油纸及XLPE绝缘高压直流电缆的电场分布特性研究

直流电缆主要采用油纸及交联聚乙烯(XLPE)作为绝缘,两类材料的电导率特性不同,对电缆中电场分布的影响不同。本文基于500 kV典型直流电缆结构建立有限元模型,对油纸及XLPE绝缘电缆开展热-电耦合仿真分析,研究了两种绝缘在不同温度及温差下的场强分布特性,分析了绝缘电导率温度系数及电场系数对场强分布的影响,对比了相同温度及场强范围内油纸及XLPE绝缘的电导率变化特性。结果表明:在电场强度为10~25 kV/mm和温度为20~90℃的范围内,油纸绝缘中的电场分布受绝缘温差的影响,在确定温差下几乎不随绝缘温度而变化;而XLPE绝缘中的电场分布同时受绝缘温度和温差的影响。此外,油纸绝缘的电导率整体比XLPE绝缘高,随温度和场强的变化幅度大,这可能是油纸电缆绝缘中电场反转发生在更低温差下的原因。对于高压直流电缆中应用的绝缘材料,应控制电导率温度系数即减小温度敏感性。

高压直流电缆用绝缘聚丙烯研究进展

综述了高压直流电缆用绝缘聚丙烯(PP)采用物理共混及化学改性时其结构、力学性能、电性能等方面的研究进展。机械拉伸会导致PP电荷积聚;接枝改性,添加抗氧剂、多环化合物、偶联剂改性及与其他高分子共混改性等均能有效抑制空间电荷,提高体积电阻率和直流击穿场强;添加无机氧化物纳米材料对PP复合材料的球晶尺寸、结晶温度、延展性、空间电荷行为和击穿场强有显著影响;无规共聚PP具有相对较好的热性能及显著高于交联聚乙烯(XLPE)的断裂伸长率和击穿场强,且其空间电荷行为远优于嵌段PP和XLPE。

大长度高压直流电缆中电荷的产生、测量及释放研究综述

碳减排作为能源转型的核心驱动力之一,能够有效促进清洁能源发展,缓解全球温室效应。在全球能源互联网发展的背景之下,用于长距离、跨地区输电的大长度直流电缆在电力互联网中占据着重要地位。同时,直流电缆工作时间较长,维护工作较为困难,而电缆中又不可避免会出现电荷积累问题,其中的残余电荷将威胁电缆的安全运行,降低电缆的使用寿命,甚至可能造成电缆故障。因此,有必要对大长度直流电缆的电荷问题开展相关研究。从直流电缆中电荷的产生、测量和释放3个方面进行概述,总结了近年来相关研究中的热点问题,对未来热门研究方向给出参考。所做研究对大长度直流电缆的在线监测和寿命评估均具有重要的指导意义。

多物理场下的高压直流电缆局部放电研究展望

高压直流电缆需要面对空间电荷、潮流波动、温度变化、谐波、应力、绝缘缺陷等复杂运行条件的考验。多物理场下的高压直流电缆局部放电(partial discharge,PD)的研究尚处于起步阶段。复杂条件下的直流电缆局部放电产生机理尚不明确,且直流局部放电表征识别困难,动态特性复杂。该文总结多物理场对高压直流电缆PD的影响,对比空间电荷、电场、应力场、谐波与PD之间的关系,分析多物理场下直流电缆PD特征构建与模式识别的研究进展。进一步,展望多物理场下的高压直流电缆PD发展趋势,包括高压直流电缆“荷–场–热–力”多物理场PD模型、多物理场仿真、多物理参数联合实验、直流电缆PD多物理参数表征新特征构建与优选、直流电缆PD先进模式识别方法等,可为直流PD检测与诊断提供理论参考。

纳米复合对聚丙烯高压直流电缆电气性能影响的研究进展

介绍了聚丙烯(PP)基纳米复合材料在高压直流(HVDC)电缆绝缘材料中的应用进展,特别关注了纳米填料的各种参数对PP基HVDC电缆绝缘材料电气性能的影响。最后,对PP基纳米复合材料在HVDC电缆绝缘材料中的应用进行了展望。

高压直流电缆用可交联聚乙烯绝缘材料

回顾我国高压直流(HVDC)电缆的发展历史,介绍了高压直流电缆用交联聚乙烯材料的应用现状;通过分析交联聚乙烯绝缘材料的性能,发现目前高压直流电缆用聚乙烯在电气性能、机械性能等方面具有显著优势,但在空间电荷效应、温度梯度效应及老化性能上仍存在着不足之处;从消除空间电荷影响、提高材料纯度的角度提出开发我国国产化高压直流电缆交联聚乙烯材料的改进思路,为我国高压直流电缆用绝缘材料的进步提供理论依据和现实参考。

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。

高压直流电缆绝缘材料研究进展评述

为促进高压直流电缆在大容量、远距离、复杂环境下电能输送方面的应用,需要对直流电缆绝缘材料的关键问题进行深入研究。针对高压直流电缆的发展历史,介绍了绕包和挤包绝缘各自的技术优势及工程应用,并对目前广泛应用的挤包直流电缆绝缘材料的研究现状进行分析,总结了近几年直流电缆聚合物绝缘的研究热点,包括空间电荷、介电性能和老化性能等问题,提出模型电缆与平板试样在空间电荷分布上的差异性,并着重分析了目前聚合物材料电导率和树枝老化的研究进展,并从工程实际角度评述了在这些关键问题上还需要突破的技术瓶颈。最后,根据国内外研究热点,总结了直流电缆绝缘材料研究的未来发展方向,包括聚乙烯绝缘材料的改性研究和环保、高性能的新型绝缘基料研究。

环保型高压直流电缆绝缘材料研究进展

随着直流输电技术的发展,直流电缆输电方式在未来电能传输中将发挥重要作用,而直流电缆输电技术发展的关键在于电缆绝缘材料的突破。针对传统交联聚乙烯绝缘存在的不可回收再利用、工作温度有限和加工工艺复杂等缺点,开发环保型直流电缆绝缘材料显得尤为必要。为促进环保型直流电缆绝缘材料的研究和开发,对环保型直流电缆绝缘材料的发展现状和关键技术进行了系统评述。总结了目前常见的几种聚烯烃类环保型直流电缆绝缘材料的研究进展和聚烯烃材料的3种改性方法:共混改性、纳米改性和化学接枝改性,对比了环保型直流电缆绝缘材料和传统交联聚乙烯相比的优势。可以看出,以热塑性聚烯烃,特别是聚丙烯为基体的环保型直流电缆绝缘材料展现出了很好的应用前景,可以有效提高直流电缆的工作温度,简化加工工艺。环保型直流电缆绝缘材料开发过程中更应注重材料在高温下的性能,以发挥其优势从而提高直流电缆的运行温度,同时应该同步开展环保型直流电缆绝缘材料的老化研究。

界面空间电荷对高压直流电缆终端电场分布的影响

为了分析高压直流电缆终端主绝缘与加强绝缘界面空间电荷分布对直流电缆终端最大场强的影响,应用电声脉冲法测试了交联聚乙烯与非线性硅橡胶双层介质中的空间电荷分布。根据界面空间电荷分布特性,确定空间电荷包参数,并应用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics仿真分析了考虑界面空间电荷时的高压直流电缆终端电场分布。结果发现:高压直流电缆终端的电场分布受交联聚乙烯和非线性硅橡胶界面空间电荷及其在绝缘层中分布的影响,界面空间电荷分布的中心峰值小于2 C/m^3时,空间电荷对电缆终端内电场分布的影响不明显;空间电荷分布峰值大于2 C/m^3时,绝缘层中的空间电荷分布越宽,终端内最大场强越大。

不同温度下高压直流电缆纳米复合绝缘中的周期性直流接地电树枝特性

该文自主研发了一种以交联聚乙烯（cross-linked polyethylene,XLPE）为基体,添加0.5 wt%纳米Mg O颗粒的新型高压直流电缆绝缘材料。为研究不同温度下该材料中直流接地电树枝特性及其影响因素,对该材料和某商用级XLPE高压直流电缆绝缘材料进行了20~80℃下不同极性不同电压幅值的周期性直流接地电树枝实验。结果表明：电子比空穴更易注入,且在材料中拥有更大的平均自由程,因此负极性下电树枝比正极性下更易引发,且生长更为分散;纳米Mg O的添加增加了材料中的陷阱密度,减弱了电荷注入,故纳米Mg O/XLPE绝缘材料表现出更好的抗电树枝化性能;温度升高增强了电荷注入与脱陷,提高了电子平均自由程与电荷分布均匀度,使电树枝更容易引发和生长,且形态更加茂密。由此可见,电压极性与温度的改变,以及纳米Mg O的添加均会对材料中的周期性直流接地电树枝的引发与生长产生影响。

高压直流电缆绝缘用聚丙烯及其纳米复合材料的研究进展

聚丙烯因具有优异的电气和耐热性能,同时符合环保可回收电缆绝缘材料的发展需求,从而引起广泛关注。纳米掺杂可有效改善聚丙烯纳米复合材料的电气、机械和热学性能,为其在高压直流电缆绝缘中的应用提供了新思路。为此介绍了聚丙烯及其纳米复合材料的研究进展,论述了纳米掺杂对改善聚丙烯及其多元共混物的空间电荷行为、电树枝老化、击穿强度等电气性能以及导热和机械性能的影响规律,探讨了聚丙烯纳米复合材料在不同环境下的老化机理。分析表明对纳米颗粒进行表面处理可减少纳米团聚、加强界面作用,提升聚丙烯纳米复合材料的综合性能。最后对聚丙烯纳米复合材料应用于高压直流电缆绝缘材料的可行性及未来发展趋势进行了总结和展望。

高压直流电缆绝缘材料的发展与展望

针对高压直流电缆的发展历史,介绍了高压直流电缆的基本原理、应用现状以及技术瓶颈,指出我国研发高压直流电缆的必要性和紧迫性,并对未来高压直流电缆的发展方向进行了展望。

不同敷设方式下高压直流电缆温度场与电场仿真计算研究

采用COMSOL Multiphysics软件分别研究了直埋敷设、管道敷设和隧道敷设方式下高压直流电缆中的温度场与电场分布及其影响因素。结果表明:隧道敷设方式下电缆的散热效率最高,直埋敷设次之,而管道敷设对应的散热效率最低;增加电缆敷设间距可提高直埋敷设与管道敷设方式下的散热效率,但隧道敷设对应的散热效率有所下降;随着电缆敷设深度的增加,3种敷设方式下电缆的散热效率均有所下降;绝缘层中的温度差、XLPE材料的活化能和电场系数在一定范围内的增加可以提升电场分布均匀度,但当温度差或活化能超过一定阈值时,会出现电场反转现象。

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。

预处理温度对高压直流电缆附件绝缘材料空间电荷的影响

采用电声脉冲法(pulsed electro-acoustic method,PEA)研究了经过不同预处理温度处理后的高压直流电缆附件绝缘材料——硅橡胶(silicone rubber,SIR)及三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)绝缘层的空间电荷分布。为分析导致此空间电荷积累不同的原因,采用拉伸性能测试和动态热机械分析(dynamic thermal mechanical analysis,DMA)研究了高压直流电缆附件绝缘材料化学分子结构的变化。实验结果表明,SIR材料经过150℃预处理后,硫化更充分、交联密度增加,从而使得绝缘层中的空间电荷量减少,因此SIR的预处理以150℃为宜;EDPM材料经过150℃预处理后,综合表现为解聚反应,从而使得绝缘层中的空间电荷量增加,因此EDPM预处理温度以80℃为宜。

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。

高压直流电缆稳态载流量解析计算方法

高压直流电缆稳态载流量的准确计算对于其传输能力的充分利用具有重要意义。首先,提出了高压直流电缆稳态载流量解析计算方法,该方法同时考虑了线芯导体最高长期允许温度和绝缘层最大允许温差。其次,利用该方法对?160 kV交联聚乙烯直流电缆稳态载流量进行了计算,并用有限元法进行了验证。最后,研究了敷设环境温度、线芯导体最高长期允许温度和绝缘层最大允许温差对直流电缆稳态载流量的影响规律,发现考虑线芯导体最高长期允许温度和考虑绝缘层最大允许温差的直流电缆稳态载流量随敷设环境温度的变化曲线可能存在交点,当敷设环境温度高于交点温度时,线芯导体最高长期允许温度决定了稳态载流量;当敷设环境温度低于交点温度时,绝缘层最大允许温差决定了稳态载流量。

工作温度和绝缘温差约束下的高压直流电缆接头载流量计算

中间接头是高压电缆线路运行中故障多发的薄弱环节,电缆系统的载流量会因中间接头的结构特点而受到限制。直流下电缆载流量的约束条件与交流不同,不能直接依据交流电缆中间接头载流量的计算方法。为此,文中以直流电缆中间接头的温度场计算等理论研究为基础,提出以接头导体最高允许工作温度和绝缘层内外表面最大允许温差为两个约束条件,确定高压直流电缆中间接头载流量的方法。通过案例分析,将文中方法与IEC 60287标准计算的载流量进行了对比,并就环境温度对载流量的影响进行了分析。结果表明,中间接头的确是电缆系统载流量计算限制条件之一。两个约束条件下的载流量与环境温度的关系曲线将相交于一点,当环境温度小于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为绝缘层内外表面最大允许温差;当环境温度大于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为接头导体最大允许温度。研究结果可为直流电缆系统运行与载流量设计提供参考。

接枝改性高压直流电缆绝缘材料的研究进展

高压直流电缆对我国电力能源的发展至关重要。如何快速提升我国高压直流电缆的全国产化与自主化能力,是当前亟需解决的重大技术问题。在回顾直流电缆发展历程的基础上,提出了聚合物绝缘材料应当满足的性能要求。针对限制高压直流电缆快速发展的空间电荷问题,综述了接枝改性技术在抑制空间电荷、提高聚合物电气性能方面的研究进展,以及引入极性基团抑制直流电场下聚合物内部空间电荷积聚的作用机理。未来应当基于高压直流电缆的实际生产要求和运行工况,深入理解聚合物结构、加工工艺与性能的关系,完善和发展高性能绝缘材料的合成和改性技术。