柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计

重点探讨了柔性直流电缆绝缘料及电缆的结构设计。分析指出,空间电荷问题是柔性直流电缆绝缘急需解决的难题,电缆绝缘空间电荷测量装置的研制及空间电荷陷阱能量分布的测量均有助于空间电荷问题的研究。添加纳米填料抑制交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中空间电荷时,可以通过表面物理或化学修饰等改性手段解决纳米粒子与XLPE的相容性问题。文中指出,柔性直流XLPE电缆绝缘中电场分布与体积电阻率呈正比分布,而电阻率取决于温度和场强。由于受到空间电荷的影响,运行中柔性直流电缆经受的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键因素。最后,提出了开发高载流90℃工作温度绝缘料,并设计出绿色环保的高压、超高压陆地和海底电缆结构。     

我国发展直流海底电力电缆的前景

例举世界重要的海底电缆工程,表明其中大部分为直流海底电缆工程。叙述直流输电特点,着重以不同类型的直流和交流海缆载流量计算,证明直流海底电缆在输电容量、输电损耗和电缆线路长度限制方面显著优于交流海底电缆。肯定了我国发展直流海底电缆的必要性。有些运行条件下直流海底电缆会是优先的方案,甚至是唯一的选择。提出以发展直流交联聚乙烯(XLPE)海底电缆作为主要目标,并在比较不同类型海缆绝缘中的空间电荷对电场分布和电气绝缘性能影响和深入研究空间电荷积聚、抑制和移去机理基础上,积极研发抑制空间电荷积聚的XLPE绝缘料,作为关键技术突破,用于开发直流XLPE绝缘海底电缆,推进我国直流海底电力电缆的技术发展。     

热老化对交流配电XLPE电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响

为了研究热老化对交流配电交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响,先对已运行两年的10kV交流XLPE电缆样段进行135℃加速热老化试验,随后采用车床和特质刀具将电缆样段沿轴向环切得到薄片试样,通过直流电导率、空间电荷测量、表面电位衰减和直流击穿测试,结合载流子迁移率、活化能和陷阱参数的计算,对老化前后交流配电XLPE电缆的直流绝缘性能进行研究.结果 表明:随着老化时间的增加,交流XLPE电缆绝缘试样的直流电导率和载流子迁移率先下降后上升,长期老化后空间电荷积累阈值场强与试样的活化能明显减小,试样的直流电导率随着测量温度的升高而增加,其空间电荷积累阈值场强随着测量温度的升高而减小;随着老化时间的增加,试样中积累的空间电荷由异极性转变为同极性,深陷阱数量与直流击穿场强均呈现先上升后下降的趋势;分析认为短期热老化有利于提高交流配电XLPE电缆改为直流运行后的直流绝缘性能.     

直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法综述

交联聚乙烯(XLPE)因其优异的介电、理化性能而被广泛应用于电缆绝缘领域。在电缆的服役过程中,电缆绝缘内部会积聚空间电荷,严重时可引发电场畸变,导致电缆击穿事故发生。对于直流XLPE电缆,空间电荷的积聚及影响更加不容忽视。针对直流XLPE电缆绝缘中产生的空间电荷积聚效应,目前学界主要采用共混改性、聚合物链段接枝极性基团、纳米掺杂改性及制备高纯净绝缘料等方法来进行控制,改性后的直流XLPE电缆绝缘对空间电荷产生的抑制效果均有所提升。文中首先对上述直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法进行综述,介绍其抑制原理以及相应的抑制效果,然后对比总结不同抑制空间电荷方法的优缺点,最后对未来直流XLPE电缆绝缘中空间电荷抑制方法的研究发展作出展望。     

挤包绝缘高压直流电缆应用现状与研究展望

挤包绝缘高压直流电缆已成为远距离、大容量输电线路建设的主要装备之一,现阶段广泛应用的挤包绝缘直流电缆以交联聚乙烯(XLPE)绝缘为主.针对XLPE绝缘高压直流电缆研发和应用中的绝缘空间电荷特性、副产物脱气等主要问题进行全面综述,指出在工业化生产方式下,超纯净体系XLPE绝缘材料是目前用来缓解空间电荷问题和实现电缆批量化...     

高载流量柔性直流电缆绝缘料关键性能研究

为实现高压柔性直流电缆绝缘材料国产化,文中通过添加纳米粒子方法制备了高载流量(工作温度90℃)柔性直流电缆绝缘料试样,开展了空间电荷、电阻率、直流击穿电场强度等关键电气性能指标的试验研究,并与高压交流电缆绝缘料和国外柔直电缆绝缘料这2种材料的相应试验结果进行了对比分析。结果表明,该柔直电缆绝缘料在常温(20℃)和高温(90℃)下具有良好的空间电荷抑制性能,电场畸变率小于5%;与其他2种材料相比,该绝缘料在高温下的电阻率增加约10倍、电阻率温度系数下降约1/3,能够降低柔直电缆的热损耗并有利于整个柔直电缆系统的绝缘设计;该绝缘料在高温下的直流击穿电场强度为其他2种材料的1.27～1.6倍。研究表明,该柔直电缆绝缘料电气性能优异,能够用于工作温度90℃的柔直电缆绝缘。     

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。     

高压直流塑料电缆绝缘用纳米改性交联聚乙烯中的空间电荷特性

为发展国产高压直流(HVDC)塑料电缆绝缘材料,削弱直流电缆运行中温度梯度效应对电缆绝缘中电场强度的畸变,针对国产纯交联聚乙烯(XLPE)、自行研发的纳米改性XLPE以及从国外进口的高压直流用XLPE等3种材料的试样进行了研究。利用电声脉冲(PEA)法和电阻率测量系统,测量了3种XLPE试样在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下的空间电荷特性和电阻率特性。研究结果表明:在室温、高温及温度梯度等3种温度条件下,纳米改性XLPE试样在加压过程中的体内积聚电荷量最少、短路后残余电荷量较少;随着温度升高,3种XLPE试样的体积电阻率均呈下降趋势,但自行研发的纳米改性XLPE试样的体积电阻率在测试的高低温范围内始终最高,且比纯XLPE试样高出约1个数量级。因此认为在所测试的3种XLPE试样中,自行研发的纳米改性XLPE材料在测试温度范围内能最好地抑制空间电荷,拥有最高的体积电阻率。     

直流电缆屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响

随着交联聚乙烯（XLPE）绝缘直流电缆电压等级的提高,对半导电屏蔽料的质量及可靠性的要求也越来越高。选用了2种国外高电压等级用直流半导电屏蔽料、一种国产较为优秀的半导电屏蔽料和国内XLPE直流电缆绝缘料作为试验材料,测试了3种屏蔽料的热、电性能,屏蔽与绝缘的复合性能,研究了3种屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响。通过对试验结果的综合分析,提出了炭黑填充量、炭黑粒径和基体树脂以及界面结合情况是影响半导电屏蔽料体积电阻率和空间电荷注入的关键因素。     

电压稳定剂及其含量对高压直流用500kV XLPE电缆材料绝缘性能的影响

该文研究了4-正丙基苯甲酸电压稳定剂及其含量对高压直流用500kV交联聚乙烯（XLPE）电缆材料绝缘性能的影响。采用500kV XLPE直流电缆料,通过溶液共混法和热压法制备电压稳定剂含量分别为0%、1%、3%和5%的XLPE试样,对试样进行了空间电荷、直流电导率、直流击穿、介电性能、机械性能和差示扫描量热实验。结果表明：添加4-正丙基苯甲酸电压稳定剂可以有效抑制XLPE试样中空间电荷的积累,减小材料的直流电导率并提高其绝缘寿命指数,且电压稳定剂含量为1%时XLPE试样的直流击穿场强和寿命指数最大;随着电压稳定剂含量的增加,试样的直流击穿场强先增大后减小,相对介电常数和介质损耗逐渐增加,且频率对材料相对介电常数作用更加明显;试样的机械性能和结晶度呈现出相反的变化趋势。量子化学计算表明,电压稳定剂具有正电子亲和能和较窄的分子带隙,电压稳定剂分子极性较大,添加后有利于在试样内部引入陷阱,从而有效提升了电缆绝缘材料的电气性能。     

交/直流电缆电场对绝缘及运行特性的影响

以交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆为例,分析了绝缘介质微观结构对载流子在不同电场下运动规律的不同影响,讨论了交/直流电缆绝缘介质中的电场分配机制,在综合考虑微观载流子与陷阱的耦合机制中,进一步讨论了影响绝缘稳定性与电缆运行稳定性的主要因素。基于此,总结了交/直流电缆绝缘及其运行特性的主要区别,结果表明：电缆绝缘介质微观载流子在工频交流电场和稳恒电场下的不同响应,决定了交/直流电缆绝缘特性和运行特性的显著差异,空间电荷是影响直流电缆绝缘特性的主要因素,而局部放电是交流电缆绝缘老化的主要影响因素。该研究为交/直流电缆绝缘在结构设计中的不同技术考量以及电缆的运行维护等提供了理论依据。     

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。     

基于电—热场耦合分析的高压大容量直流XLPE海缆绝缘结构研究北大核心CSCD

随着交联聚乙烯直流海缆向着高电压、大容量的方向发展,其在工程应用中也遇到了温度和电场两方面的挑战。文中结合±160 kV XLPE直流海缆建立了XLPE海缆的电场仿真模型和热路模型,对更高电压等级的XLPE直流海缆的结构特点进行了探讨。通过仿真发现,直流海缆绝缘层的厚度同时影响海缆的温度和场强分布,在对高电压、大容量海缆设计时需要综合考虑绝缘材料能承受的最大场强和最高温度,选取合适的绝缘层厚度。同时,通过仿真对比铜、铝导体电缆对电场、温度的影响发现,铜导体电缆运行温度较低,有利于电缆稳定运行,而铝导体海缆虽然体积更大,但其重量小,更有利于安装敷设。     

交流XLPE电缆改为双极式直流运行的电压等级设计

对交流交联聚乙烯(XLPE)电缆配电线路进行直流改造后,确定合理的直流运行电压等级对改造后电缆的安全稳定运行及系统供电能力的提高具有重要意义。针对改为双极式直流运行的10kV和35kV交流配网中的典型XLPE电缆,通过有限元分析软件ANSYS对其在直流稳态工作电压及暂态冲击电压下的电场强度最大值及分布情况进行仿真分析。仿真结果表明,为避免空间电荷效应引起绝缘击穿,10kV和35kV交流XLPE电缆改为双极式直流运行后的电压等级分别取±10kV和±20kV为宜,可为相关工程提供一定参考。     

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。     

10 kV交流XLPE电缆加速热老化后交直流绝缘特性分析

通过对比110℃加速热老化后10 kV交流交联聚乙烯电缆试样交直流绝缘特性的差异,采用不同温度下宽频介电谱、交直流击穿、直流电导率和空间电荷测试,结合有限元仿真,研究了不同热老化时间作用下10 kV交流XLPE电缆绝缘的交、直流电气特性,以及改为直流运行后电缆绝缘的电场分布。结果表明：随着热老化时间的延长,XLPE试样的复介电常数实部先增加后增速减慢,高频区介质损耗逐渐增加;试样的电流密度先减小后增加,空间电荷积累阈值场强则呈相反变化趋势,且试样内的空间电荷积累逐步由异极性转变为同极性。随着测试温度的增加,同一老化时间下XLPE试样的介电常数实部减小,介质损耗增加;试样的电流密度增加,阈值场强减小,试样内部空间电荷积累量有所增加,交直流击穿场强下降。直流电压下,绝缘层在靠近缆芯处电场高,电场差值随绝缘试样活化能的减小而增加。长期热老化后,电缆绝缘层的直流电场分布更均匀,且空间电荷积聚问题得到改善,有利于提升10 kV交流电缆改为直流运行的可靠性。     

电压稳定剂对交联聚乙烯直流绝缘性能的影响

电压稳定剂多用于交流电缆用交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘材料,尚未有研究系统探索电压稳定剂在直流电缆XLPE绝缘中应用的可行性。为了研究电压稳定剂对XLPE直流绝缘性能的影响,选取一种可接枝的芳香酮化合物(aromatic ketone compound,AKVS)作为电压稳定剂。通过熔融共混和热交联方法制备含有AKVS和抗氧剂的XLPE-A试样,以仅含抗氧剂的XLPE试样为参照,测试电压稳定剂对XLPE红外吸收光谱特性,以及不同温度下的直流击穿强度、电导特性和空间电荷积累特性的影响。实验结果表明:AKVS分子在热交联过程中能通过其乙烯基上的化学反应接枝到XLPE分子上;含有AKVS的试样不同温度下的直流击穿强度均得到大幅度提高;AKVS使XLPE电导率的温度依赖性略有增大,但对直流电缆绝缘层电场分布的负面影响并不明显;含有AKVS的试样空间电荷的分布相对更均匀、积累量相对减小,电荷消散速度相对更快。该文提出一种将电压稳定剂应用于直流电缆XLPE绝缘的方法,可以作为其他改性方法的有益补充。     

高压直流电缆绝缘特点与设计

由于直流电缆的特性,尤其是绝缘的电阻系数与温度的特性关系、绝缘中空间电荷等问题,使直流电力电缆的发展远远滞后于交流电缆。从直流电缆绝缘特点出发,分析了直流电缆在无负载或较小负载情况下的电场分布,并以油浸纸绝缘充油电缆为例来探讨高压直流电缆的结构设计,为如何选择合理的直流电缆结构尺寸提供参考。     

聚乙烯绝缘中空间电荷的抑制方法及原理

随着我国经济的高速发展,研制高压直流XLPE电力电缆已提到日程,目前迫切的任务是研发直流XLPE电缆料,研发的关键在于消除或抑制XLPE中的空间电荷.文中在介绍国内外抑制聚乙烯绝缘中空间电荷方法的基础上,讨论抑制空间电荷的原理.