交流电压下基于空间电荷效应的XLPE电缆绝缘老化研究现状

交联聚乙烯(XLPE)电缆以其优良的机械和电气性能广泛应用于现代电力系统。研究表明,在直流电压作用下绝缘中容易形成空间电荷,导致电场畸变,加速绝缘老化。国内外很少关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的研究。本文综述了交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘老化的影响及其作用机理,并介绍了交流电压下测量空间电荷分布的改进的电声脉冲法。结果表明,交流电压下,空间电荷分布特性影响XLPE电缆绝缘老化。     

交流XLPE电缆改为直流运行时空间电荷积累特性仿真

将交流电缆线路改为直流运行可以充分利用原有输电线路走廊,最大限度地发挥原有输电线路的输送能力。为研究交流交链聚乙烯(XLPE)电缆在直流电压下的电场分布和空间电荷积累特性,应用COMSOL多物理场仿真软件,模拟了温差为25℃及45℃时电缆绝缘层中的温度场,并基于绝缘试片电导率数学模型,研究了66 kV电压等级交流XLPE电缆在直流电压下的电场分布和空间电荷积累特性。计算结果表明:电缆绝缘层的电场分布和空间电荷积累特性会明显受到温差的影响,当温差为45℃、加压时间为8 h时,低温侧空间电荷密度达0.15C/m~3,此时电场分布发生翻转现象,绝缘层外侧电场强度最大值为6.71 MV/m,该数值低于66 kV电压等级交流电缆绝缘层的电场强度设计值。仿真结果为66 kV电压等级电缆线路的交改直运行奠定了基础。     

PWP法柔性直流电缆空间电荷特性研究

为探究柔性直流电缆的空间电荷特性,采用压力波(PWP)法模型电缆空间电荷测试系统,研究了30 k V柔性直流电缆在电场为-10、-15和-20 k V/mm,导体温度为30、50和70℃,以及在电场13.9 k V/mm下热循环过程中的空间电荷分布。结果表明:在试验外加电场下,当电缆导体温度为30℃时,电缆绝缘层中几乎没有空间电荷积聚;当导体温度升高到50℃和70℃时,绝缘层两侧出现异极性空间电荷积聚,空间电荷密度随着导体温度和电场的升高而增大,且绝缘层外侧的空间电荷积累量大于绝缘层内侧;在电场为13.9 k V/mm的热循环过程中,柔直电缆绝缘层在加热阶段积聚的空间电荷在降温阶段不易消散。     

典型缺陷的直流局部放电波形测量与特性分析

为深入了解直流局部放电特性,在直流下分别测量了气隙、表面和电晕放电模型的局部放电,比较3种模型的放电脉冲波形和直流电压施加不同阶段的放电情况,并从放电机理角度分析了直流电压施加不同阶段局部放电特性的差异。结果表明,3种放电模型的直流局部放电能量分布频段多<10 MHz,放电脉冲波形与频谱分析图存在区别,可以此分辨3种放电类型。气隙放电模型在直流电压移除后,因空间电荷作用,绝缘介质中存在较强的内电场会引起较多的反极性放电;而表面放电模型与电晕放电模型在直流电压移除后无此现象。     

交联聚乙烯电缆中空间电荷的研究现状

在电力系统中,交联聚乙烯绝缘因其优良的介电和耐热性能已被广泛应用于高压和超高压塑料绝缘电力电缆中。但在直流电场作用下,绝缘中容易形成空间电荷,空间电荷会使电场分布发生畸变,加速了绝缘老化,降低电缆使用寿命。总结了空间电荷在聚合物特别是聚乙烯电缆绝缘材料老化中的研究现状,概述了近20 a国内外在聚乙烯材料中抑制同极性和异极性空间电荷产生的方法,最后从工程实际应用出发,简要介绍了从空间电荷角度诊断交联聚乙烯电缆中电介质老化的方法及现状。     

交联聚乙烯挤出绝缘高压直流电缆全工况运行考核及温度梯度下空间电荷测量

为深入研究分析不同运行负荷条件下交联聚乙烯(XLPE)挤出绝缘高压直流电缆绝缘层温度梯度对空间电荷和电场分布的影响,综述了现有直流电缆试验标准及评估方法,并介绍了高压直流电缆全工况运行考核控制系统和全尺寸电缆空间电荷测量系统的研制过程,以及均匀温度和不同绝缘层温差条件下某高压直流电缆及附件样品考核试验和空间电荷测量结果。该系统电缆绝缘层内外最大试验温度差为40℃,可以实现对绝缘厚度达16 mm的高压直流电缆在运行工况下进行空间电荷测量。在控制绝缘层温度梯度条件下,靠近温度较低的外半导电层处异性电荷聚集明显,且随绝缘层温差增大电荷密度大幅增加,低温区界面电场畸变严重。在绝缘层温度差为40℃时,低温区界面场强达到均匀温度条件下平均场强的1倍。     

温度梯度对直流电压极性反转过程中瞬态电场的影响

高压电缆运行中由于导体发热而引起绝缘由内到外形成温度梯度。直流电压下温度梯度的存在必然会影响电荷的注入和迁移、加剧了位于绝缘层外表面的电荷积聚和场强畸变,降低绝缘击穿强度,也造成了电缆在断电或电压极性反转时的早期破坏。为此,基于电声脉冲(PEA)法,测量了聚乙烯板状试样在不同温度梯度场、50kV/mm直流电场协同作用下加压和极性反转过程中的空间电荷分布和最大瞬态场强。结果表明:温度梯度场-直流电场协同作用下,最大稳态电场出现在试样低温侧;而温度梯度场-电压极性反转协同作用下,最大瞬态电场却出现在高温侧。     

直流耐压试验对交联聚乙烯电缆绝缘的危害性

聚合物绝缘介质中存在着大量的电荷陷阱，在直流电场的作用下，电荷的注入或添加剂的电离化，在绝缘中形成了严重的空间电荷效应。通过试样击穿的极性效应、ＸＬＰＥ电缆绝缘中空间电荷分布的测量，阐明空间电荷对电场的畸变，畸变可使绝缘中的最大电场强度达到击穿强度。通过聚乙烯的直流击穿电场强度和预压短路击穿电场强度的比较，说明短路放电也可以引起电缆绝缘的击穿或损伤。     

XLPE电缆水树的影响因素及防范措施

针对交联聚乙烯电缆的绝缘层在潮湿和电场的同时作用下会产生水树老化的问题,分析水树形成的机理和影响因素,并提出应采取的防范措施,认为开发和使用TR-XLPE绝缘电缆是今后电缆行业的主要发展方向.     

上海南汇风电场柔性直流输电示范工程研究

上海南汇风电场柔性直流输电示范工程是国内首条采用柔性直流输电电缆的工程。针对这些电缆,通过脉冲电声测试方法得到了空间电荷的分布规律,在温控电极系统中研究了不同温度和电场下绝缘材料电导率的变化规律,进而计算得到了电缆绝缘层的电场分布。介绍了直流电缆敷设时为消除与附近交流电缆的感性耦合影响所需采取的相应措施以及电缆附件安装关键工艺等。研究结果表明:进行电缆附件设计时需重点考虑电缆绝缘层与附件绝缘层交界面上累积空间电荷的影响;且2种绝缘材料的电导率与介电常数之比越接近,则界面电荷越少。     

高压直流挤包绝缘海陆复合电缆温度场及空间电荷分析

高压直流电缆运行过程中会在绝缘层内产生空间电荷,导致电场畸变,甚至绝缘击穿。为了研究电缆实际运行中空间电荷的影响,本研究利用有限元仿真获得了高压直流海陆复合电缆在额定电流、最大稳态电流和短时过载电流情况下的温度场。根据仿真结果,在空间电荷测试中分别设置10、20、40℃的温度差,分别模拟400kV高压直流电缆在不同工作...     

温度对交联聚乙烯中的空间电荷积累以及迁移的影响

高温高场的运行环境会影响高压直流电缆绝缘层中杂质的解离、电荷的注入和迁移过程,为了研究温度和外施电场对交联聚乙烯空间电荷行为的影响,测量了最高温度为80℃,最高场强为90k V/mm的交联聚乙烯片状试样的空间电荷分布特性。研究表明:外施电场越强,电荷注入越多;温度越高,电荷的迁移率也越高,80℃时的迁移率比20℃的迁移率大一个数量级;20℃时出现了明显的空间电荷包现象,绝缘层中空间电荷积累较多,随着温度的升高空间电荷包现象消失,绝缘层中空间电荷积累减少。这说明温度对空间电荷迁移的促进作用比空间电荷注入和杂质解离的促进作用更强,使得高温下空间电荷包难以形成,且难以在绝缘层中积累过多的空间电荷。     

交流电场下XLPE绝缘空间电荷研究综述

XLPE电缆目前广泛地应用于电力系统中,如何评估和预测现场运行电缆的老化及早期劣化的程度,是电缆绝缘状态评估的重要内容,然而这项研究在国内仍是空白。XLPE电缆的制造工艺过程、运行中的过电压和温升以及耐压试验过程都可能造成XLPE电缆绝缘特性的改变,导致绝缘性能下降,形成陷阱,特别是空间电荷的形成,畸变原有电场分布,直接影响XLPE电缆的绝缘特性。大量研究表明,在直流电场下空间电荷危害XLPE电缆绝缘,关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的探索较少。综述了交流电场下空间电荷效应对XLPE电缆绝缘影响的相关研究成果,并介绍了测量固体介质空间电荷分布的电声脉冲法,为从空间电荷测量角度研究XLPE电缆绝缘老化程度和状态评估提供了参考。     

用于抑制界面空间电荷的直流电缆附件设计

空间电荷积聚在电缆附件绝缘界面上会引起局部电场发生畸变,已成为直流电缆附件发展的主要制约因素。为此,提出了一种新的直流电缆附件设计理念,采用与电缆绝缘相似的交联聚乙烯材料模注在电缆绝缘层上制作成应力锥和附件的增强绝缘层,使得直流电缆附件的增强绝缘层与电缆绝缘层在交界面处融成一体,一定程度上消除了界面,进而从根本上改善了原界面上空间电荷的积聚情况。依据该设计理念研发的±200 k V直流无界面电力电缆附件已经按照国际大电网会议CIGRE TB 496推荐的试验方法通过型式试验,验证了该设计理念的正确性。     

模型电缆空间电荷测试方法研究

介绍了直流电场下电缆绝缘的电场分布,阐述了模型电缆空间电荷测试的重要意义。分析了PEA法和PWP法空间电荷测试方法原理,在此基础上对PEA法模型电缆空间电荷测试方法存在的问题进行分析,并探讨了PWP法模型电缆空间电荷测试方法的优越性。     

杂质浓度梯度下XLPE空间电荷与电场分布特性仿真研究

交联副产物等杂质解离易引起异极性空间电荷的积累，导致局部场强畸变。同时，交联聚乙烯（XLPE）直流电缆脱气处理后交联副产物杂质会在绝缘层中形成“内高外低”的浓度梯度分布，而杂质浓度梯度对空间电荷的影响尚不清晰。为此基于双极性电荷输运模型，引入杂质浓度梯度并考虑杂质离子对载流子的散射作用，仿真计算交联副产物杂质均匀分布与梯度分布对XLPE空间电荷与电场分布的影响，并分析影响杂质梯度效应的各种因素。结果表明：杂质梯度分布下XLPE空间电荷和电场分布表现出明显的杂质梯度效应，即低浓度侧异极性电荷积聚增多，导致其附近电场增强；而杂质解离势垒和杂质分布浓度是影响杂质梯度效应的主要原因，在杂质浓度梯度一定时，活化能越低，温度越高，解离势垒越低，载流子的迁移率相应降低，导致杂质梯度效应越明显；绝缘层厚度越大，杂质分布浓度越高，杂质梯度效应也越明显。     

高压直流XLPE绝缘电缆载流量的数值算法及特性分析

载流量是电缆传输能力的重要指标，直接影响高压直流电缆的运行可靠性和经济性。根据直流电缆绝缘层中电场分布的特点，提出了基于等效电导率的绝缘层内外侧电场分布的解析计算方法，并以±535 kV交联聚乙烯绝缘直流电缆为例，同时考虑电缆导体最高运行温度和绝缘层最大允许温差，得到不同运行工况下高压直流电缆的负载控制域。结果表明：电-热场解耦方法能有效分析直流电缆的载流量和应用特性，其中绝缘层最大温差是限制临界环境温度以下直流电缆载流量的核心因素，在此临界环境温度下，提升导体最高运行温度对载流量影响有限，而优化绝缘材料耐电性能和电缆结构才是提升载流量的关键。     

温度梯度场下同轴电缆中空间电荷测量波形的算法矫正

直流电场下电缆绝缘中的空间电荷积聚效应导致绝缘内电场严重畸变,直接影响电缆长期运行可靠性,因此对全尺寸长电缆空间电荷特性的实时测量显得尤为重要。然而,由于高压直流电缆运行时,内导体的发热会导致电缆绝缘中温度梯度效应,电缆绝缘材料密度变得不均匀。此外,电缆的同轴结构也会导致测量波形畸变。该文首先设计了一种改进的脉冲注入方式和波形信号检出的温度梯度下同轴电缆空间电荷测量装置;然后针对同轴电缆下电场分布的不均匀性和声波传播的发散性,对测量电荷波形进行了恢复;最后通过在声波传递方程虚部中引入二次项近似的方法,有效实现对声波衰减和时域平移现象的矫正。利用此算法,成功实现了温度梯度下同轴电缆的空间电荷测量波形的矫正。     

非线性屏障层对HVDC电缆电场分布的影响

电缆绝缘中的电场分布是决定高压直流电缆输电线路长期可靠运行的主要因素,非线性材料能够在电场不均匀的情况下自行均化电场的分布,对电树枝的生长和空间电荷的产生起到明显的抑制作用。为此,尝试将非线性材料作为屏障层置于电缆屏蔽层与绝缘层之间,并采用多物理场耦合软件建立仿真模型,分别在不同温度梯度下研究屏障层结构对高压直流(HVDC)电缆绝缘中暂态和稳态电场分布、空间电荷的影响。仿真结果发现:与无屏障层相比,添加非线性屏障层的电缆绝缘中稳态及暂态电场强度最大值均有所降低,即屏障层结构能够抑制绝缘中空间电荷的注入,改善电场分布;屏障层越厚,绝缘中空间电荷越少,电场强度最大值越小,但界面电荷会有所增加。从上述结果可以看出:屏障层可均化电缆绝缘中的电场分布,但同时会引起界面电荷的积聚。因此在开发具有非线性屏障层结构的HVDC电缆时,屏障层厚度的选择应综合考虑界面电荷积聚和电场分布,从而达到改善电缆绝缘性能的目的。     

高压直流交联聚乙烯电缆应用与研究进展

近20年来,交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆因其重量轻、工作温度高、输送功率大等优点而在高压直流(HVDC)输电工程中得到广泛应用与发展。直流电缆及其附件绝缘长期处于直流电场作用下,存在严重的空间电荷积聚问题。为此,综合国内外研究论述了极性反转电压和温度梯度场对直流电缆绝缘介质空间电荷特性的影响规律,分析了直流电缆附件双层介质界面电荷的分布规律及抑制方法,最后展望了免交联绝缘直流电缆的发展趋势。研究结果表明:极性反转后的外施电场与空间电荷感应电场发生叠加,加剧了绝缘介质内部电场畸变;温度梯度场加速了高温侧空间电荷的注入和输运过程,导致空间电荷在绝缘介质低温侧积聚;电缆主绝缘与附件增强绝缘间的电导不连续性导致其界面处产生电荷积聚,而通过在主绝缘与增强绝缘间增加非线性控制层可以有效抑制界面电荷;热塑性电缆绝缘材料具有免交联和可回收的优点,是未来直流电缆绝缘的发展方向之一。这些研究结果的总结和概述可以为解决直流电缆及其附件绝缘的空间电荷积聚问题提供参考。