氮化硼纳米片改性硅橡胶的直流电气与力学性能

日益提升的高压直流输电电压等级对直流电缆附件用硅橡胶的电气性能提出了更高的要求,为了探究具有优良直流电气性能的复合硅橡胶材料,文中制备了填充不同质量分数的聚多巴胺修饰氮化硼纳米片改性硅橡胶,对比分析了不同填充量下复合硅橡胶的直流电气性能。结果表明:填充氮化硼纳米片可以有效抑制硅橡胶的空间电荷积聚现象,试样的直流击穿场强随填充量的提高呈现先增大后减小的趋势,在填充量(质量分数,下同)为15%时达到最大值,相比纯硅橡胶提升23.2%,直流电导率先减小后增大,在填充量为15%时取得最小值;除此之外,当填充量为15%时,试样的拉伸强度较纯硅橡胶提升了38.3%,试样的断裂伸长率仅下降2.7%,基本保持了原有的断裂伸长率;经聚多巴胺修饰的氮化硼纳米片复合硅橡胶相比于未经表面修饰的氮化硼纳米片复合材料,其直流电气和力学性能都有显著提高。综合分析,填充量为15%时复合材料具有较好的综合性能。

新型电力系统下直流电器附件标准体系研究

直流电器附件是新型电力系统中的重要基础设施之一,是实现直流供电电源与直流用电负荷之间互联互通的重要部件,其应用端、生产端、监管端均对标准提出了迫切需求,亟需构建一套契合新形势下的直流电器附件标准体系,指导直流电器附件相关技术标准的研制,引导行业有序发展。

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。

空间电荷效应对直流电缆及附件绝缘界面电场分布的影响

电缆与附件(终端或接头)的绝缘界面一般为绝缘的薄弱环节,直流电压协同温度梯度效应将导致其界面间的空间电荷量增多。为此,基于直流电缆运行中的温度梯度效应,通过测量直流工作电场下硅橡胶(SR)/交联聚乙烯(XLPE)双层介质界面的空间电荷特性,建立了电缆接头套接电缆上的仿真模型,根据SR及XLPE的电阻率-温度特性及空间电荷测量结果,探讨了温度梯度场下空间电荷效应对直流电缆及附件界面电场的影响。研究发现:随着温度梯度(温差)的增加,电缆与附件界面的积聚电荷量增大。温度梯度效应有助于增加电缆与附件界面应力锥侧的电场强度;存在空间电荷效应时,温度梯度场下电缆与附件界面应力锥侧的电场强度略有减小,同时高压屏蔽管侧的电场强度略有增加。

上海南汇风电场柔性直流输电示范工程研究

上海南汇风电场柔性直流输电示范工程是国内首条采用柔性直流输电电缆的工程。针对这些电缆,通过脉冲电声测试方法得到了空间电荷的分布规律,在温控电极系统中研究了不同温度和电场下绝缘材料电导率的变化规律,进而计算得到了电缆绝缘层的电场分布。介绍了直流电缆敷设时为消除与附近交流电缆的感性耦合影响所需采取的相应措施以及电缆附件安装关键工艺等。研究结果表明:进行电缆附件设计时需重点考虑电缆绝缘层与附件绝缘层交界面上累积空间电荷的影响;且2种绝缘材料的电导率与介电常数之比越接近,则界面电荷越少。

正交电场下XLPE/SIR介质界面空间电荷特性

直流电缆附件绝缘和电缆绝缘的界面同时承受着沿着电缆径向的体电场和沿电缆轴向的界面电场,这两个电场在方向上相互正交,在界面上的分布和集中使得复合绝缘界面的空间电荷特性变得复杂。采用交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)和硅橡胶(silicone rubber,SIR)制成双层试样模拟附件结构中的复合绝缘,通过界面贴覆铝箔针-板电极(针电极为正/负)、板-板电极三种电极形式为绝缘界面提供正交电场,运用电声脉冲法(pulse electro-acoustic,PEA)分别测量了体电场、正交电场作用下XLPE/SIR界面空间电荷的分布情况。结果表明,在体电场和界面电场的正交电场作用下,XLPE/SIR界面的空间电荷峰值出现明显变化:试样加压20 min后,界面贴覆针电极为负的针-板电极时,界面电荷峰值随施加电场强度的增加先增大后减小,使XLPE侧电极在较低场强下即发生注入;界面贴覆针电极为正的针-板电极时,界面电荷峰值在电场作用下减小,加剧了SIR侧的正电荷注入;在界面板-板电极作用下,界面电荷峰值变化不大,但仍有所下降。

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。

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。

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。

高压直流XLPE绝缘电缆附件设计

根据交直流绝缘层中的电场分布特点,对电缆与橡胶绝缘的电导率比值不同的三种情况分别进行直流电场仿真分析,并与交流电场进行对比,可知电缆附件的设计关键在于电缆绝缘与橡胶绝缘的电场分布的均压性设计。将直流电缆附件的绝缘材料配方进行改性设计,使得电缆绝缘和附件绝缘材料在不同温度下的电导率比值与介电常数比值接近,从而达到减小界面空间电荷的目的。最后,研制的110 kV电缆直流终端样品通过了直流型式试验。