极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明：由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。     

非线性电导涂层对直流GIL绝缘子空间/表面电荷和沿面电场的调控研究

空间/表面电荷积聚是导致直流GIL绝缘子沿面闪络电压降低的潜在原因,涂敷非线性电导涂层是提升沿面绝缘性能的有效方法。本文建立了电场依赖性非线性电导涂层对绝缘子空间/表面电荷及沿面电场调控的数学模型,综合考虑了绝缘气体电流密度以及绝缘子固体电导率与电场强度的非线性关系,通过该模型研究了温度梯度分布下绝缘子内部电荷的分布规律,以及非线性电导涂层对绝缘子表面电荷积聚的影响机制。结果表明：非线性电导涂层对空间电荷消散有明显的促进作用,高压电极附近的同极性电荷主导了表面电荷分布;由于表面电荷分布和切向电场的改善,绝缘子的沿面闪络性能得到提高;在绝缘子与涂层界面之间会积聚正电荷,并从高压电极向地电极逐步递减。     

直流电压下盆式绝缘子电荷积聚与电场过渡特性

直流电压作用时,气–固绝缘系统电场由容性分布逐渐向阻性分布过渡,该过程伴随着电荷的积聚与消散,可能会引起闪络电压降低,但其变化规律仍不够明确。综合考虑了固体侧体电荷电导、气体侧正负离子电导以及界面电荷电导,建立了气–固绝缘系统电荷积聚模型,通过支柱绝缘子模型表面电位分布的测量与仿真,实现了电荷积聚模型的验证。利用该模型计算分析了直流电压下盆式绝缘子在电场过渡过程中的电荷积聚规律,研究了体积电导率对电荷积聚的影响规律。结果表明:电场过渡过程中,盆体凸面主要积聚同极性电荷,其高压侧附近场强降低约9.4%,低压侧附近场强增大约23.5%;盆体凹面大部分区域主要积聚异极性电荷,场强增大约5.5%;当体积电导率在10~(-14)～10~(-17) S/m之间时,盆体凸面积聚同极性电荷,盆体凹面主要积聚异极性电荷,随着体积电导率进一步降低,盆体表面电荷积聚机制逐渐转为由气体侧电导主导,电场畸变进一步加剧。该研究可为直流盆式绝缘子的绝缘设计提供计算分析依据。     

表层非线性电导盆式绝缘子表面电荷分布与沿面放电特性

盆式绝缘子表面电荷积聚是影响直流气体绝缘输电管道(direct current gas insulated transmission line,DC-GIL)电场分布与沿面闪络的重要因素,因此探究绝缘子表面电荷积聚机理并提出调控方法,进而改善绝缘子沿面电场分布具有重要意义。该文搭建缩尺直流GIL绝缘子试验平台,研究不同Si C质量分数(23.1%、37.5%、47.4%)的非线性电导涂层对直流电压、金属微粒附着和极性反转工况下盆式绝缘子表面电荷分布与沿面闪络特性的影响规律。结果表明：环氧基Al₂O₃绝缘子的表面电荷极性取决于气固侧电流密度博弈结果,具有显著的场强依赖特性;非线性电导涂层可以自适应调控直流GIL绝缘子的表面电荷与沿面电场分布,显著提高不同工况下的沿面闪络电压。该文的研究结果为高可靠性直流GIL绝缘子的研发提供了一种潜在的解决方案。     

高压直流电缆附件XLPE/SIR材料特性及界面电荷积聚对电场分布的影响

双层绝缘介质界面电荷积聚是导致高压直流电缆附件界面放电的重要原因.该文测量分析交联聚乙烯(XLPE)和硅橡胶(SIR)两种介质的介电性能、电导特性和导热特性;通过建立高压直流附件电-热仿真模型,研究不同温度下XLPE/SIR界面电荷积聚特性及局部电场畸变引起的附件内部电场变化规律.实验结果表明,室温下SIR的电导率略高于XLPE材料,随着温度的升高,XLPE的电导率增加较为明显,而SIR的电导率增加则相对缓慢,高温下两种介质电导率不匹配是导致界面电荷积聚的重要原因.室温下XLPE/SIR界面积聚负电荷面密度约为3.42×10?4C/m2,这部分电荷会增强电缆主绝缘电场,削弱应力锥根部电场畸变,主绝缘电场增加约36％,应力锥根部电场畸变下降约62％.当温度超过约36℃时,XLPE/SIR界面开始积聚正电荷,随着温度的升高,开始出现极性反转现象,造成应力锥根部局部电场畸变加重,70℃时最大畸变电场达到12kV/mm.     

温度和正极性电压对直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚的影响

直流GIL盆式绝缘子表面电荷积聚是导致绝缘子沿面闪络电压降低的主要因素。为此基于不同温度和正极性电压研究了直流GIL盆式绝缘子的表面电荷积聚特性。在绝缘气体电流密度与场强、绝缘子固体电导率与温度的非线性关系基础上,建立了绝缘子表面电荷积聚时变数学模型;通过该模型研究了不同温度下盆式绝缘子表面电荷积聚特性,以及绝缘子表面电荷积聚在不同正极性电压下的主导机制。研究结果表明:电压和温度是表面电荷积聚中气体电导和固体电导平衡的主要影响因素之一;1 kV直流电压作用时绝缘子气体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而减小;400 kV直流电压作用时绝缘子固体侧电导占主导地位,而且表面电荷密度随温度升高而增大。另外研究了在400 kV电压下表面电荷积聚对绝缘子表面切向电场的影响,结果表明绝缘子上下表面的最大切向电场强度随着表面电荷积聚从初始到稳态的过程而逐步增加,而且温度越高,稳态时的最大切向电场强度越大。因此表面电荷积聚是使绝缘子沿面电场强度增大的主要因素之一,温度加剧了表面电荷积聚的程度,从而致使表面切向电场强度进一步增大。     

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。     

SiC掺杂对直流电缆附件用硅橡胶材料非线性电导特性的优化研究

电气设备部件的性能提升不仅要依靠传统几何方法来改善绝缘结构,更要侧重于对绝缘材料自身性能的优化。该文通过实验研究了碳化硅（SiC）/硅橡胶复合材料的直流电导特性和直流击穿特性。随着温度升高,SiC晶格散射会阻碍载流子迁移,宏观上表现为电导特性非线性系数降低,而更多高能载流子的出现则会使非线性区阈值场强减小。随着SiC体积分数及粒径的增加,复合材料直流击穿场强虽有一定程度降低,但整体仍满足运行设计要求。在兼顾关键位置电场分布、损耗功率及局部温升的条件下,该文通过仿真探究了非线性电导特性参数的合理范围,所制备的掺杂10%体积分数SiC/硅橡胶复合材料作为应力锥增强绝缘参与电场调控,可有效改善电缆终端内部电场强度分布,应力锥导体锥面处电场强度降低幅度达到50%。该研究结果有望从材料改性角度为提升电缆附件性能提供思路。     

纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料非线性电导特性

为解决高压直流电缆附件中因复合绝缘材料电导率差异而引起的电场分布不均问题,采用纳米碳化硅为填料,对附件绝缘加成型液体硅橡胶进行改性,制备了具有非线性电导特性的纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料。同时对比研究了纯硅橡胶和质量分数分别为1%、3%、5%的纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料的非线性电导特性和介电特性。研究结果表明:相比于纯硅橡胶,纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料的电导率从原来的10-15 S/m增加到10-14~10-13 S/m左右,非线性系数由0.3提高到1.03,相对介电常数增加了0.46,介质损耗因数基本不变。为了验证非线性纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料在直流电缆附件内均化电场的效果,采用Comsol-Multiphysics软件,对其电缆终端和中间接头内的电场分布进行了仿真分析。仿真结果表明:将非线性纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料应用于高压直流电缆附件应力锥处,其电场集中最大值下降了80%,实现了均化电场的目的。     

直流叠加冲击电压下PEA法空间电荷测量系统的研制

在直流输电线路中,电缆线路易受到操作过电压与雷电过电压的侵扰,导致线路在直流电压的基础上叠加冲击电压,使绝缘层空间电荷积聚发生变化。为了研究冲击电压叠加对直流电缆线路运行中电荷积聚的影响,本文在传统的电声脉冲法上进行改进,结合等效电路进行公式推导与Pspice仿真,合理选取测量系统中阻容元件的参数取值,研制了一套直流叠加冲击电压下PEA法空间电荷测量系统,并测量了XLPE试样在直流叠加冲击电压下的空间电荷特性。结果表明：试样受到的冲击电压与直流电压均达到了极高的耦合效率,空间电荷特性表明叠加同极性冲击电压比异极性冲击电压更能够促进同极性电荷的注入和迁移。     

退役电缆附件微观结构与电荷特性研究

电缆附件是输电线路中最容易出现故障的薄弱环节,从微观结构和电荷特性方面入手,分析和探索退役电缆附件的失效行为和影响规律,是提高电力系统安全稳定运行的关键。该文研究对象取样于退役或故障电缆附件绝缘,通过对其表面化学组成和形貌的观测分析、材料陷阱参数的测量计算以及空间电荷的测试,分析老化作用下三者之间的相互影响关系。结果表明:三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)绝缘的电缆附件,其老化标志除了出现C—O、C=O结构外,还包括因终端填充硅油而引入的含Si基团及其比例的改变;而在硅橡胶(siliconerubber,Si R)绝缘的电缆附件中,Si—O—Si比例的下降是其严重劣化的标志;与EPDM相比,Si R浅陷阱能级和密度占据优势,其表面电位衰减和电荷消散速度明显更快,能够有效避免空间电荷的集聚,但是由于Si R较差的抗撕裂性容易产生裂纹;退役电缆附件长期运行在复杂的环境下,材料的氧化、主链和侧链的断裂及其他杂质的生成,是附件绝缘陷阱参数及电荷特性变化的主要原因。     

Practical Application of ±250‐kV DC‐XLPE Cable for Hokkaido–Honshu HVDC Link

The long‐term dc properties of DC‐XLPE insulation materials, which have been developed for dc use, were investigated. It was found that the lifetime of DC‐XLPE under dc voltage application is extended by the addition of nano‐sized filler. The time dependence of the space charge distribution at 50 kV/mm was observed for 7 days. Almost no accumulation of space charge in DC‐XLPE was found. The 250‐kV DC‐XLPE cables and accessories were manufactured and subjected to a type test and PQ test for use in the Hokkaido–Honshu dc link facility owned by the Electric Power Development Co., Ltd. These tests were performed under conditions that included a polarity reversal test for line commutated converter (LCC) systems as recommended in CIGRE TB 219. The test temperature was 90 °C. The type test and PQ test were successfully completed. The DC‐XLPE cable and accessories were installed in summer 2012 for the Hokkaido–Honshu dc link. After the installation of the dc extruded cable system, a dc high‐voltage test at 362.5 kV (=1.45 PU) for 15 min was successfully completed in accordance with CIGRE TB 219. This dc extruded cable system was put into operation in December 2012 as the world's highest‐voltage extruded dc cable in service and the world's first dc extruded cable for a LCC system including polarity reversal operation.     

极性反转条件下油纸界面电荷对沿面闪络电压的影响

高压直流输电系统出现潮流反转时,换流变压器的油纸绝缘会承受极性反转电压,容易造成绝缘失效.基于油纸沿面绝缘结构的极性反转闪络试验平台,研究了油纸界面电荷对沿面闪络电压的影响以及直流极性反转条件下油纸绝缘沿面闪络电压与单极性直流电压下沿面闪络电压的差别,并分析了油纸绝缘沿面放电针板电极模型的界面电荷在极性反转条件下对油纸绝缘沿面闪络电压的影响,发现油纸积聚的界面电荷密度越大极性反转时发生沿面闪络的电压越低.     

纳秒级脉冲电压作用下聚丙烯膜反极性充电现象的研究

采用针-板电极系统，对无纺聚丙烯过滤膜纳秒级脉冲电压作用下电介质膜空间电荷形成过程进行研究。发现了聚丙烯膜积累的空间电荷与所加脉冲电压极性相反的聚合物膜反极性充电现象。正极性脉冲峰值越高越容易引起聚合物膜反极性充电。峰值足够高且脉宽足够窄的负极性脉冲也导致反极性充电。脉宽大于200ns的负极性脉冲作用下，聚合物膜充电过程为同极性充电，并且电荷积累量与脉冲峰值无关，随着脉宽的增大均趋于同一个稳定值。据此，文中提出了基于强场注入和反向注入两种充电过程并存的新理论模型，强调了针-板空气间隙固有放电特性对聚合物膜充电过程的影响。     

Kerr electro-optic field measurement and charge dynamics intransformer-oil/solid composite insulation systems

We measured the electric field in transformer oil/solid composite insulation system under dc voltage application using a Kerr electro-optic measurement system. When a pressboard was inserted at the center between two parallel-plane electrodes, the electric field at the mid-point between the pressboard and the cathode decreased with time. On the other hand, the electric field at the mid-point between the pressboard and the anode increased initially with time, reached a maximum value and then fell down. We measured also the electric field before and after polarity reversal of the dc voltage. The results revealed that the electric field after polarity reversal reached a magnitude 2.7× as much as the average dc applied field. We interpreted the above results on the time transition of the electric field in terms of a charge dynamic model, considering the difference in charge accumulation speed on the pressboard between positive and negative charges. This model was verified to be applicable to the time transition of the electric field in oil/solid composite system and BTA added oil/solid composite system as well     

脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷行为及其机理研究

电力电子装备长期处于高重复频率、陡上升时间脉冲电压运行工况,绝缘更容易发生劣化和早期失效。为探究脉冲电压下绝缘失效的微观机理,对ns级别下的脉冲边沿前后空间电荷分布情况进行研究对比,探究了电场强度、硅油对脉冲边沿时刻电荷振动波形的影响。通过分析不同脉冲上升时间下的电荷振动波形及电压波形频谱、电荷积聚特性,阐明了脉冲电压边沿时刻电荷振动机理以及ns脉冲下电荷行为对绝缘劣化影响机理。研究发现,ns脉冲上升沿和下降沿前后电荷分布特性存在差异,在脉冲边沿处发现了特殊的空间电荷迁移行为;电场强度会影响异极性电荷的积累速度及积累量,从而影响电荷振动波形的形状;电极与试样之间涂敷硅油会影响电荷振动波形的极性;5×106～1×107 Hz频段的电压分量对空间电荷振动起主要作用;ns脉冲电压下电荷积聚导致电场畸变更加严重。     

温度梯度场下硅橡胶与交联聚乙烯界面上空间电荷的形成机理

电缆附件（终端或接头）绝缘与电缆绝缘构成的复合绝缘中,不同介质的分界面以及电极与介质的分界面一般为绝缘的薄弱点,原因是其附近积聚的空间电荷引起的局部电场强度过高。另外,电缆负载运行时的温升效应使得直流电压下附件复合绝缘电导发生梯度变化,改变了复合绝缘及界面的空间电荷的积聚和场强分布。为了解温度梯度下电缆附件复合介质中空...     

ZnO压敏微球/硅橡胶复合材料介电弛豫特性

控制高压设备内部电场均匀分布是有效防止高压设备绝缘材料老化及故障的关键,ZnO压敏微球/硅橡胶(Si R)复合材料因其非线性电导和介电特性,常用于高压设备均压结构中。该文制备ZnO体积分数为5%～40%的ZnO/SiR复合材料,在0.1Hz～1.0MHz频率范围以及-40～160℃温度范围内,利用宽频介电谱仪获得不同ZnO体积分数的ZnO/SiR复合材料的弛豫过程,可知ZnO/SiR复合材料中存在β弛豫、内部偶极极化(intermediate dipolar effect,IDE)弛豫和α弛豫3种弛豫形式,分别由硅橡胶基体的粘流态转变、聚合物支链运动以及ZnO压敏微球引起。通过对IDE弛豫时间对数与温度倒数的线性拟合可知,ZnO/SiR复合材料IDE弛豫的产生机制为ZnO压敏微球内部热激活载流子的迁移与积累。研究结果为ZnO/SiR复合材料的弛豫过程提供了基础数据,并为该复合物在高压设备中的应用提供参考。