极性反转条件下基于双极性载流子-离子混合输运模型的XLPE空间电荷特性研究

直流电缆在运行时需承受极性反转的电压,这会使得绝缘内部积累的空间电荷增加,进而可能引起绝缘破坏。同时在绝缘材料实际生产过程中引入的交联副产物等杂质解离产生的离子电荷会加剧电荷的积累。因此本文对传统双极性载流子输运模型进行改进,考虑杂质带电离子的影响,利用改进后的输运模型模拟交联聚乙烯(XLPE)内部空间电荷在电压极性反转期间的分布,研究极性反转时间和电场强度对电荷分布的影响机理。结果表明:在满足电压反转前后空间电荷分布基本呈镜像分布的基础上,引入离子电荷会增大两电极附近稳态时积聚的异极性电荷量;电压反转时间越长,两电极处的界面电荷峰值下降的越多,两电极附近的空间电荷变成相反极性的电荷量也越多,即反转完成时电荷分布更接近于反转稳定后的情况;在相同极性反转时间、不同电场强度下,电荷分布规律基本相同,场强越高,各处积累的电荷量越多。

基于双极性载流子输运模型的高压直流电缆附件绝缘EPDM/LDPE界面电荷的数值模拟

高压直流塑料电缆是直流输电系统的关键装备,作为其重要连接环节的直流电缆附件由于介质的不连续性,容易产生界面电荷积聚,威胁电缆输电系统安全。为此,通过设置界面特性相关的表面态、界面势垒和载流子迁移率等参数,利用双极性载流子输运模型仿真研究了不同界面条件下空间电荷在乙丙橡胶（EPDM）/低密度聚乙烯（LDPE）双层介质中的注入和输运特性,并分析了界面电荷累积对复合绝缘系统电场分布的影响。仿真与实验结果证明材料表层的深陷阱能级、较高的界面势垒以及两种介质间较大的载流子迁移率差异均能造成界面电荷密度的增大,同时界面电荷积累也使电场分布畸变更加严重。因此可以从改善材料表面态分布,降低界面势垒和提高载流子迁移率匹配程度等方法出发,以解决高压直流电缆附件绝缘界面电荷积累问题。

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。

基于双极性载流子模型的XLPE电缆空间电荷仿真研究

XLPE(crosslinked polyethylene)电缆具有众多优点,在世界范围内得到了大规模的应用,直流电缆空间电荷积聚是影响电缆寿命的一个重要因素。为了对直流XLPE电缆中的空间电荷分布特性进行研究,基于双极性载流子输运模型对直流电缆中的空间电荷分布进行仿真研究,在COMSOL有限元仿真软件中搭建了一维仿真模型,分别研究了正、负极性电压下的空间电荷分布特性,并且进一步研究了温度对电荷分布的影响。仿真结果能与文献实验测试结果具有很好的一致性,具有较高的准确度。仿真表明:负极性电压下电荷积聚密度大于正极性电压下,空间电荷对场强进行削弱在电极附近的场强比材料内部的场强小,电荷的密度越大场强削减的越大。

高压直流电缆绝缘二维模型下空间电荷动力学仿真算法研究

为实现高压直流电缆绝缘层内部空间电荷输运的数值仿真,结合双极性载流子输运模型,提出基于二维非结构网格的空间电荷输运特性算法。该算法基于对泊松方程与连续方程的迭代求解,其中泊松方程采用有限元法求解,连续方程采用格心离散有限体积法求解。为同时保证电荷密度落在合理区间及二阶计算精度,对绝缘内部电荷密度进行线性重构和限制器控制处理。通过对4mm厚绝缘电缆内部空间电荷二维仿真和电声脉冲法全尺寸测量的结果进行比对,验证了所提算法的准确性和有效性。另外,二维结构空间电荷的仿真结果表明:当电缆长度远大于半径时,除电缆轴向两端区域之外,中部区域空间电荷沿轴向基本均匀分布,因此该条件下中部区域的空间电荷仿真可简化为径向一维模型。但当电缆长度接近半径值或关注电缆端部的空间电荷分布时,空间电荷沿轴向存在明显的不一致性,一维简化模型将不再适用,必须采用二维模型,以提高空间电荷输运仿真结果的准确性。

利用双载流子四陷阱模型解释Zn:Fe:LiNbO_3晶体记录过程中的自擦除现象

比较了掺Fe量相同的两种晶体Fe :LiNbO3和Zn :Fe :LiNbO3的光折变性能 ,并且给出了Zn :Fe :LiNbO3晶体光电导和衍射效率与入射总光强的关系 .在Zn :Fe :LiNbO3晶体二波耦合实验中观察到衍射效率随记录时间的增长先增加 ,达到饱和后又逐渐减小的自擦除现象 ,并采用光折变双载流子四陷阱模型对该现象加以解释 .在此基础上选择合适的曝光时序 ,利用角度复用技术在该晶体中进行体全息存储 ,并在同一点上存入

空间电荷对直流接地电树枝影响的实验及仿真研究

为研究聚乙烯中直流接地电树枝的生长特性与材料中空间电荷分布的联系,该文以某商用级XLPE高压直流电缆绝缘材料为对象,分别进行了20℃下不同单次预压时间和短路次数的直流接地电树枝实验。实验结果表明:正负极性下电树枝长度都随着短路次数的增加而增加,正极性下电树枝长度随着单次预压时间的增加先增加再减小,负极性下单次预压时间对电树枝的影响不大;负极性下电树枝的扩散系数整体大于正极性下的电树枝。同时,基于双载流子模型建立了针板电极的三维仿真模型,在综合考虑了电荷的注入、迁移、扩散、入陷和脱陷等行为的基础上,计算出XLPE中随时间变化的空间电荷分布,并据此提出了空间电荷有效注入深度这一新的的概念,以此表征能够引发电树枝的那部分空间电荷在材料中的分布范围,从空间电荷的角度对实验所发现的电树枝特性进行了合理的解释,证明了受陷电荷是直流接地电树枝的成因。

固体电介质空间电荷分布实验与仿真系统

空间电荷会畸变固体电介质内的电场分布,进而加速绝缘材料的老化与击穿过程。由于空间电荷输运涉及电荷注入、迁移、入陷与脱陷等复杂微观过程,相关知识比较抽象,学生难以理解。为此开展相关课程的实践教学,建立固体电介质空间电荷分布实验与仿真平台。该平台基于电声脉冲法搭建,由高压直流电源、高压脉冲电源、空间电荷测量模块与数据采集系统组成;仿真平台基于双极性载流子输运模型,考虑了电荷的注入、传输、入陷、脱陷、复合与抽出等微观物理过程。通过实验与仿真的结合,能直观展示空间电荷分布特征;可针对电荷注入与输运等微观过程进行分析,强化学生对高电压技术相关知识的理解,提高学生自主创新和工程实践的能力。

不同温度下环氧树脂空间电荷特性仿真研究

研究直流电压下环氧树脂复合材料的电荷输运特性对推进直流气体绝缘金属封闭输电线路的发展至为重要。文中基于双极性载流子输运模型,通过对0、30、60、105℃下环氧树脂内部的空间电荷分布规律进行数值计算研究,获得了温度对环氧树脂材料内部空间电荷输运特性的影响规律,以及不同温度下环氧树脂复合材料内电场强度分布规律。结果表明:在0℃和30℃下,环氧树脂复合材料内为电子电荷主导,迁移作用使得靠近阳极附近的电场强度升高。随着温度的升高,电荷分布到达稳态所需要的时间随之减少,而电场强度最大值也随之降低。60℃和105℃下环氧树脂内电荷分布与0℃和30℃下的电荷分布呈现完全不同的趋势。高温下电荷的迁移作用和陷阱的捕获作用加强,使得电荷更为容易积聚与电极附近,从而同时削弱阳极和阴极与材料界面处的电场强度。研究成果可以为直流输电管道绝缘子的材料改性和空间电荷特性的精密调控提供理论依据。

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±20kV、±22.5kV和±25kV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;直流接地电树枝引发长度随预压时间及幅值的增加而增加。空间电荷注入深度与电树枝引发长度两者之间高度相似。接地电树枝引发特性存在差异的主要原因是针尖附近空间电荷的分布特性。