极性反转电压下的油纸绝缘空间电荷特性

极性反转电压下换流变压器内部电场分布复杂，而空间电荷是引起电场畸变的重要因素。为研究极性反转电压下油纸绝缘空间电荷与电场分布特性，为此利用电声脉冲法开展了不同温度下单层油浸纸板与油-纸双层绝缘空间电荷试验研究。研究发现：不同温度下单层油浸纸板空间电荷在极性反转过程中变化很少，极性反转后电极附近电荷密度与电场畸变严重；温度通过改变反转前空间电荷分布影响极性反转过程中电场分布。双层绝缘中，温度升高导致油-纸界面电荷和纸中空间电荷密度降低；电压极性反转过程中，不同温度下纸内部空间电荷变化较少，常温时双层暂态电场符合容性电场分布；而60℃时油-纸界面电荷密度与极性快速变化，导致双层暂态电场分布不符合容性电场分布。     

温度梯度下海底电缆交联聚乙烯绝缘电树枝特性研究

由于交联聚乙烯（XLPE）主绝缘较低的导热系数与海水较低的温度，极易在海底电缆绝缘内形成较大的温度梯度，温度梯度的形成将导致XLPE聚集态及介电特性的径向差异，从而影响电树枝劣化过程。为掌握温度梯度下XLPE的电树枝特性，搭建了10～90℃内的温度梯度电树枝实验平台，测量了不同温度梯度下XLPE的电树枝起始及生长特性。结果表明：不同温度梯度下的针尖电场变化及XLPE聚集态改变会影响电树枝的起始电压，且随着温度梯度的增大，电树枝的主形态呈现出藤枝状、丛林-藤枝混合状及丛林状之间的渐变特性。     

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。     

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。     

高压直流交联聚乙烯电缆30天负荷循环试验下的空间电荷特性

为研究高压直流(HVDC)交联聚乙烯(XLPE)电缆在负荷循环试验中的空间电荷积聚特性,按照国际大电网组织CIGRE TB496的试验要求,对电压等级为30 k V的直流电缆开展了型式试验中的30 d负荷循环试验,采用脉冲电声法(PEA)测量了其空间电荷特性,重点研究了温度和加压时间对直流电缆空间电荷特性的影响。研究结果表明:温度对直流电缆的空间电荷特性具有显著的影响,在加热的过程中,随着温度的升高,电缆绝缘中主要表现为异极性空间电荷的注入(异极性空间电荷通常是由杂质在电场作用下被电离而造成的),且正极性电压作用下的异极性空间电荷注入比负极性电压作用下的要强;此外,随着加压时间的增加,电荷会逐渐由高温侧向低温侧迁移;在冷却过程中,电缆绝缘中会产生与电压极性相同的电荷积聚;48 h正极性负荷循环试验与24 h正极性负荷循环试验下的电荷积聚特性类似,不同的是随着加压时间的增加,相比于加热前,冷却24 h后电缆中积聚了少量的正极性空间电荷。     

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。     

极性反转下低密度聚乙烯空间电荷动态特性的数值模拟

直流电缆在运行时如果电压极性发生反转,会使得外加电场与累积空间电荷所产生的电场叠加而增强,可能引起局部放电或介质击穿。目前的实验测量方法无法揭示极性反转过程中空间电荷和电场的瞬态变化,尤其是微观粒子之间的相互作用过程。为了深入研究高压直流电缆在极性反转下的内绝缘机理,利用双极电荷传输模型对低密度聚乙烯(LDPE)的空间电荷动态特性进行了数值模拟,并通过仿真研究了多次极性反转下LDPE空间电荷和电场的瞬态分布。结果表明:极性反转时表面电场大大增强,并具有一定的极性效应,在由阳极转变为阴极时更加显著;极性反转前陷阱电荷密度远大于自由电荷密度,极性反转时电极表面电场的增强主要是由电极附近的陷阱电荷所决定。研究成果可为高压直流电缆的绝缘设计提供参考,也可以为聚合物材料空间电荷的动态仿真提供借鉴。     

直流预压对XLPE中直流接地电树枝引发特性的影响

直流接地电树枝对高压直流电缆绝缘安全构成了严重威胁。为了研究直流预压对交联聚乙烯(XLPE)中直流接地电树枝引发特性的影响,在10 s、5 min和1 h不同预压时间下,对XLPE试样进行了直流接地电树枝引发试验。同时对该材料在不同场强下的空间电荷积累特性进行了测量,并根据空间电荷注入理论及测试结果对直流接地电树枝的引发特性进行了分析说明。研究结果表明:直流预压时间对直流电树枝的引发率影响较小,接地电树枝平均长度随预压时间的增加略有增加,并有饱和的趋势;同时,直流接地电树枝具有明显的极性效应,负极性接地电树枝的50%引发电压(-19.3 kV)明显低于正极性时的引发电压(25.7 kV),且负极性下的平均电树枝长度也明显高于正极性时的电树枝长度。研究结果有助于进一步了解直流电树枝的引发机理,并为今后同类试验参数的选取提供参考。     

空间电荷对直流接地电树枝影响的实验及仿真研究

为研究聚乙烯中直流接地电树枝的生长特性与材料中空间电荷分布的联系,该文以某商用级XLPE高压直流电缆绝缘材料为对象,分别进行了20℃下不同单次预压时间和短路次数的直流接地电树枝实验。实验结果表明:正负极性下电树枝长度都随着短路次数的增加而增加,正极性下电树枝长度随着单次预压时间的增加先增加再减小,负极性下单次预压时间对电树枝的影响不大;负极性下电树枝的扩散系数整体大于正极性下的电树枝。同时,基于双载流子模型建立了针板电极的三维仿真模型,在综合考虑了电荷的注入、迁移、扩散、入陷和脱陷等行为的基础上,计算出XLPE中随时间变化的空间电荷分布,并据此提出了空间电荷有效注入深度这一新的的概念,以此表征能够引发电树枝的那部分空间电荷在材料中的分布范围,从空间电荷的角度对实验所发现的电树枝特性进行了合理的解释,证明了受陷电荷是直流接地电树枝的成因。     

油纸绝缘内部合成电场数值模拟方法

油纸绝缘作为换流变压器的主绝缘介质,其内部电场的分布受外加电压以及空间电荷的影响,而传统的数值方法无法准确计算空间电荷的影响。提出一种基于电极肖特基发射理论和瞬态上流元法(TUFEM)求解载流子输运方程的方法,计算了考虑注入势垒、载流子迁移率、陷阱捕获系数以及载流子复合系数等参数影响下的单层油纸绝缘介质内部空间电荷运动分布特性。与试验结果对比表明瞬态上流元法的有效性。研究典型油纸绝缘介质结构内部合成电场强度畸变程度随温度梯度变化的特性。同时,计算得到极性反转电压下不同时刻的电荷运动和电场分布规律。该方法可推广在(特)高压直流换流变压器内绝缘电场计算和优化设计。     

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。     

直流预压对针板电极下XLPE中空间电荷及电树枝的影响

空间电荷是影响高压直流电缆绝缘电树枝特性的主要原因之一.基于双极性载流子输运模型,对±20 kV、±22.5 kV和±25 kV直流预压下3600 s内二维针板电极模型空间电荷分布进行仿真分析,并对比分析空间电荷分布与直流接地电树枝引发特性.结果表明:空间电荷浓度及注入深度随预压幅值及时间的增加而增大;直流接地电树枝引...     

连续极性反转电场下XLPE中空间电荷特性研究

针对不同状态的直流电缆交联聚乙烯样,采用1.2s极性转化时间和逐级升压的极化电场,检测不同电场极性反转前后的空间电荷响应,结合红外光谱,分析极性反转电场下空间电荷输运特性,并提出基于连续极性反转场检测的绝缘评估方法。结果表明:连续极性反转过程中,未脱气试样内平均空间电荷密度变化量(35)r大于脱气试样,差值δ随电场线性增大,最高达1.8C/m~3;而脱气后副产物特征基团之一羰基含量明显下降,这表明电荷密度变化差异主要与副产物解离形成的离子电荷相关。脱气前后杂质离子电荷密度的斜率dδ/dE与杂质浓度成正比,因此连续极性反转场下的斜率dδ/dE可用于杂质含量检测。老化试样在连续极性反转电场下的最大电场畸变率η可达34%,且羰基含量增大3倍。这表明η的增大可能与老化形成的大量羰基相关:羰基类陷阱可俘获大量自由电荷形成空间电荷,在极性反转时无法快速脱陷而大量残留,增大了试样内部的电场畸变。老化试样的dη/dE是未老化试样的2.5倍,这表明连续极性反转电场下的dη/dE可作为电缆绝缘老化状态评估参数。在连续极性反转的高电场下,未脱气和老化试样中最大电场畸变率η和增长率dη/dE均大于脱气试样,因此连续反转电场下的参数η和dη/dE可用于材料耐极性反转能力评估。     

极性反转条件下基于双极性载流子-离子混合输运模型的XLPE空间电荷特性研究

直流电缆在运行时需承受极性反转的电压，这会使得绝缘内部积累的空间电荷增加，进而可能引起绝缘破坏。同时在绝缘材料实际生产过程中引入的交联副产物等杂质解离产生的离子电荷会加剧电荷的积累。因此本文对传统双极性载流子输运模型进行改进，考虑杂质带电离子的影响，利用改进后的输运模型模拟交联聚乙烯（XLPE）内部空间电荷在电压极性反转期间的分布，研究极性反转时间和电场强度对电荷分布的影响机理。结果表明：在满足电压反转前后空间电荷分布基本呈镜像分布的基础上，引入离子电荷会增大两电极附近稳态时积聚的异极性电荷量；电压反转时间越长，两电极处的界面电荷峰值下降的越多，两电极附近的空间电荷变成相反极性的电荷量也越多，即反转完成时电荷分布更接近于反转稳定后的情况；在相同极性反转时间、不同电场强度下，电荷分布规律基本相同，场强越高，各处积累的电荷量越多。     

不同温度下高压直流电缆纳米复合绝缘中的周期性直流接地电树枝特性

该文自主研发了一种以交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)为基体,添加0.5 wt%纳米Mg O颗粒的新型高压直流电缆绝缘材料。为研究不同温度下该材料中直流接地电树枝特性及其影响因素,对该材料和某商用级XLPE高压直流电缆绝缘材料进行了20~80℃下不同极性不同电压幅值的周期性直流接地电树枝实验。结果表明:电子比空穴更易注入,且在材料中拥有更大的平均自由程,因此负极性下电树枝比正极性下更易引发,且生长更为分散;纳米Mg O的添加增加了材料中的陷阱密度,减弱了电荷注入,故纳米Mg O/XLPE绝缘材料表现出更好的抗电树枝化性能;温度升高增强了电荷注入与脱陷,提高了电子平均自由程与电荷分布均匀度,使电树枝更容易引发和生长,且形态更加茂密。由此可见,电压极性与温度的改变,以及纳米Mg O的添加均会对材料中的周期性直流接地电树枝的引发与生长产生影响。     

极性反转条件下弯曲油纸绝缘结构电场特性研究

本文中作者采用瞬态上流有限元法计算绝缘中的空间电荷分布,将该方法应用于变压器中常见的弯曲结构,得到了极性反转电压下的电荷运动和电场分布特性,并研究了不同反转时间对极性反转特性的影响。     

工频叠加冲击电压下XLPE绝缘中电树枝的生长特性研究

为了研究工频叠加冲击电压对XLPE绝缘中电树枝生长特性的影响,搭建了工频叠加冲击电压实验平台。首先,对XLPE样本施加工频电压以培养出电树枝,然后对工频电压作用下不同生长时刻的电树枝样本施加冲击电压,通过实时显微观测系统完整记录样本中电树枝的生长过程。利用扫描电镜观察电树枝的微观结构,使用COMSOL有限元仿真软件根据其微观特征搭建电树枝的电场仿真模型,进一步分析工频叠加冲击电压作用下电树枝的生长过程与微观结构的关系。结果表明:当工频叠加冲击电压作用于XLPE样本时,电树枝尖端电场畸变严重,样本中无定形区分子链快速断裂,导致从电树枝尖端处快速生长出枝状电树枝;由于工频叠加冲击电压作用时XLPE样本被注入空间电荷,撤去冲击电压后仅工频电压作用于样本时,空间电荷累积在电树枝尖端均匀了尖端电场,使电树枝向地电极方向的生长受到了抑制。     

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400 kV高压直流电缆在不同工作条件下的温度场。结果表明：在额定电流下XLPE绝缘层两侧温度差为8.1℃;最大稳态电流下XLPE绝缘层两侧温度差为18.7℃;短时过载1 h情况下,XLPE绝缘层两侧温度差为61.1℃;短时过载36 h情况下,XLPE绝缘层两侧温度差为41.1℃。实验结果显示温度梯度会使XLPE阳极低温侧产生异极性电荷积聚,使电场发生畸变。通过对畸变电场进行校正计算,发现最大电场畸变率随平均场强呈线性关系。随着温度梯度的增加,电场畸变率也在增大。在温度梯度40℃和外施场强50 kV/mm下,最大电场畸变率为1.68。     

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。     

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。