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。

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^(−4)C/m^(2),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。

高压直流电缆附件界面电荷输运模型与调控方法研究进展（英文）

高压直流电缆伴随着柔性直流输电技术的发展而得到广泛应用,其中电缆附件是高压直流电缆系统中绝缘最薄弱的环节,不同介质界面处空间电荷积累会引起电场畸变,容易导致电缆附件发生放电和击穿。综述了高压直流电缆附件界面电荷研究的进展,分析了界面电荷现有理论模型和抑制方法,并对未来直流电缆附件界面电荷的研究趋势进行展望。认为空间电荷在不同材料界面处的积累与温度、外加电场和极性反转等工作条件密切相关;同时,介绍了麦克斯韦瓦格纳斯塞拉斯理论、双极电荷输运模型以及量子化学计算在界面电荷计算和分析的应用,分析比较了基于几何设计、表面改性、场梯度材料和材料匹配的界面电荷抑制方法。相关研究结果可为更高电压等级直流电缆附件设计等提供参考。

硅橡胶材料在高压直流电缆附件中的研究与应用

本文针对高压直流电附件的复杂性及绝缘材料对直流附件的影响,首先介绍硅橡胶的性能特点及与三元乙丙橡胶的对比,其次对直流附件用硅橡胶材料改性研究现状进行了分析,并详细地介绍了以硅橡胶为基料进行非线性改性研究的情况,通过纳米改性技术调控硅橡胶绝缘材料电导率,使复合绝缘结构中不同材料的电导率达到最佳匹配状态。该研究目前已通过了型式试验,具备工程化运用条件,对提高高压直流电缆附件的研制水平及产品质量,保证产品的安全性和多样性有重要意义。

XLPE高压直流电缆附件安装关键技术

XLPE高压直流电缆系统的质量除了核心部件的设计制造质量外,其安装关键技术控制对保证高压直流电缆附件的安全运行同样重要。其关键点包括:施工技术要求、施工装备、环境控制、电缆处理、接地等措施,关键技术控制在武高院、舟山海洋输电检测中心进行的±320k V直流电缆系统试验回路的安装过程中已有应用,并取得良好效果。上述试验回路均一次性通过试验,从而证明了安装关键技术能有效保证高压直流电缆附件的安装质量。

高压直流电缆附件绝缘材料测试及仿真

本文对高压绝缘材料电导率测试平台搭建和测试方法进行介绍,测量在不同温度和场强下直流电缆XLPE绝缘材料和改性硅橡胶材料的电导率,并对测量数据以及其他参数进行函数拟合。将直流电缆线路运用最普遍的复合套充油终端作为研究对象,建立模型,采用仿真软件进行热场、电场、界面压力的仿真计算,确定其理论可行性,最后进行试验验证。结果表明采用该方法设计的直流电缆附件符合应用要求,对提高高压直流电缆附件的研制水平及产品质量,保证产品的安全性和多样性有重要意义。

±320 kV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。

高压超高压柔性直流输电电缆附件绝缘材料研究

本文通过对国内外高压超高压柔性直流电缆附件绝缘材料的发展现状进行研究后,提出了主要的研究内容和拟解决的关键问题,通过表层分子结构改性调控技术和纳米改性非调控技术2条技术路线进行研究,项目完成后,将可以很好的应用于高压直流电缆附件产品中,同时能为直流电缆附件空间电荷积聚问题提供一定的技术支撑,能够推动高压直流输电系统的更快发展。

交直流叠加电压下硅橡胶内电树枝特性

直流电缆附件在运行过程中不仅要承受直流电压,还要承受因整流器件而产生的交流电压,在这种工况下,电树枝的引发和生长将不同于纯直流和交流的情况。在直流叠加交流电压下对硅橡胶中的电树枝进行了实验,研究了不同直流电压幅值对电树枝起始、生长和击穿特性的影响。实验结果表明:固定交流电压下,直流电压幅值的增加使电树枝起始电压先上升后下降;电树枝长度随着直流电压幅值增长基本呈现单一增长趋势,扩展系数随直流电压幅值增长而下降;当直流幅值相同时,正直流电压下电树枝的扩展系数均小于负直流下电树枝的扩展系数;随着直流幅值的增加,正直流电压下电树枝形态结构的变化趋势与负直流电压下的情况类似,试样的电树枝击穿概率增加,并且正直流电压对试样的击穿概率的影响较为显著。

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。

基于M-W极化模型的低电场极性反转下XLPE/硅橡胶空间电荷与电场分布特性研究

相比于单一介质的电缆绝缘,高压直流电缆附件复合绝缘因介质不连续性更易在界面处积聚空间电荷。在基于电网换相器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统中,进行潮流反转调整时需改变电压极性,高压直流电缆附件将会承受极性反转电场,尽管是短时的,但由于空间电荷的累积效应也会在局部产生极高的电场,严重影响绝缘性能。为此,该文利用实验获得交联聚乙烯(XLPE)与硅橡胶(SR)电导率与电场强度的变化关系,基于Maxwell-Wagner(M-W)极化模型仿真研究了低电场极性反转下XLPE/SR双层介质中空间电荷与电场的分布特性。结果表明:室温下,SR的低电场电导率要高于XLPE,且SR电导率受电场强度的影响相对较小而XLPE则较大。由于界面电荷极性变化滞后于电压极性变化,极性反转期间界面处残留的负极性电荷造成SR中出现最大瞬态电场;电压极性反转越快,XLPE/SR界面残留的负极性电荷越多,SR中的最大瞬态电场强度越高;外施电压越高,由于SR与XLPE的电导率比值降低,SR中的最大瞬态电场畸变率越小。

硅橡胶/SiC复合材料非线性电阻及电荷输运特性

为探索非线性电阻率对SiR/SiC复合材料空间电荷及表面电荷特性的影响,对不同SiC颗粒含量的SiR/SiC复合材料在不同电压下的电阻率以及空间电荷与表面电位进行了测量,分析SiR/SiC复合材料在不同电压下电阻率的变化规律以及电阻率对SiR/SiC复合材料电荷积累与消散特性的影响。研究结果表明:当SiC颗粒含量(质量分数)低于10%时,SiR/SiC复合材料的电阻率没有明显的非线性;当SiC颗粒含量高于30%时,SiR/SiC复合材料的电阻率随着电场强度的升高,呈现非线性的变化,并且电场阈值随SiC颗粒含量的增加而降低。在空间电荷极化过程中,较低的电阻率抑制了SiR/SiC复合材料空间电荷的积累;同时在空间电荷去极化过程中,较低的电阻率明显加速了SiR/SiC复合材料空间电荷的消散。此外,较低的电阻率同样对表面电荷消散表现出明显的加速作用。该文初步探究了SiR/SiC复合材料非线性电阻率和电荷特性的变化规律,为直流电缆附件非线性电阻率材料的应用提供了参考。

纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料非线性电导特性

为解决高压直流电缆附件中因复合绝缘材料电导率差异而引起的电场分布不均问题,采用纳米碳化硅为填料,对附件绝缘加成型液体硅橡胶进行改性,制备了具有非线性电导特性的纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料。同时对比研究了纯硅橡胶和质量分数分别为1%、3%、5%的纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料的非线性电导特性和介电特性。研究结果表明:相比于纯硅橡胶,纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料的电导率从原来的10-15 S/m增加到10-14~10-13 S/m左右,非线性系数由0.3提高到1.03,相对介电常数增加了0.46,介质损耗因数基本不变。为了验证非线性纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料在直流电缆附件内均化电场的效果,采用Comsol-Multiphysics软件,对其电缆终端和中间接头内的电场分布进行了仿真分析。仿真结果表明:将非线性纳米碳化硅/液体硅橡胶复合材料应用于高压直流电缆附件应力锥处,其电场集中最大值下降了80%,实现了均化电场的目的。

极性反转电压下非线性电导硅橡胶复合材料电荷积聚特性

直流电缆附件是直流输电系统的薄弱环节,为研究非线性电导对极性反转电压下电缆附件硅橡胶绝缘电荷积聚特性的影响,通过添加SiC颗粒制备具有非线性电导的硅橡胶复合材料试样,利用三电极法和表面电位测量系统获得试样的电导率和表面电荷特性。实验结果表明:由于试样中SiC晶粒的晶格振动引起载流子晶格散射,高温会造成试样电导率降低;试样表面电荷平面分布特性表明,电晕电压极性反转后,平板试样内部残留的原极性电荷与表面的异极性电荷提高了局部电场强度,使试样的电导率升高,加速了表面电荷向试样内部迁移和异极性电荷中和过程,抑制了表面电荷的积聚。