基于双极性载流子输运模型的聚酰亚胺薄膜空间电荷数值模拟

聚酰亚胺（PI）薄膜因其优异的电气性能广泛应用在电力设备中,但空间电荷会在PI薄膜内部积聚导致其电气绝缘性能劣化。为了获得绝缘性能优异的PI薄膜,需要进一步研究薄膜内部空间电荷动态积累和迁移过程,优化其内部结构。本研究基于双极性载流子输运模型,分析了PI薄膜在直流电压下空间电荷的分布,探讨了电场强度与温度对PI薄膜内部空间电荷分布特性的影响。结果表明：随着施压时间的延长,薄膜内积聚的空间电荷增多,施压180 min后,阳极和阴极分别积聚了0.635 C/m3和-0.712 C/m3的电荷,且空间电荷的存在使薄膜内部电势发生严重畸变。电场强度和温度的升高让电荷获得更多能量去克服界面势垒并注入到薄膜内部,使薄膜内部积聚的空间电荷增多,电场畸变更严重,在308 K温度下,薄膜电场畸变率高达0.968%。在强电场和温度场中,由于电荷迁移速率随温度和电场强度增高而变快,空间电荷在PI薄膜内部的分布更加复杂。     

直流预压对针板电极下XLPE中空间电荷及电树枝的影响

空间电荷是影响高压直流电缆绝缘电树枝特性的主要原因之一.基于双极性载流子输运模型,对±20 kV、±22.5 kV和±25 kV直流预压下3600 s内二维针板电极模型空间电荷分布进行仿真分析,并对比分析空间电荷分布与直流接地电树枝引发特性.结果表明:空间电荷浓度及注入深度随预压幅值及时间的增加而增大;直流接地电树枝引...     

连续极性反转电场下XLPE中空间电荷特性研究

针对不同状态的直流电缆交联聚乙烯样,采用1.2s极性转化时间和逐级升压的极化电场,检测不同电场极性反转前后的空间电荷响应,结合红外光谱,分析极性反转电场下空间电荷输运特性,并提出基于连续极性反转场检测的绝缘评估方法.结果表明:连续极性反转过程中,未脱气试样内平均空间电荷密度变化量△ρ大于脱气试样,差值δ随电场线性增大,...     

交联聚乙烯试样中空间电荷输运特性的数值模拟

挤塑型交联聚乙烯(XLPE)高压直流电缆绝缘中空间电荷的积聚会造成局部场强畸变,导致材料的绝缘性能下降。电缆内导体的热效应在绝缘层产生的温度梯度会进一步影响电荷行为,纳米颗粒改性是抑制空间电荷的一种有效措施,但抑制作用具体如何实现,尤其是对于微观层面载流子输运过程的影响规律还需深入分析。试样内空间电荷的数值仿真可以探究各种微观粒子之间的相互作用和演化过程,因此文中基于载流子抽出受限的双极性电荷输运模型,对温度梯度下的电荷行为,深陷阱与浅陷阱对于载流子迁移过程的影响进行了研究。结果表明：低温侧会因抽出受限而积聚异极性电荷,深陷阱会限制载流子输运且深陷阱作用存在瓶颈,随着迁移率增大,电荷分布由同极性变为异极性分布,当迁移率足够大时,异极性电荷不再增长甚至开始降低。     

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。     

杂质浓度梯度下XLPE空间电荷与电场分布特性仿真研究

交联副产物等杂质解离易引起异极性空间电荷的积累,导致局部场强畸变。同时,交联聚乙烯（XLPE）直流电缆脱气处理后交联副产物杂质会在绝缘层中形成“内高外低”的浓度梯度分布,而杂质浓度梯度对空间电荷的影响尚不清晰。为此基于双极性电荷输运模型,引入杂质浓度梯度并考虑杂质离子对载流子的散射作用,仿真计算交联副产物杂质均匀分布与梯度分布对XLPE空间电荷与电场分布的影响,并分析影响杂质梯度效应的各种因素。结果表明：杂质梯度分布下XLPE空间电荷和电场分布表现出明显的杂质梯度效应,即低浓度侧异极性电荷积聚增多,导致其附近电场增强;而杂质解离势垒和杂质分布浓度是影响杂质梯度效应的主要原因,在杂质浓度梯度一定时,活化能越低,温度越高,解离势垒越低,载流子的迁移率相应降低,导致杂质梯度效应越明显;绝缘层厚度越大,杂质分布浓度越高,杂质梯度效应也越明显。     

温度梯度叠加极性反转电压下硅橡胶电荷输运及电树枝特性

直流电缆长期运行在高温度梯度作用下,且时常遭受极性反转、冲击电压等暂态电压,严重影响电缆绝缘可靠性。该文选用电缆附件主绝缘硅橡胶材料,针对不同温度梯度场和极性反转电压下的电树枝起始特性进行研究。搭建极不均匀场下双极性载流子输运模型,研究不同温度梯度和极性反转过程中电荷输运和电场分布特性。研究结果表明：随着针尖温度的上升,空间电荷注入量和注入深度不断增加,反转前后电场的变化更大。温度从30℃增加至120℃,电树枝起始电压下降26.2%,电树枝形态趋于密集,但电树枝长度先增加后减少。结合空间电荷输运特性,给出极性反转电树枝起始的过程,并分析温度梯度对电树枝引发特性的影响规律。     

绝缘纸特性和极性反转对油纸绝缘空间电荷效应的影响

油纸绝缘系统的空间电荷效应将畸变绝缘介质内部的电场,进一步影响其老化和击穿等电气特性。在直流电场、复合电场及极性反转等复杂工况下,换流变压器内绝缘系统的空间电荷效应将更为突出。基于双极性电荷输运模型,通过数值模拟方法探究绝缘材料厚度、老化状态和极性反转等关键因素对空间电荷效应的影响。研究表明,绝缘纸厚度的变化不改变空间电荷密度曲线中正/负电荷区的极性偏移特性,但厚度变小缩短或消除了零电荷区;绝缘纸老化程度的加深,其电荷陷阱及深陷阱数目均会增多,这一方面加强了空间电荷效应的极性偏移,另一方面使得正电荷区呈变小趋势,从而使绝缘纸内电场畸变加剧;极性反转工况下,绝缘纸中陷阱电荷的脱陷或复合均需一定的时间滞后,使得净空间电荷密度曲线的负/正电荷区呈现初值不对称和沿介质厚度方向分布均不对称的特征,致使绝缘纸内部电场畸变愈发严重。研究结果可以为换流变压器油纸绝缘设计与防护提供参考。     

工频双极性方波电场下环氧树脂的空间电荷特性EI北大核心CSCD

为研究环氧树脂在双极性方波电场的空间电荷积累现象,以上升沿200μs和频率50Hz的双极性方波为极化电场,检测0.83~16.63kV/mm范围下环氧内部的空间电荷动态响应,并结合红外光谱的交联副产物分析,探讨电场幅值对空间电荷积累量及最大电场畸变率的影响。结果表明:环氧树脂表面层的空间电荷为异极性电荷占主导,48h真空脱气后其电荷量明显下降,与交联副产物等杂质相关的官能团量明显下降趋势一致。这表明交联副产物是空间电荷的主要来源之一,解离形成的正、负离子在电场作用力驱动下向极性相反电极定向迁移后,在试样表面层形成明显的异极性电荷积累。全周期平均相位体电荷密度中的绝对值密度ρa、正电荷密度ρ+和负电荷密度ρ-随外施场E均呈现指数n≈1增长,与欧姆传导的特征指数n=1相近。这表明检测电场范围可能在欧姆传导区,载流子源中杂质离子电荷占主导。负半周期ρa、ρ+和ρ-均呈现出指数n≈1的欧姆传导输运特征,而正半周ρa、ρs和ρ-均呈现出n在1.130~1.159的指数增长;全周期ρs、正半周期ρ+和负半周期ρ-呈现出了明显的三段试增长,存在2个明显的阈值电场,且最大电场畸变率δmax整体约在9%~17%左右。这可能主要与下电极侧试样在正、负半周期电场下的杂质离子电荷和电极注入电荷的量以及分布区域动态平衡相关。     

绝缘纸中空间电荷效应的模拟研究

为明晰空间电荷对油纸绝缘纸板中电场强度的畸变效应、纸板老化状态与空间电荷的作用机制,采用双极性载流子输运模型,对不同老化状态的绝缘纸板中的空间电荷特性进行数值模拟。对于同一老化状态下的绝缘纸板施加直流电压时,纸板中会出现同极性电荷积聚现象,且正极性电荷的分布范围较负极性显著变窄;随着加压时间的增加,纸板中的电场畸变率呈增大趋势。当绝缘纸板老化程度加深时,其陷阱密度和深度均会增加,致使空间电荷在纸板的近电极侧大量积聚,进而削弱纸板和电极边界处的电场强度,加剧纸板内部的场强畸变;且绝缘纸板老化愈严重,空间电荷对电场的畸变作用愈突出,使得绝缘纸板加速老化,容易诱发绝缘击穿故障。研究结果可为变压器油纸绝缘设计提供参考。     

极性反转条件下弯曲油纸绝缘结构电场特性研究

本文中作者采用瞬态上流有限元法计算绝缘中的空间电荷分布,将该方法应用于变压器中常见的弯曲结构,得到了极性反转电压下的电荷运动和电场分布特性,并研究了不同反转时间对极性反转特性的影响。     

热老化下双层聚酯薄膜空间电荷特性的试验与数值仿真研究

双层电介质广泛应用于高压电气设备绝缘系统中,由此引入的空间电荷积聚和局部电场畸变问题已得到普遍关注。为揭示界面空间电荷特性及其影响影响因素,文中以热老化处理（130℃）的双层聚酯薄膜（PET）为研究对象,采用电声脉冲法（PEA）测量技术对不同热老化程度双层介质的空间电荷特性进行研究,基于测试结果从3个方面对双层介质表面态特性进行表征,建立改进的双极性电荷输运模型（BCT）,模拟空间电荷的动态演变过程,揭示了表面态对电荷特性的影响规律。试验结果表明：随着老化时间增加,界面电荷密度先增加后减小,界面区域以电子性陷阱为主,但该区域电子和空穴陷阱呈现非对称特性。仿真结果表明：表面态对界面电荷行为有重要影响,介质表面陷阱深度、密度及其分布范围的增加导致界面电荷的积聚更加严重。     

换流变压器在极性反转下的瞬态电场分布特性研究

对换流变压器器身主绝缘建立了瞬态电场计算模型,分别对绝缘介质进行了各向同性线性或非线性与各向异性线性或非线性计算分析。得到了实际换流变压器模型在极性反转试验电压下绝缘结构中瞬态电场变化的分布规律,为准确进行换流变压器绝缘结构设计提供了有价值的应用结论。     

直流预压时间对直流叠加冲击电压下XLPE中电树枝引发特性的影响

为探究直流预压时间对直流叠加冲击电压下电树枝引发特性的影响,在幅值为0、±10kV预压时间为1、10、60、180 min的直流偏置电压下分别叠加±50 kV的雷电冲击电压.此外,利用双极性载流子输运模型对复合电压下针尖附近空间电荷及电场分布进行了仿真分析.试验及仿真结果指出,随着直流电压作用时间的增加,复合电压下的电...     

基于场路耦合方法的多层电介质极性反转绝缘特性研究

极性反转是直流输电设备的一种特殊工作状态。笔者以三层电介质复合绝缘结构为研究对象,采用场路耦合方法,建立了介质极性反转的数学模型,分析了极性反转时各层电介质中的电场分布、电流特性,以及热生成率随时间变化的关系,最后还分析了不同介质交界面上电荷极性反转的特点。研究结果可为直流输电设备绝缘结构设计提供参考。     

基于本征正交分解的换流变压器极性反转电场降阶模型

为了解决在求解换流变压器极性反转瞬态电场过程中计算时间过长,占用存储空间过大的问题,该文基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法构建了求解换流变压器极性反转瞬态电场的低阶有限元模型。首先,应用传统伽辽金有限元法计算部分时刻的场域电位组成样本数据,并对样本数据组成的矩阵进行特征值分解得到一组POD正交基,最后通过生成的POD正交基构建准静态电场方程的降阶模型。应用所提出的POD降阶模型,分析了一台?500k V换流变压器在极性反转情况下绕组端部电场随时间的变化情况。计算结果表明:POD降阶模型的计算结果与全阶模型(传统伽辽金有限元模型)的计算结果较吻合,验证了POD降阶模型的准确性。同时,应用降阶模型计算换流变压器瞬态电场的计算时间远小于全阶模型的计算时间,说明了降阶模型的高效性。     

基于国产交联聚乙烯绝缘材料的直流模型电缆电性能研究

为更有效模拟电缆的构造及生产过程,针对优选的国产低密度聚乙烯绝缘基料(以下简称LDPE试样),采用热贴合方法将LDPE试样(含交联剂)分别与两种已在直流电缆中应用的屏蔽料试样(均含交联剂)制备成薄片试样,开展在高场强不同温度下的空间电荷特性对比研究,优选一种适于国产基料的屏蔽料。在此基础上,试制了基于国产绝缘料的直流模型电缆,经脱气处理后开展模型电缆空间电荷测量及直流击穿实验,评估国产绝缘料作为直流电缆绝缘料的可行性。结果表明:采用国产绝缘料和与之兼容的半导电屏蔽料可以满足高压直流电缆的绝缘性能要求。     

交流500kV XLPE海缆绝缘材料在电-热联合应力下的工频击穿特性与寿命模型

为深入掌握交流500 kV交联聚乙烯(XLPE)海缆绝缘材料在电-热应力下的工频击穿特性并建立电-热联合寿命模型,本研究首先对500kV海缆主绝缘进行25、40、55、70℃步进应力下的电-热联合绝缘击穿试验,对电气强度和耐压时间进行Weibull统计分析,获得不同温度下等效电气强度和等效耐压时间的变化规律.然后,通过多元线性回归建立F-LLOU、SIMONI和CRINE模型并进行误差分析.最后,研究构建适用于该交流500 kV XLPE材料的E-T耦合参数模型.结果表明:在相同温度下,随着每级电压持续时间的增加,等效电气强度逐渐降低;在每级电压持续时间相同时,随着温度的升高,等效电气强度和电压持续时间均呈现先上升后下降的趋势.对电-热联合老化模型的分析表明,3种模型拟合误差较大,拟合优度不满足精度要求.本研究通过利用逐步回归计算电-热变量与寿命的显著性与相关性,获得改进的电-热联合老化寿命模型,误差分析显示改进模型具有较好的拟合精度.