HVDC电缆电场分布影响因素的仿真研究

电场分布是决定电缆绝缘短时耐压能力和长期运行可靠性的关键因素。HVDC电缆稳定运行时,绝缘材料的电导率决定电场分布,在较高温度梯度分布下有可能出现电场分布翻转现象。由于电缆绝缘材料的非线性电导率是温度及电场的函数,在投入运行和电压极性反转时HVDC电缆暂态电场分布更为复杂。为此,采用多物理场耦合软件仿真研究了绝缘材料非线性电导属性对不同温度梯度、不同施压方式下电缆绝缘稳态和暂态电场的影响规律。仿真结果发现:当绝缘材料非线性属性确定,绝缘内温度梯度越高,稳态时电场分布翻转现象越严重;电压反转过程暂态电场最大值与电压极性反转时间密切相关,反转时间越短暂态最大电场越高,且暂态最大电场的位置越靠近导体屏蔽。仿真结果同时表明:降低材料电导活化能和提高材料电导率对电场依赖性有利于在温度梯度下对电缆绝缘稳态和暂态电场分布的控制。根据仿真研究结果,建议在HVDC电缆料研发时应采取有效的调控手段降低材料电导活化能和提高场致增强型电导的场强依赖系数;而在HVDC电缆设计时,要特别关注温度梯度效应和极性反转过程中的暂态电场分布问题。

直流叠加冲击电压下HVDC电缆暂态电场分布特性研究

运行中的HVDC电缆除了承受正常工作电压作用外,同时可能承受雷电和操作冲击电压的作用,因此在进行电缆绝缘结构设计时既要考虑稳态直流电场分布又要考虑冲击电压下暂态电场分布。由于HVDC电缆绝缘的电导率是电场及温度的函数,使得HVDC电缆在遭受雷电、操作冲击电压冲击时暂态电场分布更为复杂。为此,该文采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics仿真研究了温度梯度、施压方式以及绝缘材料非线性电导属性对直流叠加冲击电压下电缆绝缘中暂态电场的影响规律。研究结果表明:直流叠加冲击电压时,暂态最大场强始终出现在电缆绝缘内屏蔽表面;当电缆结构、绝缘材料非线性属性和外加冲击电压幅值确定时,随绝缘内温度梯度的提高,直流叠加同极性冲击电压时暂态最大场强减小,而叠加反极性冲击电压时暂态最大场强却逐渐增大;降低材料电导活化能和提高电场依赖系数可有效改善暂态电场分布,降低暂态最大电场波的幅值并缩短波头和波尾时间。

应力锥体增强绝缘非线性属性对HVDC电缆终端电场分布的影响

高压直流电缆及附件稳态电场分布主要取决于绝缘材料的电导率，而电导率又与场强、温度紧密相关，这使得直流电缆附件电场分布相比高压交流电缆附件更复杂。为此，在固定电缆终端XLPE绝缘、硅油电导率和温度梯度的条件下，本文采用多物理场耦合软件仿真研究了应力锥体增强绝缘非线性属性对高压直流电缆户外复合型终端稳态电场分布的影响规律。仿真研究结果表明：复合型户外高压直流电缆终端，工厂绝缘和增强绝缘界面切向电场在应力锥体根部和顶部可能出现极大值；而在半导电应力锥内表面电场也可能在根部和顶部出现极大值；通过调控增强绝缘材料的非线性属性可实现复合型电缆终端电场分布的综合调控。

电导非线性对HVDC电缆绝缘空间电荷动态过程的影响

针对HVDC电缆绝缘中的空间电荷问题,采用有限元分析方法,仿真研究绝缘材料电导非线性属性对HVDC电缆绝缘中由非线性电导率引起的空间电荷极化与退极化动态过程的影响。通过改变电导活化能与电场依赖系数,得到极化与退极化过程中空间电荷密度随时间的变化规律。分析结果表明:降低电导活化能或增大电场依赖系数可降低HVDC电缆绝缘中由非线性电导率引起的空间电荷量,抑制极化与退极化过程中的空间电荷“过冲”与“反极性过冲”现象,并且会加快极化与退极化过程达到稳态,但同时会使绝缘介质中的电流密度增大。

110kV直流电缆连接盒耦合场分析

根据空间电荷效应以及介质电导率的温度影响,采用直流下导电介质电流连续性方程和泊松方程对直流电缆连接盒的耦合场进行分析。获得了110 kV直流电缆连接盒绝缘介质中电流场、温度场、空间电荷场以及电导率的变化规律,并给出了空载和负载下绝缘结构电场分布。结果表明负载下,电缆绝缘介质的电导率较空载下增大2个数量级,电场最大值由线芯表面转移到了绝缘介质外表面;直流电场下与交流相比接线盒应力堆表面切向电场增加一倍且最大值出现在应力堆中部。所以在设计直流电缆连接盒时,不仅要保证在空载时线芯表面电场强度不超过其允许值,而且还应保证接线盒在容许最大负载时,绝缘层外表面处的电场强度和应力堆表面的切向电场强度也不能超过其允许值。

双层绝缘结构高压直流电缆电场分布仿真

参照油纸绝缘高压交流(HVAC)电缆的分阶绝缘设计思想,采用不同非线性绝缘材料制造具有双层绝缘结构的高压直流(HVDC)电缆来改善电场分布以及减薄绝缘层厚度是一种可能的解决途径。为了从理论上验证双层绝缘设计理念在HVDC电缆绝缘设计中的可行性,采用多物理场耦合软件仿真研究了不同温度梯度、不同施压方式下分层半径对双层绝缘结构HVDC电缆绝缘稳态和暂态电场分布的影响规律,在此基础上定义了同时考虑稳态、暂态电场和温度梯度多重因素的综合绝缘利用系数,并提出了按绝缘材料的电导率内小外大排列、相对介电常数内大外小排列确定内外层绝缘原则和综合绝缘利用系数最高的分层半径确定原则,最后验证了该双层绝缘设计原则的合理性。电场仿真结果发现:与单层绝缘电缆相比较,双层绝缘结构HVDC电缆在高温度梯度下可显著改善电缆绝缘稳态和暂态电场分布,且温度梯度越高改善效果越显著;雷电冲击过程中绝缘内的暂态电场分布受直流稳态过程形成的界面及空间电荷的影响,而双层绝缘结构HVDC电缆绝缘稳态过程中形成的界面及空间电荷与温度密切相关,因而温度也是影响雷电冲击过程中绝缘暂态电场分布的因素。

低密度聚乙烯纳米复合材料中空间电荷积聚对试样厚度的依赖性

低密度聚乙烯(LDPE)纳米复合材料的厚度从μm级到cm级不等,差异极大。为此,研究了LDPE纳米复合材料中空间电荷的积聚对其厚度的依赖性。基于已有的LDPE纳米复合材料,采用电声脉冲(PEA)法测量了不同厚度的无掺杂LDPE及掺杂有纳米填料的LDPE纳米复合材料在50kV/mm电场强度下的电荷积聚特性。发现无掺杂LDPE中电荷积聚不随试样厚度发生明显变化;而LDPE纳米复合材料中电荷积聚对试样厚度有明显的依赖性:试样厚度越厚,异极性电荷的抑制效果越好。根据以上实验现象,以双极子模型为基础、结合陷阱势能理论进行仿真,探讨了无掺杂LDPE中异极性电荷的形成机理,指出纳米填料不仅作为陷阱中心而且作为复合中心直接影响着试样中空间电荷的积聚特性,2种材料不同的厚度依赖性是由于复合作用的强度不同而造成的。