI)绝缘直流电缆相连接头提出了新的绕包式绝缘结构,为了验证该结构的可靠性,应用仿真软件计算了该接头的电场分布。仿真结果发现,当采用增绕绝缘方式制造直流电缆的相连接头时,选取电导率略高于工厂绝缘电导率的绝缘材料作为增绕绝缘材料,可明显改善应力锥根部的电场分布,接头中的场强分布较为合理;反极性脉冲电压作用时,由于反向冲击电压形成的电场强度的方向与之前的直流电压形成的稳态电场方向相反,因此,聚四氟乙烯(PTFE)做增绕材料相较于MI的场强畸变程度降低。最高工作温度下接头中的电场分布计算结果表明聚四氟乙烯适宜做增绕绝缘材料,应用该增绕材料制备的接头最终通过了型式试验。     

描述高压直流电缆绝缘材料电导率的公式比较

以高压直流交联聚乙烯(cross-linked polymeric,XLPE)电缆为研究对象,研究讨论了现阶段描述直流电压下绝缘材料电导率公式对XLPE材料的适用情况。首先基于两种不同电导率公式推导了稳态下高压直流电缆中电场反转的临界温差、绝缘层温度分布、电场、电导率和距离电缆中心的乘积以及绝缘层电场分布,并通过比较有限元仿真结果和公式计算结果证明了所推公式的可靠性。然后通过对不同电导率公式计算值的比较,以及不同公式在相同条件下引起的绝缘材料热电特性,证明了公式互换的可能性。     

320kV国产交联聚乙烯绝缘料高压直流电缆设计

为促进国产交联聚乙烯绝缘料在高压直流电缆绝缘中的应用,根据实验数据推导出国产交联聚乙烯绝缘料的电导率方程,得到了电导率与温度和电场之间的关系;实验测得五种不同厚度薄试样的击穿场强,根据双参数威布尔分布推导出绝缘料的击穿场强与厚度的关系,得出厚度为26 mm下绝缘材料的击穿场强;根据TICW 7.2标准设计出320 kV高压直流电缆的结构,利用Comsol Multiphysics软件仿真得出电缆在不同负荷状态下的电场和温度场分布。仿真结果表明:当导体绝缘内温差大于5.3℃时,绝缘外部场强开始高于内部场强;当导体温度为70℃时,绝缘内部电场最大值为15.1 kV/mm,远低于材料的击穿场强。通过仿真分析,为成功设计320 kV高压直流电缆提供参考。     

基于增强绝缘材料非线性电导率的特高压直流电缆接头优化设计研究

特高压直流输电工程的实施使得特高压直流电缆装备的需求日渐迫切.为研究特高压直流电缆接头的结构设计,从聚合物绝缘材料的非线性电导率特性对直流电缆接头绝缘电场分布的影响入手,分析改性硅橡胶对特高压直流电缆接头绝缘结构优化设计的影响.结果表明:直流电缆接头增强绝缘中电场强度会随着电缆负荷电流的增大而发生极性反转.掺杂的钛酸铜钙纳米纤维无机填料大幅增强了硅橡胶的电导率非线性,提高了硅橡胶的活化能和电场强度系数参数,降低电导率进入非线性区的阈值电场强度.改性硅橡胶增强绝缘材料明显抑制特高压直流电缆接头中的双层介质界面切向电场、应力锥和高压屏蔽管表面电场的畸变.采用改性硅橡胶作为特高压直流电缆接头增强绝缘材料,可弥补调整电缆接头结构尺寸仍不能有效抑制接头中电场畸变的不足.研究结果可有效解决特高压直流电缆接头设计中的电场控制难题.     

±320kV直流电缆交联聚乙烯/三元乙丙橡胶附件击穿特性

高压直流电缆接头与终端为电缆系统故障的多发点,其击穿强度为直流输电系统安全稳定运行的重要基础。文中以±320 kV高压直流海底电缆中交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)/三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)附件为研究对象。首先,研究电缆及附件负荷循环耐压试验,发现附件界面为击穿薄弱环节;其次,研究绝缘材料电导率随温度变化特性对电场分布的影响规律,通过有限元仿真模拟电缆空载和满载运行时附件的温度分布与电场分布,发现最大电场出现在电缆绝缘靠近附件应力锥一侧,为29.5 kV/mm,低于附件材料的击穿场强;最后,研究界面在直流电场下空间电荷特性对电场分布规律的影响,通过电声脉冲法测试复合叠层片状样品介质界面的空间电荷及其电场分布,发现场强畸变率约为100%~200%。同材料本征绝缘匹配相比,界面空间电荷积聚对附件内部电场造成的畸变程度更严重,在后续附件提升中应更注重开发抑制空间电荷的绝缘材料。     

高压直流XLPE电力电缆预制式接头的设计

交直流绝缘层中本构方程的相似性决定了直流交联聚乙烯(XLPE)电缆附件与交流XLPE电缆附件的结构和设计原理的相似性。但是两种电场下本征参数性质的不同又使得直流XLPE电缆附件的设计不同于交流XLPE电缆附件的设计。为合理设计直流XLPE电缆接头,借鉴交流XLPE电缆接头设计的经验,给出了详细的设计直流XLPE电缆接头结构的方法。在直流XLPE电缆接头的设计中,界面空间电荷的抑制是接头设计成功的保证;而对界面空间电荷的抑制就需要界面两侧绝缘的介电常数和电导率的合理配合。最后,以30 kV直流XLPE电缆中间接头的设计为例,通过仿真计算得出,在高压屏蔽层端部附近界面上的允许切向电场强度取为1.5 kV/mm时,EPDM与XLPE在设计电场下符合应力锥优化设计要求的电导率比值范围可取为(0.5,5),在此范围之外的电导率比值的材料是不可以用来设计直流XLPE电缆中间接头的。     

高压直流电缆系统安全裕度试验研究

掌握高压直流电缆系统的安全裕度是保证电缆线路长期安全运行的前提条件。为获取高压直流电缆系统的最高使用电压,文中测试了电缆绝缘和附件绝缘的电导率,得出了电导率对温度和电场强度的依赖关系,并求出了电导率表达式。以±80 kV高压直流电缆系统为研究对象,提出了电缆系统安全裕度试验方法,采用逐级加压的方式测试了电缆系统在最高运行温度90℃下的击穿电压。根据电缆绝缘和附件绝缘的电导率计算了电缆系统击穿时的电场分布,通过对比电缆系统击穿时的电场强度与长期运行所需承受的电场强度,获得了电缆系统的安全裕度。研究表明,文中提出的试验方法能够获得高压直流电缆系统安全裕度,研究结果可为高压直流电缆工程的安全运行提供理论和试验依据。     

双层绝缘结构高压直流电缆电场分布仿真

参照油纸绝缘高压交流(HVAC)电缆的分阶绝缘设计思想,采用不同非线性绝缘材料制造具有双层绝缘结构的高压直流(HVDC)电缆来改善电场分布以及减薄绝缘层厚度是一种可能的解决途径。为了从理论上验证双层绝缘设计理念在HVDC电缆绝缘设计中的可行性,采用多物理场耦合软件仿真研究了不同温度梯度、不同施压方式下分层半径对双层绝缘结构HVDC电缆绝缘稳态和暂态电场分布的影响规律,在此基础上定义了同时考虑稳态、暂态电场和温度梯度多重因素的综合绝缘利用系数,并提出了按绝缘材料的电导率内小外大排列、相对介电常数内大外小排列确定内外层绝缘原则和综合绝缘利用系数最高的分层半径确定原则,最后验证了该双层绝缘设计原则的合理性。电场仿真结果发现:与单层绝缘电缆相比较,双层绝缘结构HVDC电缆在高温度梯度下可显著改善电缆绝缘稳态和暂态电场分布,且温度梯度越高改善效果越显著;雷电冲击过程中绝缘内的暂态电场分布受直流稳态过程形成的界面及空间电荷的影响,而双层绝缘结构HVDC电缆绝缘稳态过程中形成的界面及空间电荷与温度密切相关,因而温度也是影响雷电冲击过程中绝缘暂态电场分布的因素。     

HVDC电缆电场分布影响因素的仿真研究

电场分布是决定电缆绝缘短时耐压能力和长期运行可靠性的关键因素。HVDC电缆稳定运行时,绝缘材料的电导率决定电场分布,在较高温度梯度分布下有可能出现电场分布翻转现象。由于电缆绝缘材料的非线性电导率是温度及电场的函数,在投入运行和电压极性反转时HVDC电缆暂态电场分布更为复杂。为此,采用多物理场耦合软件仿真研究了绝缘材料非线性电导属性对不同温度梯度、不同施压方式下电缆绝缘稳态和暂态电场的影响规律。仿真结果发现:当绝缘材料非线性属性确定,绝缘内温度梯度越高,稳态时电场分布翻转现象越严重;电压反转过程暂态电场最大值与电压极性反转时间密切相关,反转时间越短暂态最大电场越高,且暂态最大电场的位置越靠近导体屏蔽。仿真结果同时表明:降低材料电导活化能和提高材料电导率对电场依赖性有利于在温度梯度下对电缆绝缘稳态和暂态电场分布的控制。根据仿真研究结果,建议在HVDC电缆料研发时应采取有效的调控手段降低材料电导活化能和提高场致增强型电导的场强依赖系数;而在HVDC电缆设计时,要特别关注温度梯度效应和极性反转过程中的暂态电场分布问题。     

基于有限元法对±320 kV直流XLPE电缆中间接头电场与空间电荷的仿真计算

电场、温度场及空间电荷分布是高压直流(HVDC)交联聚乙烯(XLPE)电缆中间接头设计优化的重要参数。为此,利用COMSOL仿真软件计算了组合预制式、整体预制式2种电缆中间接头的电场分布、温度场分布、以及空间电荷分布,并分析了不同类型电缆中间接头各自的特点,提出了选型建议;针对2种类型的电缆中间接头,研究了材料参数、结构尺寸等因素对其性能的影响。结果表明:相较于整体预制式电缆中间接头,组合预制式电缆中间接头拥有更好的应用前景;通过对材料参数以及尺寸的研究发现,当使用硅橡胶(SR)作为电缆附件主要绝缘材料且硅橡胶电导率与电缆本体绝缘XLPE电导率的比值k约为10时,绝缘界面上的电场、温度场和空间电荷分布最优;优化应力锥曲线曲率半径、压接管厚度、内屏蔽层厚度等尺寸均能改善电场分布,且尺寸变化所达到的优化效果不如材料改性的优化效果显著,但却更具针对性。因此高压直流电缆中间接头的设计应以材料研制为主,以尺寸修正为辅。     

直流叠加冲击电压下HVDC电缆暂态电场分布特性研究

运行中的HVDC电缆除了承受正常工作电压作用外,同时可能承受雷电和操作冲击电压的作用,因此在进行电缆绝缘结构设计时既要考虑稳态直流电场分布又要考虑冲击电压下暂态电场分布。由于HVDC电缆绝缘的电导率是电场及温度的函数,使得HVDC电缆在遭受雷电、操作冲击电压冲击时暂态电场分布更为复杂。为此,该文采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics仿真研究了温度梯度、施压方式以及绝缘材料非线性电导属性对直流叠加冲击电压下电缆绝缘中暂态电场的影响规律。研究结果表明:直流叠加冲击电压时,暂态最大场强始终出现在电缆绝缘内屏蔽表面;当电缆结构、绝缘材料非线性属性和外加冲击电压幅值确定时,随绝缘内温度梯度的提高,直流叠加同极性冲击电压时暂态最大场强减小,而叠加反极性冲击电压时暂态最大场强却逐渐增大;降低材料电导活化能和提高电场依赖系数可有效改善暂态电场分布,降低暂态最大电场波的幅值并缩短波头和波尾时间。     

暂态负荷下高压直流海底电缆热传递过程

高压直流（HVDC）交联聚乙烯（XLPE）绝缘海底电缆是实现长距离和大容量电能输送的重要设备。HVDC海底电缆负荷影响温度分布,而温度对HVDC XLPE绝缘电导率和电场强度分布特性有重要影响。相对于稳态负荷条件,暂态负荷条件下HVDC海底电缆热传递过程更加复杂。为研究暂态负荷下HVDC海底电缆热传递过程,建立热学有限元模型,仿真分析HVDC海底电缆由零负荷向满负荷再向零负荷转变过程的热传递过程,并组建试验平台开展对比研究。研究结果表明：仿真计算结果和试验测试结果吻合度高,仿真模型适用于描述暂态负荷下HVDC海底电缆热传递过程;通过构建导体温度暂态分量和稳态分量,可以实现良好的导体温度热传递过程趋势拟合,拟合方法有利于指导HVDC海底电缆温度趋势预测和现场运行维护工作。     

暂态负荷下高压直流海底电缆热传递过程

高压直流（HVDC）交联聚乙烯（XLPE）绝缘海底电缆是实现长距离和大容量电能输送的重要设备。HVDC海底电缆负荷影响温度分布,而温度对HVDC XLPE绝缘电导率和电场强度分布特性有重要影响。相对于稳态负荷条件,暂态负荷条件下HVDC海底电缆热传递过程更加复杂。为研究暂态负荷下HVDC海底电缆热传递过程,建立热学有限元模型,仿真分析HVDC海底电缆由零负荷向满负荷再向零负荷转变过程的热传递过程,并组建试验平台开展对比研究。研究结果表明：仿真计算结果和试验测试结果吻合度高,仿真模型适用于描述暂态负荷下HVDC海底电缆热传递过程;通过构建导体温度暂态分量和稳态分量,可以实现良好的导体温度热传递过程趋势拟合,拟合方法有利于指导HVDC海底电缆温度趋势预测和现场运行维护工作。     

高压直流电缆接头稳态与暂态电场分布特征

为探索高压直流电缆接头内部电场分布规律,特别是增强绝缘非线性特征对电缆接头内部电场分布的影响,在制备纳米硅橡胶复合材料基础上,借助有限元仿真研究了高压直流电缆接头内部电场分布特征。通过对不同温度梯度、施加电压、极性反转时间及增强绝缘电导特征等因素下电场分布特征的研究,得出如下结论:电场强度最大值位置随温度梯度与施加电压的变化在应力锥根部与导体屏蔽管端部间转移。应力锥根部电场强度受接头绝缘材料热活化能、非线性相关系数的调控效应显著。在极性反转过程中,电缆绝缘与导体屏蔽管端部电场强度最大值与极性反转时间近似为指数函数关系;然而,应力锥根部电场强度最大值不受影响。在正极性雷电脉冲下,应力锥根部电场强度最大值随热活化能的减小或非线性相关系数的增大而减小;在负极性雷电脉冲作用下,应力锥根部电场强度最大值随热活化能的减小或非线性相关系数的增大而增加。