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。     

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。     

温度对高压直流电缆中间接头内电场分布的影响分析

高压直流电缆附件中的电场分布主要取决于绝缘材料的电导率而非相对介电常数,由于交联聚乙烯(XLPE)和硅橡胶(SR)2种绝缘材料电导率差异较大,且受电场强度和温度影响较严重,导致直流电缆附件的设计比交流附件复杂得多。为此,采用软件仿真手段分析了不同温度梯度作用时,直流电压、直流叠加冲击电压下电缆接头中的电场分布情况。研究结果表明:在直流电压下,随着温度的升高电缆接头内的最大电场强度(简称场强)及XLPE/SR分界面的切向场强会大幅增加,而且绝缘内最大场强出现位置也会由高压屏蔽端部转移到应力锥根部;当直流叠加冲击电压作用时,接头内的电场分布会出现3个场强极大值点,压接管端部高压屏蔽内侧的场强最大,且不随冲击电压极性和线芯温度的变化而变化;直流叠加正极性冲击电压作用下,压接管端部SR材料内侧和应力锥根部XLPE材料内侧的场强随温度的升高而降低,而在直流叠加负极性冲击电压作用下这2点的场强随温度的升高而增大。以上研究结果可供高压直流电缆附件设计参考。     

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。     

500 kV直流电缆接头增强绝缘设计关键参数及其控制研究

500 kV直流电缆接头设计的核心内容是增强绝缘的材料性能和几何结构.本文计算和仿真了直流电缆接头内电缆主绝缘与增强绝缘双层介质的电场分布特征,分析了直流电缆接头由界面放电引起的击穿故障的发展机理,测试了直流电缆接头中的交联聚乙烯(XLPE)与硅橡胶(SR)介质界面的击穿特性.结果表明:增强绝缘与电缆接头主绝缘的电导率和界面切向电场强度是增强绝缘设计的关键参数;增强绝缘材料的电导率在温度和电场容许范围内应始终小于XLPE;主绝缘与增强绝缘界面的切向电场强度是影响直流电缆接头运行可靠性的关键控制参数,在最不利的条件下其阈值为2.5 kV/mm.研究结果为解决直流电缆接头尤其是增强绝缘的设计问题提供了新方法.     

直流叠加冲击电压下HVDC电缆暂态电场分布特性研究

运行中的HVDC电缆除了承受正常工作电压作用外,同时可能承受雷电和操作冲击电压的作用,因此在进行电缆绝缘结构设计时既要考虑稳态直流电场分布又要考虑冲击电压下暂态电场分布。由于HVDC电缆绝缘的电导率是电场及温度的函数,使得HVDC电缆在遭受雷电、操作冲击电压冲击时暂态电场分布更为复杂。为此,该文采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics仿真研究了温度梯度、施压方式以及绝缘材料非线性电导属性对直流叠加冲击电压下电缆绝缘中暂态电场的影响规律。研究结果表明:直流叠加冲击电压时,暂态最大场强始终出现在电缆绝缘内屏蔽表面;当电缆结构、绝缘材料非线性属性和外加冲击电压幅值确定时,随绝缘内温度梯度的提高,直流叠加同极性冲击电压时暂态最大场强减小,而叠加反极性冲击电压时暂态最大场强却逐渐增大;降低材料电导活化能和提高电场依赖系数可有效改善暂态电场分布,降低暂态最大电场波的幅值并缩短波头和波尾时间。     

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。     

外加电压及绝缘温差对XLPE直流电缆电场分布的影响

为了明确交联聚乙烯绝缘直流电缆电场随外加电压和绝缘温差的分布规律,基于有限元仿真分析方法,对±500 kV交联聚乙烯绝缘直流海缆进行了不同外加电压和绝缘温差下的电场分布研究,并与拉普拉斯场强计算方法进行对比.结果表明,通过拉普拉斯场强计算方法得到的直流电缆绝缘场强呈稳定分布,而有限元仿真情况下可见随着绝缘温差升高直流电...     

基于Comsol仿真的高压直流电缆附件材料电导率特性研究北大核心CSCD

高压直流电缆系统是实现远距离、大容量输电及海上新能源接入的关键电力设备之一。文中以500 kV直流电缆接头为研究对象,研究了附件用硅橡胶材料(SIR)的电导率特性对接头电场、电荷分布的影响,结果表明,增大硅橡胶材料的电导率常数和场强依赖系数,减少材料的活化能,能改善接头内部电场畸变,减少空间电荷的集聚。并以双组份加成型液体硅橡胶(LSR)和碳酸铜钙纳米纤维(CCTO)制备了接头增强绝缘材料,测试了其电导率特性,研究了不同电导率参数下的电场分布特点。最后,根据试验仿真结果,试制了500 kV直流电缆接头样机,通过了例行试验。文中的研究成果为500 kV乃至640 k V直流电缆附件材料的开发奠定了理论依据。     

基于增强绝缘材料非线性电导率的特高压直流电缆接头优化设计研究

特高压直流输电工程的实施使得特高压直流电缆装备的需求日渐迫切.为研究特高压直流电缆接头的结构设计,从聚合物绝缘材料的非线性电导率特性对直流电缆接头绝缘电场分布的影响入手,分析改性硅橡胶对特高压直流电缆接头绝缘结构优化设计的影响.结果表明:直流电缆接头增强绝缘中电场强度会随着电缆负荷电流的增大而发生极性反转.掺杂的钛酸铜钙纳米纤维无机填料大幅增强了硅橡胶的电导率非线性,提高了硅橡胶的活化能和电场强度系数参数,降低电导率进入非线性区的阈值电场强度.改性硅橡胶增强绝缘材料明显抑制特高压直流电缆接头中的双层介质界面切向电场、应力锥和高压屏蔽管表面电场的畸变.采用改性硅橡胶作为特高压直流电缆接头增强绝缘材料,可弥补调整电缆接头结构尺寸仍不能有效抑制接头中电场畸变的不足.研究结果可有效解决特高压直流电缆接头设计中的电场控制难题.     

320kV国产交联聚乙烯绝缘料高压直流电缆设计

为促进国产交联聚乙烯绝缘料在高压直流电缆绝缘中的应用,根据实验数据推导出国产交联聚乙烯绝缘料的电导率方程,得到了电导率与温度和电场之间的关系;实验测得五种不同厚度薄试样的击穿场强,根据双参数威布尔分布推导出绝缘料的击穿场强与厚度的关系,得出厚度为26 mm下绝缘材料的击穿场强;根据TICW 7.2标准设计出320 kV高压直流电缆的结构,利用Comsol Multiphysics软件仿真得出电缆在不同负荷状态下的电场和温度场分布。仿真结果表明:当导体绝缘内温差大于5.3℃时,绝缘外部场强开始高于内部场强;当导体温度为70℃时,绝缘内部电场最大值为15.1 kV/mm,远低于材料的击穿场强。通过仿真分析,为成功设计320 kV高压直流电缆提供参考。     

基于有限元法对±320 kV直流XLPE电缆中间接头电场与空间电荷的仿真计算

电场、温度场及空间电荷分布是高压直流(HVDC)交联聚乙烯(XLPE)电缆中间接头设计优化的重要参数。为此,利用COMSOL仿真软件计算了组合预制式、整体预制式2种电缆中间接头的电场分布、温度场分布、以及空间电荷分布,并分析了不同类型电缆中间接头各自的特点,提出了选型建议;针对2种类型的电缆中间接头,研究了材料参数、结构尺寸等因素对其性能的影响。结果表明:相较于整体预制式电缆中间接头,组合预制式电缆中间接头拥有更好的应用前景;通过对材料参数以及尺寸的研究发现,当使用硅橡胶(SR)作为电缆附件主要绝缘材料且硅橡胶电导率与电缆本体绝缘XLPE电导率的比值k约为10时,绝缘界面上的电场、温度场和空间电荷分布最优;优化应力锥曲线曲率半径、压接管厚度、内屏蔽层厚度等尺寸均能改善电场分布,且尺寸变化所达到的优化效果不如材料改性的优化效果显著,但却更具针对性。因此高压直流电缆中间接头的设计应以材料研制为主,以尺寸修正为辅。     

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。     

LDPE纳米复合介质的直流电导特性及其对高压直流电缆中电场分布的影响

聚合物绝缘材料的电导率通常是电场和温度的函数。选取低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE),纳米氧化镁(MgO)/LDPE及氧化硅(SiO2)/LDPE三种材料作为研究对象,对三种材料的电导率–温度和电导率–场强关系进行了实验研究。构建了表征材料电导率与场强及温度关系的数学模型,并依据此模型,针对320 kV、500 MW直流电缆结构,应用COMSOL有限元分析软件,计算了绝缘内电场分布。结果表明:直流场下,电场分布具有电导率依赖关系,温度变化引起的电导率变化,将导致电场分布与温度分布有关;同时,电导率还依赖于场强的变化,这种依赖关系可在一定程度下平抑由于几何结构或温度梯度形成的绝缘层内部场强不均匀性;纳米颗粒的掺入可降低电导率,性能改善机制与纳米粒子界面层电学行为相关。     

±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。     

±400kV高压直流电缆绝缘厚度设计与验证

本研究以±400 kV高压直流模型电缆为研究对象,开展了直流耐压试验和冲击耐压试验,获取模型电缆在最高运行温度下的直流击穿电压和冲击击穿电压,求解其在直流击穿电压和冲击击穿电压下的电场分布;基于平均场强法和最大场强法分别设计±400 kV高压直流电缆绝缘厚度,并计算了直流电压和冲击电压下绝缘层电场分布;通过对比±400 kV高压直流电缆和模型电缆的电场分布,最终得出了±400 kV直流电缆绝缘厚度.结果表明:采用平均场强法进行高压直流电缆绝缘厚度设计时,绝缘厚度取决于冲击电压;而采用最大场强法进行绝缘厚度设计时,绝缘厚度取决于直流电压.     

半导电层的高频特性对电缆附件内电场分布的影响

电缆附件常常在系统电压开合闸过程中发生故障,除了高频暂态过电压的原因外,电缆附件材料的高频特性也值得关注。本文基于35 kV冷缩式电缆附件及电缆,测量了附件用绝缘料三元乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶(SIR)及其半导电料与电缆用绝缘料交联聚乙烯(XLPE)及其外半导电料在MHz～GHz的介电频谱。根据测量结果,仿真计算了35 kV电缆中间接头在直流电压、交流叠加暂态(MHz～GHz)、直流叠加暂态(MHz～GHz)过电压下的内电场分布。结果表明:对于EPDM、SIR附件绝缘料及XLPE电缆绝缘料,当频率从MHz升高至GHz时,介电常数几乎不变,但电导率上升了2～3个数量级;对于电缆及附件用半导电料,当频率从MHz升高至GHz时,电导率增大,介电常数减小,其中电缆外半导电料的电导率和介电常数变化更大。仿真结果显示,在高频暂态电压作用下,电缆本体与附件界面处场强将超出设计安全值,在施加频率为1 MHz的电压时,电缆附件电场分布符合设计安全值,当施加频率达到100 MHz和1 000 MHz的电压时,附件橡胶绝缘与电缆绝缘界面电场分别达到2.765 kV/mm和5.613 kV/mm,有可能造成界面击穿故障,从而影响电缆附件的运行可靠性。     

描述高压直流电缆绝缘材料电导率的公式比较

以高压直流交联聚乙烯(cross-linked polymeric,XLPE)电缆为研究对象,研究讨论了现阶段描述直流电压下绝缘材料电导率公式对XLPE材料的适用情况。首先基于两种不同电导率公式推导了稳态下高压直流电缆中电场反转的临界温差、绝缘层温度分布、电场、电导率和距离电缆中心的乘积以及绝缘层电场分布,并通过比较有限元仿真结果和公式计算结果证明了所推公式的可靠性。然后通过对不同电导率公式计算值的比较,以及不同公式在相同条件下引起的绝缘材料热电特性,证明了公式互换的可能性。     

电导及介电自适应调控的复合绝缘材料及其应用

非线性复合绝缘材料有助于解决电力系统绝缘设备或部件电场分布不均匀的难题。为此介绍了Zn O压敏陶瓷微球及其复合绝缘材料的制备方法,实现了同时具有非线性电导特性和非线性介电特性随外加电场而自适应变化的复合材料。材料的非线性特性主要由压敏微球填料决定,而对于绝缘材料基体的要求较为宽松;当材料中的压敏微球体积分数超过30%时,复合物具有很好的非线性特性,其电导非线性系数可达到16.9而介电常数也能够比线性区增加5倍以上;材料的压敏电压也能够根据填料体积分数进行一定范围内的调节。采用非线性电导特性和非线性介电特性的复合材料取代传统电缆附件中控制电缆接头电场应力的压控管和应力锥的材料对电场的应力控制效果更好,对于110 k V的交流电缆终端内电场分布的仿真计算表明,在应力锥绝缘部分采用非线性材料能够将关键位置处的场强从采用固定材料时的4.7 k V/mm降低至2.2 k V/mm以下,并且材料的电导率越大、非线性系数越大时,均匀场强的效果越好。     

10kV交流XLPE电缆熔接头的直流电场仿真分析

为了研究具有不同电气性能的熔接头在直流下运行的电场分布,本文以10 kV交流交联聚乙烯(XLPE)电缆熔接头为例,通过有限元仿真软件建立熔接头电场和温度场耦合仿真模型,得到了当恢复绝缘且具有不同直流电导率时熔接头的直流电场分布.结果表明:当恢复绝缘的直流电导率大于本体绝缘时,熔接头直流运行时的最大场强位于反应力锥处.随着绝缘温差的增大,反应力锥场强逐渐减小而应力锥场强逐渐增大.反应力锥坡度越小,其电场强度越大,但熔接头恢复绝缘与本体绝缘的结合性更好.