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...     

不同涂层对XLPE和EPDM双层绝缘介质空间电荷特性的影响

为研究不同绝缘涂层对直流电缆附件界面空间电荷分布特性的影响,对直接接触、涂抹普通硅脂涂层和涂抹极性硅脂涂层3种不同界面状态的交联聚乙烯(XLPE)和乙丙橡胶(EPDM)双层绝缘介质,在不同外施电场下的空间电荷分布进行试验,分析了加压和短路过程中界面电荷的动态变化过程,研究涂层材料对直流电缆附件界面电荷的影响规律。结果表明:不同界面状态对XLPE/EPDM双层绝缘介质界面空间电荷分布的影响不同,且在不同外施电场下,其变化趋势也不同。在相同温度和电场下,极性硅脂涂层界面积累的空间电荷量最大。     

直流电压下多层油纸绝缘介质的界面空间电荷特性

空间电荷对油纸复合绝缘结构电气性能的影响由于测量上的困难而至今尚未明了,多层复合绝缘结构使得空间电荷特性更加复杂。为此,应用电声脉冲(PEA)方法研究了电压极性对纸-纸和纸-油这2种双层绝缘结构中以及界面处空间电荷特性的影响。研究发现在2种结构的界面处积聚的空间电荷极性与施加电压的极性一致。对2种结构中空间电荷特性进行了比较,结果表明纸-油结构中空间电荷的运动速率比纸-纸结构中慢,并且具有更深的陷阱能级。通过分析认为双层介质界面处存在的势垒导致了界面电荷的积聚,其极性由电极的电荷注入、界面的陷阱、电场和介质的电导等因素协同决定;绝缘材料陷阱能级的不同是造成2种绝缘结构空间电荷运动速率不同的因素之一。     

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。     

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。     

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。     

双层绝缘介质空间电荷信号研究

本研究提出了双层绝缘介质界面空间电荷信号产生的物理模型,认为界面空间电荷和两种绝缘介质介电常数的差异引起了界面空间电荷信号电流。提出了依据压力波方向与电场方向的一致性来判断界面信号电流极性的方法,通过实验进行了验证。并研究了低电场下界面空间电荷信号与外加电场的关系。结果表明:界面空间电荷信号随外加电场强度的增加而线性增大。在双层绝缘介质的测量信号中减去由界面介电常数的变化引起的信号即可得到界面真实的空间电荷信号。     

硅脂对交联聚乙烯绝缘与硅橡胶界面电场的影响

在交联聚乙烯绝缘与硅橡胶界面涂抹硅脂是制作电缆中间接头的一个关键步骤,但实际制作电缆接头时,由于现场施工人员对硅脂认识不足,常有硅脂漏涂、涂抹不均匀的情况,而硅脂对界面电场的影响研究尚未见报道,为此建立10 kV电缆中间接头三维有限元模型,分析硅脂有、无;涂抹均匀和不均匀时的电场分布规律,同时还研究了硅脂对杂质缺陷电场的抑制作用。仿真结果表明,未涂抹硅脂时,界面最大场强比涂抹硅脂时增大了3.79倍;硅脂涂抹不均匀时,涂抹不均匀处最大场强比均匀涂抹硅脂时增加2.8倍。未涂抹硅脂、硅脂涂抹不均匀均会造成界面电场严重畸变。且硅脂涂抹不均匀时,空气隙处场强与其到外半导切断处轴向距离及空气隙厚度均成反比关系。此外界面存在杂质缺陷时,涂抹硅脂情况下电场强度远小于未涂抹硅脂时电场强度。说明涂抹硅脂对杂质缺陷的电场有很好的优化作用。规范涂抹硅脂是施工不可缺少的环节。     

双层介质的电声脉冲法空间电荷波形恢复

基于双层介质电声脉冲法测试中压力波的形成和传播过程的分析,提出针对双层介质的电声脉冲法空间电荷波形恢复方法。理论分析表明双层介质的电声脉冲法测试中,压力波主要由界面处的介电常数不连续以及介质内的体空间电荷和绝缘界面处的界面空间电荷引起。实际测量中,由于系统的非线性失真,压力波在有损介质中传播的幅值衰减和经过绝缘界面时的透射和反射等因素,使得测试信号发生畸变。文章提出以低电场下加压瞬间的测试结果作为参考波形,获取系统传递函数、衰减系数和标定系数,为双层介质的空间电荷波形恢复提供相应参数。通过对实测波形的处理发现,文中提出的方法不仅能恢复电极界面处的电荷峰,还能很好地恢复绝缘界面及介质体内的电荷分布,为双层介质中空间电荷特性的研究提供了基础。     

硅脂环境下硅橡胶的吸收特性及其关键电气性能研究

电缆附件在长期运行过程中,其界面硅脂与绝缘硅橡胶直接接触使其逐渐被硅橡胶吸收,导致硅橡胶性能下降,甚至引发电缆附件界面问题。文中以附件绝缘硅橡胶吸收硅脂的增重试验为基础,研究不同温度下硅脂/硅油在硅橡胶中的扩散规律并获得相应的扩散参数;研究硅脂对硅橡胶体积电阻率、相对介电常数、介质损耗角正切值和工频击穿场强等电气性能的影响规律。结果表明,不同温度下硅脂/硅油在硅橡胶中的扩散规律服从Langmuir扩散模型;硅橡胶对硅脂/硅油的吸收能力随温度升高而增强,且硅橡胶内硅油分子的脱附过程更强;随着硅橡胶对硅脂吸收量的增加,硅橡胶的体积电阻率逐渐降低,相对介电常数和介质损耗角正切值逐渐增加,但其工频击穿场强呈先增大后减小的趋势。     

±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。     

基于改进电声脉冲测试系统的油纸绝缘混合体系空间电荷动态行为特性

目前国内外关于油纸绝缘介质空间电荷特性的研究全部基于油浸绝缘纸,且已有的电声脉冲测试系统无法实现对油隙与油浸纸组合而成的混合体系的空间电荷特性的测试。通过采用改进的电声脉冲测试系统首次对油隙与油浸纸板组合而成的混合体系的空间电荷动态行为特性进行研究,分析空间电荷积聚对油纸混合体系内部电场分布的影响。研究发现油纸绝缘界面处及油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷和电场畸变程度与绝缘油和油浸纸板的电导率关系很大。由绝缘油劣化导致油纸绝缘系统的电导率提升更易引起油浸纸内部场强严重畸变,油浸纸内部最大场强约达到平均场强的2.5倍。而由油浸纸电导率增大引起的油纸绝缘系统的电导率提升减轻了油浸纸内部的电场畸变程度,但电荷快速迁移会导致介质热效应显著也易诱发击穿。消除绝缘结构界面引起的空间电荷积聚效应、限制空间电荷在绝缘介质内部的快速迁移或使电荷在介质内部分布更加均匀,从三方面出发将有助于抑制空间电荷的危害。     

基于Kerr电光效应的冲击电压下液体电介质空间电荷高速CCD测量

空间电荷的存在直接影响液体电介质的绝缘击穿性能,为了更好地研究空间电荷的动态变化过程,建立了基于Kerr电光效应的冲击电压下液体电介质空间电荷的高速电荷耦合器件(CCD)测量系统。运用高精度光电传感器的测量方法,得到了室温下液体碳酸丙烯酯的Kerr常数。进而通过高速CCD的动态光电测量,并结合图像处理技术,求取了冲击电压下平行板铜电极间电场和空间电荷的动态分布曲线。实验研究表明:在平行板铜电极间,当液体介质中电场达到一定程度时会出现空间电荷的注入与输运,使得极间电场呈现出中间高两边低的分布情况。另外还分析了空间电荷的分布和输运对液体绝缘特性的影响,该研究为分析冲击电压作用下液体介质中空间电荷的产生机制及空间电荷对流注放电的影响奠定了基础。     

12 kV环网柜T型电缆终端绝缘界面爬电的原因分析

T型电缆终端绝缘界面的沿面爬电是12 kV环网柜的常见缺陷,在运行过程中会导致电缆绝缘性能逐渐降低,给电缆的可靠运行带来严重的安全隐患。笔者通过多起12 kV环网柜T型电缆终端在运行维护过程中,同批同规格的厂品的爬电情况,进行了检查、试验及原因分析,同时利用有限元方法仿真了T型电缆终端各绝缘界面的电场强度。研究结果表明,T型电缆终端爬电缺陷的主要原因是由于涂覆的绝缘润滑脂失效后造成绝缘界面出现微小气隙,进而引起的局部放电。该分析过程可为T型电缆终端的结构选型优化、试验检测、绝缘润滑脂的选择及现场施工质量管控等方面提供借鉴。     

同轴电极下非线性绝缘介质阶跃响应仿真分析

为了验证非线性绝缘材料在非均匀电极结构下均化电场分布的内在机理,以典型非均匀电极结构(同轴电极)下填充电导率为非线性的绝缘介质所构成的绝缘结构为研究对象,采用有限元软件ElecNet仿真分析了不同幅值阶跃电压作用下非线性绝缘介质中瞬态响应的空间分布,得到的非线性绝缘介质内部空间电荷的分布揭露了非线性绝缘介质能自行均化电场的根本原因是空间电荷效应。稳态电场的计算结果表明:阶跃电压幅值越高,绝缘介质非线性程度越高,电场改善的程度越好。     

Analysis and discussion on conduction current based on simultaneousmeasurement of TSC and space charge distribution

A new analysis of conduction current distributed in dielectrics based on simultaneous measurements of thermally stimulated current (TSC) and time dependent space charge distribution is proposed. A new system pulsed electro-acoustic (PEA) method has been developed to enable simultaneous measurement of the TSC and the dynamic space charge and electric field distributions as a function of temperature within insulators. With the new system, the relationship between the TSC and the time dependent electric field distribution in electron beam (e-beam) irradiated PMMA has been investigated. From the time dependent electric field, the displacement current in dielectrics is obtained. The TSC is a typical external current which is represented as an addition of the displacement current and a conduction current in dielectrics. This paper makes it clear that the conduction current as a function of position is determined by the simultaneous measurement of the external current and the dynamic space charge distribution     

Computation of the Electric Field in Cable Insulation in the Presence of Water Trees and Space Charge

The presence of space charge changes locally the electric field distribution in power cable insulation and may play an important role in tree development, thus accelerating the dielectric breakdown. This paper is concerned with the computation of the electric field in polyethylene-insulated power cables affected by water trees which grow from the following: 1) the inner semiconducting layer; 2) the outer semiconducting layer; and 3) the inner and outer semiconducting layers, taking into account the space charge corresponding to the ions present in the treeing area. Space charge in plane samples where trees have been developed in an accelerated manner was estimated using the thermal step method. Average charge values given by space charge measurements were then used for the electric field computation in cable insulation with continuous or/and individual water trees. For the calculation of the electric field, an analytical and a numerical method have been used. This paper shows that the space charge changes the electric field distribution inside and outside the trees (the field increases in some areas and decreases in others) and that the field variations depend on the magnitude and on the polarity of the space charge, as well as on the dimensions of the water trees developed in the cable insulation. The obtained results show that, in the presence of water trees and space charge, the initiation of electric trees is more probable in the case of individual water trees than in the case of continuous water trees.     

Interfacial properties of XLPE/EPDM laminates

Interfacial properties such as space charge accumulation and breakdown characteristics in crosslinked polyethylene (XLPE)/ethylene propylene diene terpolymer (EPDM) laminates were investigated. Homocharge is observed in EPDM containing 1,4-hexadiene while heterocharge is observed in EPDM containing 5-ethylene-2-norbornene. Interfacial charge develops when the EPDM is laminated with XLPE. The polarity of this interfacial charge reverses at less than a few tens of hours heat treatment at 80°C dc breakdown voltage shows a sequential change of an increase, a decrease and a slight increase as a function of heat treatment time, which holds true for both interfacial and volume breakdown voltages. A maximum breakdown voltage is observed at 20 to 24 h heat treatment. After long heat treatment, silicone grease used in the interface shows lower interfacial breakdown voltage than silicone oil for the dc case, which was attributed to the additives in the grease and the molecular weight of silicone molecules in oil and grease. Details of the results are given and their origins discussed