320kV XLPE高压直流电缆接头附件仿真分析和结构优化设计

应用在高压直流输电系统的挤出式交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)电缆,通常用工厂预制的硅橡胶(silicon rubber,SR)中间接头在现场进行连接。为了研究接头的电场分布并对接头结构进行优化设计,对影响附件电场的电缆绝缘和附件绝缘的材料电导率关系、以及附件应力锥和高压屏蔽管的几何参数进行了深入研究。从两种绝缘材料的电导率和电场、温度的非线性关系入手,结合试验数据,通过数据拟合得到了XLPE和SR的电导率表达式,在仿真分析中代入电导率的表达式,可以判断两种材料的电导率配合是否使得电场分布不超过设计值。通过合理设计应力锥和高压屏蔽管结构,降低了应力锥根部和高压屏蔽管端部电场强度,抑制了绝缘交界面切向方向的电场强度。可知:当应力锥使用该文提出的形状、高压屏蔽管的厚度适当增加且电缆绝缘和附件绝缘的电导率相匹配时,附件电场的分布最优。     

320kV XLPE高压直流电缆终端电场分析

基于有限元分析方法,以COMSOL Multiphysics为求解工具,建立了320 k V XLPE高压直流电缆终端模型。分析了不同载流量作用时,直流电压和直流叠加冲击电压作用下电缆终端内部的电场分布,并对直流叠加冲击电压作用下XLPE绝缘屏蔽层的搭接长度对界面电场的影响进行了分析。结果表明:直流电压作用下,XLPE/SR界面的切向场强随载流量增大而增大,而且最大场强的位置由应力锥端部转移至应力锥根部;直流叠加冲击电压作用下,界面切向场强在绝缘屏蔽层搭接位置出现畸变,最大场强值位于屏蔽层顶部;同时随着搭接长度的增大,界面切向场强逐渐减小,为防止电缆终端内部出现空气击穿现象,建议屏蔽层的搭接长度至少为25 mm。     

交联聚乙烯与浸渍纸绝缘直流电缆接头电场分布

针对交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆与粘性浸渍纸(MI)绝缘直流电缆相连接头提出了新的绕包式绝缘结构,为了验证该结构的可靠性,应用仿真软件计算了该接头的电场分布。仿真结果发现,当采用增绕绝缘方式制造直流电缆的相连接头时,选取电导率略高于工厂绝缘电导率的绝缘材料作为增绕绝缘材料,可明显改善应力锥根部的电场分布,接头中的场强分布较为合理;反极性脉冲电压作用时,由于反向冲击电压形成的电场强度的方向与之前的直流电压形成的稳态电场方向相反,因此,聚四氟乙烯(PTFE)做增绕材料相较于MI的场强畸变程度降低。最高工作温度下接头中的电场分布计算结果表明聚四氟乙烯适宜做增绕绝缘材料,应用该增绕材料制备的接头最终通过了型式试验。     

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。     

交联聚乙烯绝缘高压直流电缆电场分布计算

为设计交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆的结构,在实验基础上总结出进口高压直流电缆XLPE绝缘材料的电导特性方程,利用COMSOL Multiphysics软件通过电场和热场耦合仿真计算了电缆在不同负荷下的电场分布。研究表明,在电场强度较低和较高时,进口高压直流电缆XLPE绝缘材料的电导率随温度变化明显,电场强度变化几乎不对其产生影响;在某一电场强度范围内,温度和电场强度的改变均会使XLPE的电导率发生明显变化,该场强范围随温度而变化;所设计高压直流电缆在两种敷设环境下100%负荷时电场分布均匀;在电缆传输电流较大时,电缆XLPE绝缘内的温度梯度增大,电缆绝缘外表面处电场强度最大。基于有限元法的多物理场耦合仿真计算是研究XLPE绝缘高压直流电缆电场分布的有效手段。     

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。     

高压直流XLPE电力电缆预制式接头的设计

交直流绝缘层中本构方程的相似性决定了直流交联聚乙烯(XLPE)电缆附件与交流XLPE电缆附件的结构和设计原理的相似性。但是两种电场下本征参数性质的不同又使得直流XLPE电缆附件的设计不同于交流XLPE电缆附件的设计。为合理设计直流XLPE电缆接头,借鉴交流XLPE电缆接头设计的经验,给出了详细的设计直流XLPE电缆接头结构的方法。在直流XLPE电缆接头的设计中,界面空间电荷的抑制是接头设计成功的保证;而对界面空间电荷的抑制就需要界面两侧绝缘的介电常数和电导率的合理配合。最后,以30 kV直流XLPE电缆中间接头的设计为例,通过仿真计算得出,在高压屏蔽层端部附近界面上的允许切向电场强度取为1.5 kV/mm时,EPDM与XLPE在设计电场下符合应力锥优化设计要求的电导率比值范围可取为(0.5,5),在此范围之外的电导率比值的材料是不可以用来设计直流XLPE电缆中间接头的。     

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.     

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。     

柔性直流电缆附件应力锥设计研究

应力锥结构设计是柔性直流电缆附件开发的重点和难点,目前还没有柔性直流电缆附件应力锥电场的系统研究及相关设计理论。本文通过试验研究了柔性直流电缆绝缘交联聚乙烯(XLPE)和附件应力锥绝缘三元乙丙橡胶(EPDM)材料的电阻率与温度和电场强度的关系。结果表明:电阻率与温度和场强分别呈e指数及幂指数关系,且随这两个参数的增大而减小。基于热路方程,计算了柔性直流电缆绝缘和应力锥绝缘组成的双层介质的温度分布,进一步利用欧姆定律及绝缘材料的电阻率表达式,得到了双层绝缘介质中的电场分布。根据应力锥曲线上任意点的总电场方向垂直于切线方向的特点,利用应力锥绝缘电场表达式及数值求解方法,提出了应力锥曲线设计方法。最后,以±320 kV柔性直流电缆终端为例,根据现有相关参数,得到了具体的应力锥曲线形状。     

高压电极接地后产生电击现象的分析

分析了某公司电石分厂尾气锅炉高压静电除尘中阴极和阳极经短接和接地后,仍会产生高压电击现象的原因,并提出了解决问题的方法。     

浅析高压开关设备中提高气体间隙击穿电压的措施

从理论上分析了高压开关设备中提高气体间隙击穿电压的几项措施。     

电场法在线检测直流绝缘子的可行性研究

直流输电电压中除包含直流电压以外,还存在大量的高次谐波分量,文章通过分析运行中的直流绝缘子的电场成分研究了直流绝缘子的直流电场和谐波电场的分布特点,讨论了应用直流电场法和谐波电场法在线检测直流绝缘子的可行性,谐波(直流)电场法就是利用运行中直流绝缘子串中的谐波(直流)分量电场在线检测直流绝缘子.理论分析与试验结果表明谐波电场分布较为稳定,它能够有效检测出零值瓷绝缘子和合成绝缘子的内绝缘故障,是一种在线检测直流绝缘子的可行方法.     

特高压GIS中隔离开关的电场及参数计算

为获得1100kV气体绝缘变电站(GIS)中隔离开关的电场分布规律及相关参数,利用有限元软件对其气室进行了三维电场分析计算,得到了其内部电场强度分布和不同电极表面电场强度分布曲线。分析电场强度结果得出了隔离开关气室内电场强度较大的位置及电场强度值;分析接地开关静触头直径与边倒角尺寸对触头表面附近的电场分布影响从而降低了触头表面场强以提高耐压能力。利用参数化设计语言(APDL)和电场能量法计算电容参数得出的气室内不同位置电容与测试结果比较,两者相对误差<4%,证明利用电场能量法可以获得较为准确的分布电容值,进而为特高压GIS中快速暂态过电压(VFTO)的计算提供了比较准确的分布电容参数。     

真空灭弧室静态击穿电压的统计估计

基于统计学原理,借助于计算机辅助电场分析的手段,可以由少量的试验结果估计出大量真空灭弧室的静态击穿电压。     

一种基于矢量电场的多电极电场梯度计算优化方法研究

通过对变电站中电气设备电场梯度信息检测计算方法进行研究,结合矢量电场多电极梯度信息,使用压缩感知贪婪重构算法对电场检测计算方法进行优化,对电场梯度信息进行有效识别,提高电压等级检测判断的准确率。该方法通过分析带电体周围电场信息,能够准确地计算出高电压导体周围的电场分布和电压等级。通过在110 k V变电站复杂工频电场环境中进行试验,获取带电载体一个间隔的场强分布。实验分析表明,该方法可以有效提高带电载体电压等级的检测能力和对带电体周围电场信息的响应速度,提高了工作人员在复杂工频电场环境下工作的安全性。     

合成回路用高压电抗器过电压分析及电场仿真

高压电抗器在合成回路中为开断电流后的断路器提供恢复电压,断路器动作导致电路参数的瞬时变化,使电路中的电流和电压波形在高压电抗器和电容元件之间产生振荡,由此产生的过电压将威胁合成回路的安全运行。笔者根据试验单位提供的合成回路及具体运行工况,利用PSCAD对其运行回路进行电路仿真,得到相应的电流和电压波形,并以此为边界条件,利用ANSYS对高压电抗器进行仿真得到空间电场强度,并提出合适的结构参数来改善电抗器局部电场分布。结果表明:电路仿真在考虑电抗器杂散电容后,电流和电压波形出现极大振荡,此时电抗器两端的电压峰值可作为仿真边界条件。由电场仿真结果可知,电场强度的分布与电抗器的结构布置和对地电位有关,并以对地电位最大的电抗器两端的电场强度最明显,且主要集中在均压环处。通过选择合适的均压环尺寸,可以有效地降低该处电场强度。     

光学电压传感器分压结构的缺陷及改进方法

现有的光学电压传感器多基于光功率检测模式,其测量范围与测量灵敏度受到电光晶体半波电压的限制。纵向调制的多片晶体叠层结构可以解决半波电压限制的问题,但仅适用于1 000 kV电压等级。此外,仿真结果表明这一结构中晶体内的电场分布极不均匀,受震动与热胀冷缩等因素的影响,光路或晶体的相互位置易产生偏移而引入积分电压误差。文中以110 kV电压等级为例,对多片晶体叠层结构进行了改进,简化了传感系统的结构,并将MgTiO₃陶瓷按照一定的要求安装在锗酸铋(BGO)晶体的外部以改善晶体的内电场分布,可以把积分电压误差从0.275%降低至0.01%以下。改进后的结构可用于各种电压等级。最后,通过实验验证了新方法的有效性。     

长间隙中操作冲击电场测量的研究

简介了自由电位式二维暂态电场传感器的结构和标定方法。设计了当施加操作冲击电压时,在长空气间隙中,用该传感器进行电场测量的实验。定量测量了有先导出现时间隙中电场的时空变化。通过对间隙中暂态电场的测量,定性得出了先导的变化特性。测量结果与文献中的有关理论相符。     

高压SOI器件介质场增强

提高纵向耐压是研究绝缘体上的硅(Silicon-on-insnlator,简称SOI)高压器件之瓶颈,经过多年研究,总结出了SOI高压器件介质场增强(Enhanced Dielectric Layer Field,简称ENDIF)理论与技术,通过增强介质埋层电场来提高击穿电压.给出增强介质埋层电场的3项技术,即在埋层上界面引入电荷、降低埋层介电系数、采用超薄顶层硅.基于ENDIF,提出了一系列SOI高压器件结构,即电荷型SOI高压器件、低k和变k埋层SOI高压器件、薄硅层阶梯漂移区SOI高压器件,建立了相应的耐压模型,并研制出大于700V的双面电荷槽SOI横向扩散金属氧化物半导体(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,简称LDMOS).