配电电缆附件XLPE/SIR界面缺陷特性及其对电场分布的影响研究

为了预防不同类型接头缺陷引发的绝缘故障以及事后故障分析,针对电缆附件复合界面处缺陷,设计交联聚乙烯与硅橡胶双层结构界面缺陷模型,通过对不同缺陷的试样进行击穿实验,研究绝缘、半导电、金属等3种典型界面缺陷类型下的击穿特性,并且通过建立双层结构界面缺陷模型仿真模型,计算界面缺陷引起的电场畸变;在此基础上将缺陷模型扩展到配电电缆中间接头,研究存在缺陷时电缆中间接头的内部电场分布。实验表明相比于无缺陷时,引入绝缘缺陷对击穿场强的影响不明显,而引入金属和半导电缺陷后击穿场强明显降低;仿真计算表明3种缺陷中绝缘缺陷引起的电场畸变最小,与击穿实验规律相吻合。金属与半导电缺陷引起的电场畸变随着缺陷远离应力锥根部呈先增大后减小,而对于绝缘缺陷,电场畸变随着缺陷远离应力锥根部呈现下降趋势,最大场强出现在三结合点处。研究结果有助于理解电缆附件界面缺陷状态对电场分布的影响规律,对于电缆附件安装制作的关键环节管控具有实际意义,同时可为配电电缆附件运行维护和故障分析提供参考。     

正交电场下XLPE/SIR介质界面空间电荷特性

直流电缆附件绝缘和电缆绝缘的界面同时承受着沿着电缆径向的体电场和沿电缆轴向的界面电场,这两个电场在方向上相互正交,在界面上的分布和集中使得复合绝缘界面的空间电荷特性变得复杂。采用交联聚乙烯（cross linked polyethylene,XLPE）和硅橡胶（silicone rubber,SIR）制成双层试样模拟附件结构中的复合绝缘,通过界面贴覆铝箔针-板电极（针电极为正/负）、板-板电极三种电极形式为绝缘界面提供正交电场,运用电声脉冲法（pulse electro acoustic,PEA）分别测量了体电场、正交电场作用下XLPE/SIR界面空间电荷的分布情况。结果表明,在体电场和界面电场的正交电场作用下,XLPE/SIR界面的空间电荷峰值出现明显变化：试样加压20 min后,界面贴覆针电极为负的针-板电极时,界面电荷峰值随施加电场强度的增加先增大后减小,使XLPE侧电极在较低场强下即发生注入;界面贴覆针电极为正的针-板电极时,界面电荷峰值在电场作用下减小,加剧了SIR侧的正电荷注入;在界面板-板电极作用下,界面电荷峰值变化不大,但仍有所下降。     

高压电缆附件的电场及界面压力设计

电场分布和界面压力是现代高压电缆附件的基本设计内容,其正确性和精确度会直接影响所设计的电缆附件的性能.高压电缆附件中包含着很多界面,尤其是位于场强控制元件和电缆绝缘体之间的界面性能对电缆附件的品质起着决定性的作用.界面的性能不仅与材料品质、安装条件以及表面的处理状态有关,还受应力和温度因素的影响,因此界面的设计是电-力...     

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。     

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。     

高压直流绝缘材料表面电荷积聚研究进展

随着直流输电技术的发展,直流气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)因其具有占地面积小、可靠性高、维护少等优点已得到越来越多的关注。相比交流GIS,直流GIS盆式绝缘子存在严重的表面电荷积聚问题,导致其沿面闪络特性下降,制约着直流GIS的工程应用。目前关于高压直流下绝缘材料表面电荷积聚特性及抑制措施的研究已成为国际上的热点,本文对此进行系统性的综述,包括:表面电荷测试的常用技术和电荷反演算法,表面电荷的积聚途径及相应来源,表面电荷积聚的仿真模型,表面电荷积聚的影响因素及调控措施。最后,对表面电荷积聚下一步的研究工作给出了建议。     

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆中间接头内电场分布的影响

为改善交联聚乙烯（XLPE）绝缘高压直流电缆中间接头内的电场分布,通过添加纳米填料制备了用于制作电缆接头应力控制体的非线性硅橡胶复合材料。建立了高压直流电缆接头仿真模型,测试了各绝缘材料的电导特性,计算了电缆接头内的电场分布。研究结果表明,70 ℃时在各场强下未改性硅橡胶的电导率都小于高压直流电缆XLPE绝缘,故电缆接头内的最高场强点位于硅橡胶增强绝缘内,且最大场强远大于电缆本体绝缘的平均场强;以非线性硅橡胶做应力控制体增强绝缘时,超过一定场强后增强绝缘的电导率明显大于XLPE绝缘,保证了电缆接头内最高场强点永远位于XLPE绝缘内,且接近于平均场强。     

温度梯度下直流GIL三支柱绝缘子电荷积聚对电场分布的影响分析

在直流电压和温度梯度作用下,气体绝缘输电管道的三支柱绝缘子表面及内部容易积聚电荷,引起局部电场畸变,易诱发三支柱绝缘子沿面闪络和支腿炸裂.通过建立直流三支柱绝缘子电-热-流多物理场的电荷积聚模型,研究了不同运行电流下直流三支柱绝缘子的电场畸变特征.在最大允许电流下,三支柱绝缘子的表面切向电场强度主要集中在支腿底部,最大切向电场强度可达2.87 kV/mm,而三支柱绝缘子金属嵌件-环氧界面的电场强度可达5.96 kV/mm.直流三支柱绝缘子支腿底部特别是与金属嵌件的交界面,是电场畸变的薄弱环节,在优化设计时需重点考虑温度梯度下支腿底部和金属嵌件的表面电场均匀分布.该研究结果可为高压直流气体绝缘输电管道三支柱绝缘子研发提供参考.     

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。     

硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响

交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆终端内各绝缘材料的电导率受温度和电场强度的影响差异较大,这是导致其电场分布复杂、研发难度大的关键因素之一。为此,利用多物理场耦合软件仿真计算了以不同性质硅橡胶为增强绝缘的高压直流电缆终端模型内的电场分布,分析了绝缘材料的电导特性对电场分布的影响与机理。研究结果表明:以高压交流电缆终端中常用的硅橡胶作为直流电缆终端的增强绝缘时,应力锥根部的硅橡胶内电场严重畸变,最大电场强度(简称场强)值约达到电缆本体平均场强的6.7倍;以具有合适非线性电导特性的硅橡胶做增强绝缘时,直流电缆终端内电场分布均匀,且最大场强点位于电缆XLPE绝缘内。说明应用电导非线性硅橡胶是解决XLPE绝缘高压直流电缆终端制造瓶颈问题的有效方法之一。     

新型XLPE高压直流电缆绝缘料的空间电荷特性研究

高压直流电缆运行中的温度梯度效应导致电缆外绝缘层场强严重畸变,降低了绝缘的电气强度和使用寿命。在聚乙烯纳米复合材料的基础上,添加适量的交联剂、抗氧剂等制备了新型高压直流交联聚乙烯料,对其力学性能和电性能进行测试,并将其与国外主流XLPE直流电缆绝缘料的空间电荷积聚与场强畸变特性进行对比分析。结果表明:新型高压直流交联聚乙烯电缆料的性能优于国外主流XLPE直流电缆绝缘料,有望用于国产高压直流电缆。     

不同负载下高压直流交联聚乙烯电缆终端电场仿真计算

通过理论分析并结合多物理场耦合仿真计算,对高压直流交联聚乙烯电缆终端的电场进行了非线性求解,得到了不同负载条件下的直流电缆终端的电场分布,获得了工程应用上所关心部位的电场强度数值,为终端产品设计提供了理论依据。     

高压直流XLPE电缆冷热循环下的空间电荷特性研究

同轴型电缆空间电荷测试系统是研究塑料电缆空间电荷特性的重要工具。根据国际大电网WG21-01组推荐的高压直流塑料电缆型式试验方法——24 h负荷冷热循环(8 h加热周期和16 h冷却周期),对三种不同绝缘材料所构成模拟小电缆的空间电荷分布进行了实时测量。通过比较三种电缆在24 h冷热循环周期中空间电荷积聚的量化指标——平均电荷密度,得出高压直流XLPE电缆对温度变化应具有良好的"响应"且24 h负荷冷热循环前后空间电荷的积聚量应保持不变,为今后高压直流塑料电缆的研究指明了方向。     

不同形式电压下高压直流电缆试验终端电场与空间电荷分布计算

试验终端是高压直流电缆电气性能试验的重要组成部分,该文基于交流电缆水终端建立了直流电缆水油终端模型,并得到了直流电场下的电场和电荷分布.为研究不同形式电压下高压直流水油终端中电场强度及其电荷密度分布,首先建立了水油终端电场-空间电荷仿真模型,该模型考虑了空间电荷的注入以及空间电荷和电场的相互作用;接着将仿真结果与试验进行对比,以验证模型的正确性;随后,基于该仿真模型分析了直流电压及6种不同形式冲击电压下水油终端的电场强度、电荷密度分布规律,并与GB/T 31489.1规定的6种冲击电压下水油界面处的场强与电荷密度进行比较.结果 表明,雷电冲击电压在水油界面上产生的场强幅值最大,超过了水的击穿场强.因此水油终端不适用于雷电冲击试验.论文研究可为高压直流试验终端的研发提供参考.     

Polymeric HVDC Cable Design and Space Charge Accumulation. Part 1: Insulation/Semicon Interface

From theory and experiments, it can be deduced that materials for DC applications should not accumulate a large amount of space charge if accelerated degradation of the insulation system is to be avoided. Therefore, the characterization of DC insulation must take into account the evaluation of space charge accumulation. This cannot be done exhaustively without taking a system approach considering both the semiconductive material and the insulation, in particular, the properties of the semicon/insulation interface. The latter interface, in fact, plays a major role in space charge injection/accumulation in the insulation bulk. Having analyzed different semiconductive and insulating materials candidate for HVDC cable applications, the best solution to be exploited for HVDC cable design would be the combination showing a high threshold for space charge accumulation, a small rate of charge accumulation as a function of electric field and a small activation energy, i.e., a space charge amount less dependent on temperature. Therefore, space charge measurements will provide important information to cable material manufacturers with the aim of tailoring insulation and semicon specifically for HVDC application and, thus, improving the reliability of polymeric cables.     

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。