10 kV交流XLPE电缆加速热老化后交直流绝缘特性分析

通过对比110℃加速热老化后10 kV交流交联聚乙烯电缆试样交直流绝缘特性的差异,采用不同温度下宽频介电谱、交直流击穿、直流电导率和空间电荷测试,结合有限元仿真,研究了不同热老化时间作用下10 kV交流XLPE电缆绝缘的交、直流电气特性,以及改为直流运行后电缆绝缘的电场分布。结果表明：随着热老化时间的延长,XLPE试样的复介电常数实部先增加后增速减慢,高频区介质损耗逐渐增加;试样的电流密度先减小后增加,空间电荷积累阈值场强则呈相反变化趋势,且试样内的空间电荷积累逐步由异极性转变为同极性。随着测试温度的增加,同一老化时间下XLPE试样的介电常数实部减小,介质损耗增加;试样的电流密度增加,阈值场强减小,试样内部空间电荷积累量有所增加,交直流击穿场强下降。直流电压下,绝缘层在靠近缆芯处电场高,电场差值随绝缘试样活化能的减小而增加。长期热老化后,电缆绝缘层的直流电场分布更均匀,且空间电荷积聚问题得到改善,有利于提升10 kV交流电缆改为直流运行的可靠性。     

热老化对交流配电XLPE电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响

为了研究热老化对交流配电交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响,先对已运行两年的10kV交流XLPE电缆样段进行135℃加速热老化试验,随后采用车床和特质刀具将电缆样段沿轴向环切得到薄片试样,通过直流电导率、空间电荷测量、表面电位衰减和直流击穿测试,结合载流子迁移率、活化能和陷阱参数的计算,对老化前后交流配电XLPE电缆的直流绝缘性能进行研究.结果 表明:随着老化时间的增加,交流XLPE电缆绝缘试样的直流电导率和载流子迁移率先下降后上升,长期老化后空间电荷积累阈值场强与试样的活化能明显减小,试样的直流电导率随着测量温度的升高而增加,其空间电荷积累阈值场强随着测量温度的升高而减小;随着老化时间的增加,试样中积累的空间电荷由异极性转变为同极性,深陷阱数量与直流击穿场强均呈现先上升后下降的趋势;分析认为短期热老化有利于提高交流配电XLPE电缆改为直流运行后的直流绝缘性能.     

现役交流XLPE电缆绝缘切片试样的交、直流耐压性能对比

为升级输电线路的传输能力,可将现役交流XLPE电缆线路改为直流运行,但仍缺乏改造方案设计的统一标准或规范。因而对1根投运7年的YJV22-8.7/10 kV-3×185 mm~2电缆进行绝缘环切,在相同条件下对切片试样进行交流及直流电压下的连续和逐级升压击穿试验。结果表明:升压速率为2、0.5、0.1 kV/s的连续升压击穿试验中,升压速率对试样的交流平均击穿场强影响很小,而对直流击穿场强影响较大;时间步长为2、6、15 min的逐级升压试验中,随着时间步长的增加,交流击穿场强略有降低,而直流击穿场强显著增大。随着电压施加时间的增加,交流击穿场强下降,而直流击穿场强反而增大,这导致直/交流击穿场强比值持续增大,由1.33增大至3.73。以击穿场强的95%置信下限值为基础,推导可获得XLPE绝缘试样的交、直流1 h击穿场强分别为89.50 kV/mm及247.55 kV/mm,而反幂定律中的电老化寿命指数拟和值为17和-11.51。在高压短时击穿试验范围内,试样的直流耐压性能随时间变化不符合传统电老化寿命定律,这可能与空间电荷效应的时间依赖性有关,需要后续研究进一步确认;同时也说明基于薄试样、高电压、短时间的击穿试验数据无法有效反映直流绝缘的长期电老化性能,不能直接用于XLPE直流电缆的绝缘结构设计。     

热老化对电压稳定剂改善交联聚乙烯绝缘性能的影响

为了进一步提高交联聚乙烯(XLPE)的电气性能,该文选用间氨基苯甲酸作为电压稳定剂,用溶液法制备了质量分数为1％的XLPE共混物试样,并对试样进行加速热老化实验.利用空间电荷、电导率和表面电位衰减测量,研究了添加电压稳定剂和热老化前后材料的电气性能.通过试样在添加电压稳定剂与老化前后的电场和陷阱能级分布,分析了电压稳定剂以及热老化对试样内部陷阱的影响.结果表明,间氨基苯甲酸能够有效抑制XLPE中的空间电荷积聚,改善试样内部电场分布,同时降低试样的直流电导率.热老化后,试样内部出现了明显的空间电荷积聚,电场畸变明显,表面电位衰减速率下降,直流电导率有明显上升.由此可知,电压稳定剂的添加导致试样内部深陷阱和浅陷阱密度的增加,提高了电荷注入的势垒.热老化使陷阱密度下降,深陷阱加深,导致材料中空间电荷积聚,电场畸变明显,从而降低了材料的电气性能.     

320kV交联聚乙烯直流电缆用国产基料选型研究

目前,320 kV交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)直流电缆是已投运的最高电压等级的柔性直流电缆。XLPE高压直流电缆是柔性直流输电系统的核心设备,将XLPE高压直流电缆绝缘基料国产化具有重要意义。该文测量与评估了多种国内知名厂家生产的绝缘基料的直流击穿电场强度、空间电荷特性与直流电导率,对比国外超净基料、绝缘材料(超净基料+2%交联剂)对应电性能指标,优选出了两种国产基料,确定了320kV XLPE直流电缆绝缘料用基料国产化的可行性。最后,详细研究了国产基料直流电导率参数,确定了适合于国产基料的电导率拟合函数。     

电压稳定剂对交联聚乙烯直流绝缘性能的影响

电压稳定剂多用于交流电缆用交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)绝缘材料,尚未有研究系统探索电压稳定剂在直流电缆XLPE绝缘中应用的可行性。为了研究电压稳定剂对XLPE直流绝缘性能的影响,选取一种可接枝的芳香酮化合物(aromatic ketone compound,AKVS)作为电压稳定剂。通过熔融共混和热交联方法制备含有AKVS和抗氧剂的XLPE-A试样,以仅含抗氧剂的XLPE试样为参照,测试电压稳定剂对XLPE红外吸收光谱特性,以及不同温度下的直流击穿强度、电导特性和空间电荷积累特性的影响。实验结果表明:AKVS分子在热交联过程中能通过其乙烯基上的化学反应接枝到XLPE分子上;含有AKVS的试样不同温度下的直流击穿强度均得到大幅度提高;AKVS使XLPE电导率的温度依赖性略有增大,但对直流电缆绝缘层电场分布的负面影响并不明显;含有AKVS的试样空间电荷的分布相对更均匀、积累量相对减小,电荷消散速度相对更快。该文提出一种将电压稳定剂应用于直流电缆XLPE绝缘的方法,可以作为其他改性方法的有益补充。     

基于国产基料的交联聚乙烯高压直流电缆绝缘材料电性能研究

交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)高压直流电缆是直流电网的核心设备,将XLPE高压直流电缆绝缘料国产化具有重要意义。基于欧洲主流超净低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)与国内知名企业生产的2种超净聚乙烯,分别制备XLPE试样,并完成脱气处理。测量与评估3种XLPE试样的直流击穿电场强度、直流电导率、空间电荷特性等电气性能指标,综合评估交联材料电气性能。其中,一种国产交联聚乙烯材料的击穿场强与电导率性能指标接近于参考绝缘材料性能指标,其空间电荷性能指标优于参考绝缘材料性能指标,确定了XLPE高压直流电缆绝缘料国产化的可行性。     

电压稳定剂接枝改性对500 kV直流XLPE电缆材料电气性能的影响

为了研究4-乙酰氧基苯乙烯（AOS）电压稳定剂接枝改性对500kV高压直流交联聚乙烯（XLPE）电缆材料在不同温度、电场强度和接枝含量下的电气性能的影响，该文通过熔融接枝法制备了不同含量的AOS接枝XLPE(XLPE-g-AOS)试样，通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱和差示扫描量热实验分别表征试样的微观形貌、理化结构和结晶特性，对试样进行了直流电导电流、空间电荷、直流击穿、热刺激去极化电流测量，得到试样在不同温度和电场强度下的电气性能参数，结合量子化学计算分析了AOS接枝对XLPE复合材料陷阱特性和电荷输运的影响。结果表明：AOS接枝使试样断面形貌更加粗糙，而较高含量接枝会出现纳米球形分散相；XLPE-g-AOS的熔融温度和结晶度比纯XLPE更高；AOS质量分数为3%的XLPE-g-AOS具有最大的浅陷阱能级和密度，且其在高温高电场下具有最低的直流电导率、最少的空间电荷积聚量、最小的电场畸变率和最高的直流击穿强度。接枝AOS引入了更深且更多的浅陷阱，形成了均匀致密的浅陷阱点阵，阻碍了载流子迁移。     

商用直流电缆料采用不同质量分数纳米MgO改性选型

为提高商用直流电缆料高温下的绝缘性能,向商用直流电缆料添加不同质量分数的纳米MgO粒子,制备了MgO/XLPE纳米复合介质,并测试了试样在不同温度下的正、负极性直流击穿场强、空间电荷分布以及电导率。结果表明:添加纳米MgO粒子能显著提升直流电缆料正、负极性直流击穿场强,添加质量分数为0.1%和0.5%的纳米MgO粒子能减小温度对电导率和空间电荷特性的影响,提高其高温下的电导率和空间电荷性能,减少直流电缆中的电场畸变。经综合比较可选用添加质量分数0.1%纳米MgO粒子来改性现有商用直流电缆料。     

直流叠加冲击电压下XLPE中空间电荷特性研究

高压交联聚乙烯（XLPE）直流电缆在工作状态下，会受到电力系统中由投切等操作引起的操作冲击电压的破坏，导致绝缘受到影响，而目前缺乏多次冲击累积效应引起空间电荷累积导致电缆绝缘劣化的相关研究。本文基于实验室已有的直流叠加冲击电压下的PEA法空间电荷测量系统，分别测量了直流电压、冲击电压、直流叠加冲击电压作用下XLPE电缆绝缘中的空间电荷特性。结果表明：正直流电压下XLPE体内以异极性电荷为主，负直流电压下SC电极上出现同极性负电荷的注入；连续的高幅值冲击电压作用会导致双电极上大量的同极性电荷注入，且负极性冲击下电荷注入量略多；当直流叠加冲击电压时，同极性叠加方式比异极性叠加方式更能促进双电极上同极性电荷的注入，而且冲击电压作用时间越长，XLPE试样内部积聚的电荷量越多。     

炭黑/交联聚乙烯纳米复合材料的空间电荷和电导特性

为研究添加炭黑(CB)对交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料直流介电性能的影响,通过熔融共混制备了CB/XLPE纳米复合材料,在不同的恒定温度下分别测试了各试样的电导率与外施直流电场强度的关系,并利用电声脉冲法测量了各试样内的空间电荷分布状况。研究结果表明,添加少量炭黑即可使XLPE中的空间电荷量明显减少,当炭黑掺量为1 phr(指每100 g XLPE中添加1 g CB)时,复合材料抑制空间电荷的能力较强;XLPE在较低电场强度下就表现出电导非线性特性,且电导率受温度影响较大,最大变化量超过3个数量级;而CB/XLPE纳米复合材料在小于20 kV/mm的电场强度下电导率变化较小,且温度对其直流电导率的影响明显小于XLPE。炭黑能抑制XLPE中空间电荷累积和改善其直流电导特性的原因是增大了材料中的陷阱密度和陷阱深度。     

冲击电压下160kV高压直流电缆绝缘材料击穿特性研究

为了研究士160 kV高压直流交联聚乙烯电缆绝缘料切片在标准雷电冲击电压和标准操作冲击电压下的击穿场强随温度的变化特性,设计了一套温度控制系统,试验温度控制在30~70℃,并采用三参数威布尔分布模型对试样的击穿场强进行统计分析。结果表明:温度对XLPE雷电冲击电压下的击穿特性影响较小,其击穿场强值随温度变化较小;高于40℃时,温度对操作冲击电压下的击穿场强有较大影响,其击穿场强随温度升高明显降低。在两种冲击电压下,大部分试样在冲击电压上升沿发生击穿,表明试样的击穿场强对电压变化率更为敏感。通过对XLPE的击穿原理分析,进一步阐述了陷阱和空间电荷是XLPE聚合物击穿的主要原因。     

温度梯度下XLPE同轴和平板结构试样空间电荷行为对比性研究

直流电场下,电缆绝缘中的温度梯度效应导致绝缘材料空间电荷行为复杂,影响电缆系统长期运行的可靠性.目前,温度梯度下电缆绝缘空间电荷特性的研究多集中于平板结构的切片试样,但平板结构切片试样的空间电荷测量能否反映真实电缆绝缘中的空间电荷特性尚缺乏有力证明.该研究测量并分析了温度梯度场下2种不同结构(同轴结构、平板结构)10 kV交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)试样的空间电荷演变特性以及电场分布行为,基于去压状态下的空间电荷行为,计算了XLPE同轴电缆和切片试样的载流子迁移率以及陷阱深度分布,并对2种结构XLPE试样的空间电荷行为和电荷特性参数进行了对比性研究.该研究结果表明同轴结构和温度梯度效应均会加剧XLPE电缆外半导电层附近的空间电荷积聚,除了结构因素的影响,温度梯度场下XLPE同轴电缆和平板切片试样的空间电荷演变规律以及电荷特性参数均呈现出等效规律.     

直流电老化对160kV直流电缆材料空间电荷分布特性的影响分析

本研究对160 k V直流电缆切片在40 k V/mm的高直流电场下进行电老化试验,采用电声脉冲法(PEA)对电老化前后的空间电荷分布特性进行了研究,并对XLPE在直流电场下的老化机理进行分析。结果表明:电老化导致直流电缆绝缘的同极性空间电荷注入现象增强,空间电荷向绝缘内部迁移。随着老化时间的增加,空间电荷总量以及电荷陷阱深度增加,电荷脱陷过程变得更加困难。在整个老化周期内未发现异极性空间电荷,表明虽然试样内空间电荷量有所增加,但其老化程度并不严重,大部分XLPE分子链保持完整,说明160 k V直流电缆材料具有较强的空间电荷抑制能力及耐老化特性。     

特约主编寄语

社会经济活动对能源消费的快速增长以及人们对能源供给安全和生活环境恶化的日益关切,要求电网能在有限的线路走廊内实现远距离、大容量、低损耗、高效率的电力传输,并要求不同电网能互联以提高电力系统抵御风险的能力,改善供电可靠性。同时,随着太阳能、风能等可再生能源在电能结构中所占的比例不断增加,电网需要在不影响电能质量水平的情况下有效吸纳这些间歇性的电能资源。高压直流输电技术（HVDC）为上述问题提供了优异的解决方案,并在过去十年间得到了迅猛的发展与应用。此外,自20世纪90年代以来,迅速发展且日臻成熟的基于电压源换流技术（voltage sourced converter, VSC）,即柔性直流输电技术(HVDC Flexible,国外亦称“轻型直流输电技术”）,与传统的直流输电技术相比,更具特殊的技术优势：如有功和无功功率独立控制、毋须电网提供短路电流支持换相、两站点无需通信以及潮流反送时毋须反转极性等,在各种可再生能源接入（如海上风电）、海洋孤岛平台（岛屿、海上平台）供电和未来大城市商业住宅中心增容供电以及异步交流电网互联等领域展现了广阔的应用前景。

高压直流电缆,尤其是交联聚乙烯（XLPE）挤出绝缘高压直流电缆,作为直流输电系统的关键设备之一,因其体积小、重量轻、传输容量大、绝缘性能优异、对环境影响小等优点,相关的技术研发和应用备受关注。

虽然直流电缆的结构与交流电缆相比并无二致,但其技术问题与挑战远远超过交流电缆。首先,在交流应用场合,电场分布由绝缘结构中各处的电容决定,而绝缘材料的电容率（介电常数）在电气工程应用中所涉及的温度和电场范围几乎是常数,因此同轴电缆绝缘中的电场分布只由电缆的几何结构和尺寸决定,且不受运行负荷和环境的影响;而在直流电缆绝缘中,电场分布取决于绝缘的直流电阻分布,也即绝缘层特定位置的电阻率,而绝缘材料的电阻率又是所处位置温度和电场强度的函数,这种由温度梯度、电场分布到材料性能再到电场分布的多物理场耦合关系,使得直流电缆绝缘中的电场设计与选取变得异常复杂和困难。其次,伴随聚合物材料优良绝缘性能而来的矛盾是在直流电压作用下材料中空间电荷的聚集与迁移,绝缘结构中的空间电荷将改变局部电场的分布,极端情况的电场增加可能引起局部绝缘的加速老化甚至击穿。最后,相较于交流系统,人们对聚合物材料在直流电压下的绝缘特性、老化特性、绝缘缺陷的产生与发展直至绝缘失效机理的研究十分欠缺,以至于目前在世界范围内依然缺少科学且有效的直流电缆试验考核与评价手段,而作为快速增长的电网资产以及考虑直流电缆未来将大量运用于海底输电和联网,如何保证安全可靠的敷设施工和现场试验,以避免未来巨大的运行维护与检修成本,也是电网建设与运行管理者必须进行的技术准备。

在国内,由于早期直流电缆市场前景不甚清晰、电缆制造企业研发投入不足,我国挤出绝缘高压直流电缆的研究和应用远远落后于日本和欧美国家。在直流电缆绝缘材料及屏蔽材料的国产化、直流电缆结构设计理论及制造工艺的优化、终端及接头的材料选型与制造、科学有效试验检测方法的建立以及直流绝缘老化和电缆系统可靠性的评价手段等领域依然有大量的工作需要开展。

鉴于此,《南方电网技术》编辑部适时地编辑出版了此期围绕挤出绝缘直流电缆技术的专刊,以便从事直流电缆材料技术、制造技术、试验技术以及运行维护技术研究的同事宣传与交流自己的工作成果,也为我国挤出绝缘直流电缆技术的发展与应用研究起到“抛砖引玉”的作用。得到国内同行鼎力支持与帮助,本专刊共计收录15篇论文,内容覆盖直流电缆的技术发展现状与挑战、国内直流电缆的制造与应用以及直流电缆绝缘材料、试验及运行维护的各个方面：

1） 国产直流电缆制造与应用：“中国交联聚乙烯绝缘高压直流电缆发展的三级跳: 从160 kV到200 kV再到320 kV”文章系统介绍了国内过去3年间在3个电压等级XLPE绝缘直流电缆的研发与应用情况,对未来研发更高电压等级（如±500 kV）的直流电缆和工程应用都有很好的参考价值;

2） 直流电缆绝缘与屏蔽材料技术：“高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料及半导电屏蔽材料热性能及机械性能分析”和“直流电缆屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响”等文章初步比较研究了国产直流电缆绝缘与屏蔽料同几种进口材料的物理热、机械性能以及空间电荷特性,解释了引起国产与进口材料物理热机械性能差异的原因;“添加纳米MgO对交联聚乙烯中直流接地电树枝的影响”文章介绍了XLPE和XLPE/MgO纳米添加材料在重复施加直流电压和短路过程中电树枝的生长特性,用PEA方法测量了两种材料中空间电荷的聚集特性的差异,用XLPE/MgO纳米材料中形成同性电荷的事实解释了纳米颗粒阻止了电极尖端中性电荷的注入,进而阻止延缓了电树发展的机理;

3） 空间电荷测量技术：针对直流电缆绝缘中空间电荷的测量问题,“基于脉冲电声法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术的研究进展”和“全尺寸直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测量系统设计及声信号衰减与色散补偿”等文章分别介绍了同轴结构中空间电荷的测量技术,重点介绍了厚试样中采用脉冲电声法（PEA）时声波信号的衰减与色散修正方法,这是全尺寸电缆绝缘中空间电荷测量时保证足够的测量灵敏度和空间分辨率并以此计算评价空间电荷对直流电缆绝缘中电场分布及可靠性影响所必须的技术手段;

4） 直流电缆系统过电压与绝缘配合：虽然任何电介质材料的直流绝缘强度都远远高于交流绝缘强度,但在直流电缆系统中,尤其是架空线与电缆复合输电线路中（如南澳柔性直流工程）,直流电缆绝缘仍旧要承受来自系统故障及雷击所引起的暂态过电压,“柔性直流系统挤出绝缘电缆暂态过电压仿真”文章以南澳柔性直流输电示范工程为研究背景,仿真研究了不同故障类型,包括交流单相接地、两相短路、桥臂电抗器接地条件下直流电缆系统的暂态特性,为未来直流电缆绝缘设计和系统绝缘配合提供了很好的借鉴;

5） 直流电缆终端与接头技术：如同交流电缆的终端接头附件,直流电缆终端与接头也包含不同介电性能的绝缘材料和界面,使其结构设计和空间电荷控制更加困难,“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”和“正交电场下XLPE/SIR介质界面空间电荷的特性”等文章分别介绍了运用电导非线性硅橡胶（SiR）材料改善直流电缆接头应力锥处电场分布的研究和正交电场下XLPE/SiR界面空间电荷特性的研究,这些积极的研究尝试将为优化设计与制造直流电缆终端与接头附件提供有用的参考;

6） 电缆绝缘老化评估技术：电应力是导致绝缘介质在长期运行条件下产生老化直至绝缘失效的主要因素,大量的XLPE材料在交流电压或直流电压下的电老化试验研究表明两种电压下的材料老化速度存在较大的差异,其结果直接决定着直流电缆绝缘寿命的设计与运行老化评估,“高压XLPE电缆绝缘V t特性研究方法”文章介绍了介质的击穿电压V和击穿时间t的关系,也即V t特性曲线,并用于描述XLPE电缆绝缘的电老化寿命模型,分析了国内外高压交、直流XLPE电缆绝缘V t特性的研究方法及相关结果;

7） 直流电缆系统试验与运维技术：针对直流电缆试验技术、直流电压下局部放电产生与测量技术的研究与发展,“挤出绝缘高压直流电缆系统试验技术规范综述及建议”系统分析了交直流电缆试验技术的差异,结合目前被广泛采用的CIGRE TB 496推荐试验方法,对如何提高直流电缆试验的有效性与科学性提出了具有启发意义的建议;而“直流局部放电检测技术综述”系统完整地综述了直流电压下局部放电缺陷的产生发展机理以及测量技术,介绍了国内外在这一研究领域的研究现状,为国内同行开展相同领域的工作描述了清晰的技术路线;作为对直流电缆系统长期可靠性考核评价方法的完善,有关热流场仿真计算的“直流电缆负荷循环系统中温控介质轴向温度分布仿真研究”文章为在直流电缆预鉴定试样中准确控制绝缘层问题梯度分布提供了有用的参考。

在近几年电网企业柔性直流输电示范工程需求的强力推动下,我国在XLPE绝缘直流电缆的制造、试验和工程应用方面有所突破,并实现了从±160 kV到±200 kV 再到±320 kV电压等级所谓“三级跳”式的发展,在科研方面也取得了许多重大成果,本刊所发表的仅是部分的最新成果。但是专刊文章所涉及的研究内容均是全面提高直流电缆制造与安全运行技术必须关注的,完全有理由相信,这一专刊的出版将为推动国内在这一领域的研究起到积极的作用。

最后,衷心感谢论文作者的大力支持,感谢论文审稿专家、《南方电网技术》编辑部为本专刊顺利出版所付出的辛勤劳动。

傅明利

2015年10月4日于南方电网科学研究院

     

脱气处理对直流电缆绝缘击穿场强的影响

采用直流电缆用交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘料,制备100、200、300、400mm 4个不同厚度的试样,经70℃、100Pa真空环境下不同时间(0、24和72h)的脱气处理后,通过其直流击穿场强和空间电荷特性检测和比对分析,研究脱气处理对直流电缆绝缘击穿场强的影响。研究表明,对于相同厚度试样,脱气处理能有效提高XLPE的击穿场强,并减少电极附近的异极性电荷积累和试样内交联副产物含量,且相对较厚试样的击穿场强的提高更明显。相同脱气时间下,试样厚度的增加导致交联副产物含量的增加、两极附近异极性电荷量增加、电场畸变的增加和击穿场强的降低。在不同脱气时间下,对直流击穿场强与厚度依据反幂规律进行拟合,由拟合结果可知随脱气时间增加,系数k逐渐增大,指数因子n逐渐减小。通过建立一种e指数函数关系以拟合脱气时间对于反幂规律中参数k与n的影响,为达到最佳的脱气效果提供参考。基于非本征击穿模型分析,脱气能减少XLPE中预先已有的缺陷和加压过程中产生的缺陷数量。交流副产物含量的降低能减少造成试样击穿的杂质缺陷和异极性电荷的积累,提高XLPE的击穿场强。合适的绝缘厚度和脱气时间选择可以在节省成本的同时,最大程度地提高直流电缆的绝缘性能。     

柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计

重点探讨了柔性直流电缆绝缘料及电缆的结构设计。分析指出,空间电荷问题是柔性直流电缆绝缘急需解决的难题,电缆绝缘空间电荷测量装置的研制及空间电荷陷阱能量分布的测量均有助于空间电荷问题的研究。添加纳米填料抑制交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中空间电荷时,可以通过表面物理或化学修饰等改性手段解决纳米粒子与XLPE的相容性问题。文中指出,柔性直流XLPE电缆绝缘中电场分布与体积电阻率呈正比分布,而电阻率取决于温度和场强。由于受到空间电荷的影响,运行中柔性直流电缆经受的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键因素。最后,提出了开发高载流90℃工作温度绝缘料,并设计出绿色环保的高压、超高压陆地和海底电缆结构。     

电压稳定剂对交联聚乙烯交流绝缘性能的影响

使用电压稳定剂能有效提高交联聚乙烯(XLPE)材料的耐电树枝性能,有利于提高XLPE绝缘高压电缆的使用寿命和电压等级。为了研究电压稳定剂对XLPE交流绝缘性能的影响,选取光稳定剂UV–531、光引发剂ITX、苯偶酰和茴香偶酰4种芳香族化合物作为电压稳定剂,熔融共混到聚乙烯中制成含有电压稳定剂的XLPE材料,以纯XLPE为参照,测试了不同电压稳定剂对XLPE的电树枝起始电压、电树枝生长特性、交流击穿强度、相对介电常数和介质损耗特性的影响。结果表明:添加茴香偶酰能使XLPE的电树枝起始电压提高49%,同时能抑制电树枝的生长;4种电压稳定剂均能提高XLPE的交流击穿强度,以ITX和UV–531效果最优,分别使击穿强度提高了9.4%和8.6%;加入电压稳定剂会使XLPE的相对介电常数和介质损耗因数增大,但除ITX以外的3种电压稳定剂对XLPE的介电性能影响较小,不影响材料工频电压下的使用。     

以氯化聚乙烯改性交联聚乙烯作为直流电缆绝缘的研究

以少量氯化聚乙烯(CPE)改性交联聚乙烯(XLPE),用电声脉冲法测量了试样中的空间电荷分布,研究了CPE含量与空间电荷的关系,确定了降低空间电荷的最佳含量,研究了CPE对试样直流预压短路树枝起始电压的影响,当CPE含量为1%时,XLPE的50%直流预压短路树枝起始电压决定直流电压的极性,分别可提高42.3%和35.5%。最后作者还测量了试样的其他介电性能,计算了空间电荷畸变的电场强度,分析和讨论了相关的机理。     

±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。