基于外半导电层注入的全尺寸电缆用脉冲电声法空间电荷测量技术

高压交联聚乙烯电缆是直流输电的关键装备,但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。基于脉冲电声(PEA)法空间电荷测量技术,根据待测电缆绝缘厚度,合理选择脉冲宽度幅值及压电传感器厚度;采用电缆外半导电层注入脉冲技术实现了高电压、长电缆下空间电荷的测量;同时分析了同轴电缆中的声波传输特点及波形矫正方法。结果表明:半导电层注入脉冲方式是测量高电压、长电缆下空间电荷特性最简单有效的办法,但脉冲沿外半导电层的分压作用会导致脉冲幅值衰减;测量系统的精度和分辨率可通过合理选择脉冲宽度幅值及压电传感器厚度而实现;另外,该系统中采用示波器对地隔离,电脑与示波器间引入数字光纤隔离技术,有效避免了传统模拟光纤对测量波形频带的限制。     

温度梯度下XLPE同轴和平板结构试样空间电荷行为对比性研究

直流电场下,电缆绝缘中的温度梯度效应导致绝缘材料空间电荷行为复杂,影响电缆系统长期运行的可靠性.目前,温度梯度下电缆绝缘空间电荷特性的研究多集中于平板结构的切片试样,但平板结构切片试样的空间电荷测量能否反映真实电缆绝缘中的空间电荷特性尚缺乏有力证明.该研究测量并分析了温度梯度场下2种不同结构(同轴结构、平板结构)10 kV交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)试样的空间电荷演变特性以及电场分布行为,基于去压状态下的空间电荷行为,计算了XLPE同轴电缆和切片试样的载流子迁移率以及陷阱深度分布,并对2种结构XLPE试样的空间电荷行为和电荷特性参数进行了对比性研究.该研究结果表明同轴结构和温度梯度效应均会加剧XLPE电缆外半导电层附近的空间电荷积聚,除了结构因素的影响,温度梯度场下XLPE同轴电缆和平板切片试样的空间电荷演变规律以及电荷特性参数均呈现出等效规律.     

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。     

空间电荷效应对直流电缆及附件绝缘界面电场分布的影响

电缆与附件(终端或接头)的绝缘界面一般为绝缘的薄弱环节,直流电压协同温度梯度效应将导致其界面间的空间电荷量增多。为此,基于直流电缆运行中的温度梯度效应,通过测量直流工作电场下硅橡胶(SR)/交联聚乙烯(XLPE)双层介质界面的空间电荷特性,建立了电缆接头套接电缆上的仿真模型,根据SR及XLPE的电阻率-温度特性及空间电荷测量结果,探讨了温度梯度场下空间电荷效应对直流电缆及附件界面电场的影响。研究发现:随着温度梯度(温差)的增加,电缆与附件界面的积聚电荷量增大。温度梯度效应有助于增加电缆与附件界面应力锥侧的电场强度;存在空间电荷效应时,温度梯度场下电缆与附件界面应力锥侧的电场强度略有减小,同时高压屏蔽管侧的电场强度略有增加。     

高压直流系统电缆接头中空间电荷与电场分布的仿真计算

电缆接头复杂的结构与界面情况,使其成为电缆系统中的薄弱点,需要重点研究。但是由于空间电荷测量方法的局限性,只能获得简单结构(例如薄膜或同轴电缆试样)的空间电荷分布,而复杂绝缘结构中的空间电荷分布无法直接测量。利用COMSOL仿真软件,基于双极性载流子输运模型,建立三维电缆接头仿真模型,对其空间电荷与电场分布进行了仿真计算与分析研究。仿真结果显示,电缆接头中,空间电荷主要积聚在应力锥的根部和高压屏蔽的顶端,并导致这两处电场发生畸变,成为电缆接头中的薄弱点,而温度梯度的存在将加剧电场的畸变。与考虑电导率的传统方法相比,空间电荷仿真结果反映了由载流子注入、抽出和迁移所引起的电缆接头中的电场畸变,为电缆接头的设计与优化提供了参考。     

温度梯度场下电缆本体脉冲电声法空间电荷测量声波纠正

采用脉冲电声(PEA)法测量电力电缆本体空间电荷时会因电缆筒柱形结构和温度梯度场的作用而使PEA声波在电缆本体中的传播声速发生变化,导致空间电荷测量波形幅值的衰减和采样时间的变化。为此,首先研究了温度梯度场下交联聚乙烯(XLPE)电缆本体PEA测试信号的纠正问题。实验研究发现:PEA系统中声波沿XLPE电缆绝缘径向传至压电传感器时,不仅会受到与切片试样中相同的吸收衰减和散射衰减,而且会因电缆的圆柱型结构而导致声波辐射面扩大并发生扩散衰减,扩散衰减与声波所在位置的半径的平方根成反比;温度梯度场下声速沿电缆本体绝缘径向呈线性分布,且温度越高,声速就越低。然后将电缆本体中声波衰减因子离散成1个传递矩阵,针对试样处在常温和温度梯度场下的不同情况,分别在频域下获取了整个电缆本体绝缘中的空间电荷恢复方程;同时为解决不同温差下以时间为横坐标来比较空间电荷的位置分布的困难,采取将时间轴转换为对应的试样厚度方向的距离来进行比较。纠正结果表明该纠正方法是有效的。     

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。     

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。     

温度梯度场对高直流电压下聚乙烯中空间电荷及场强畸变的影响

高压电缆运行中由于导体发热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,同时引起绝缘电阻的梯度变化进而引起场强的梯度变化,加剧了位于绝缘层外表面的电荷积聚和场强畸变,降低了电缆的使用寿命.因此研究温度梯度场下直流绝缘中空间电荷分布及场强畸变特性,对新型直流电缆绝缘设计具有较高的理论和...     

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。     

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。     

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。     

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。     

交联聚乙烯绝缘电缆的直流耐压问题

我国对电缆交接和绝缘预防性试验,长期沿用直流耐压方法。如果对交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆也采用直流耐压方法,则因电缆在直流下的电场分布不同于实际应用的交流下电场分布,由于附件内电阻系数的不均匀性会导致 XLPE 电缆在直流下损坏;直流耐压试验难以检测附件中的某些缺陷;直流耐压试验中介质内的空间电荷会造成电缆损坏;直流耐压时,电缆及附件击穿或终端头外部闪络时,会损伤电缆绝缘。这都说明,对 XLPE 电缆不宜作直流耐压试验。附带介绍了目前国外的交接试验标准。     

界面电荷注入与积聚行为对直流GIS/GIL绝缘子沿面电场的影响分析

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metalenclosed transmission line,GIL)运行电流大,设备内部存在明显的温度梯度分布,造成高压电极附近电荷的注入与迁移加剧,导致绝缘子内空间及表面电荷的积聚,畸变电场,容易诱发沿面闪络故障。为此文中建立了电—热耦合应力下直流盆式绝缘子内的电荷注入与积聚模型,研究了考虑电荷注入和迁移特性的绝缘子空间电荷及表面电荷积聚情况,并分析了不同负载电流下绝缘子沿面电场分布规律。研究结果表明:温度梯度下,导体—绝缘界面电荷注入会造成绝缘子内部同极性空间电荷的积聚,并且空间电荷积聚密度会随着负载电流的增大而增大;空间电荷的积聚会减弱高压电极附近电场强度,增强绝缘子凸侧表面法向电场强度,加剧表面电荷的积聚;空间及表面电荷的积聚会使绝缘子表面电势上升,导致接地电极附近电势差增大,电场强度显著增大,地电极三结合点处的场强由空载条件下的1.71 kV/mm增长为额定电流作用下的3.47 kV/mm,增加了103%。该研究结果有助于理解温度梯度下直流绝缘子表面电场畸变机理,并对直流绝缘子的优化设计和安全运行有一定的参考价值。     

绝缘纸特性和极性反转对油纸绝缘空间电荷效应的影响

油纸绝缘系统的空间电荷效应将畸变绝缘介质内部的电场,进一步影响其老化和击穿等电气特性。在直流电场、复合电场及极性反转等复杂工况下,换流变压器内绝缘系统的空间电荷效应将更为突出。基于双极性电荷输运模型,通过数值模拟方法探究绝缘材料厚度、老化状态和极性反转等关键因素对空间电荷效应的影响。研究表明,绝缘纸厚度的变化不改变空间电荷密度曲线中正/负电荷区的极性偏移特性,但厚度变小缩短或消除了零电荷区;绝缘纸老化程度的加深,其电荷陷阱及深陷阱数目均会增多,这一方面加强了空间电荷效应的极性偏移,另一方面使得正电荷区呈变小趋势,从而使绝缘纸内电场畸变加剧;极性反转工况下,绝缘纸中陷阱电荷的脱陷或复合均需一定的时间滞后,使得净空间电荷密度曲线的负/正电荷区呈现初值不对称和沿介质厚度方向分布均不对称的特征,致使绝缘纸内部电场畸变愈发严重。研究结果可以为换流变压器油纸绝缘设计与防护提供参考。     

温度对直流电压下油纸绝缘空间电荷特性的影响

油纸绝缘是直流输电设备的主要绝缘材料,其空间电荷特性变化会引起局部电场发生畸变,从而影响材料的介电强度,降低直流输电设备的运行可靠性和稳定性.使用电声脉冲法( PEA)测量装置,分析油纸绝缘中空间电荷的注入、迁移、消散规律,搭建试验平台,通过升压试验获得试品空间电荷注入的参考电压,然后对试品加3 kV的直流电压,分别在15℃、30℃、50℃温度下对油纸介质的空间电荷的特性进行分析.试验结果证明:在不同条件下发生空间电荷的注入,温度会对去压时空间电荷的消散产生很大的影响;温度会影响油纸绝缘介质内电场的大小和分布,使空间电荷严重畸变电场,引起绝缘的进一步破坏.     

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。     

空间电荷效应下±1 000 kV直流穿墙套管电场计算

±1 000 k V直流穿墙套管是一个复杂的绝缘系统,在运行过程中空间电荷会导致绝缘介质内部的电场畸变,材料的绝缘极易破坏甚至击穿。利用有限元电场分析软件Elec Net搭建±1 000 k V直流穿墙套管的模型,对强场空间电荷效应下高压套管在直流、交流、极性反转等不同工况条件下的电场分布进行了仿真分析,为套管的设计研制提供参考依据。     

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...