电荷发射屏蔽的工作原理及其试验研究

电荷发射屏蔽是超高压塑料电力电缆新结构的发展方向。在对聚乙烯薄膜作短路击穿和交直流叠加击穿试验的基础上,分析电荷注入引起的树枝化通道是聚合物击穿的原因。为了提高聚乙烯的击穿强度,必须防止电荷的注入。根据电极和绝缘的界面理论,解释了电荷注入和发射屏蔽的基本原理。特殊的两种发射屏蔽的试验结果表明,电荷发射屏蔽可成倍地提高聚乙烯的工频击穿电场强度,预压短路击穿和预压反极性击穿的电场强度。文章还分析了串联复合介质击穿电压计算公式的局限性和影响发射屏蔽效能的因素,故对发展我国交直流电缆的新型结构具有实际和理论意义。     

绝缘纸中空间电荷效应的模拟研究

为明晰空间电荷对油纸绝缘纸板中电场强度的畸变效应、纸板老化状态与空间电荷的作用机制,采用双极性载流子输运模型,对不同老化状态的绝缘纸板中的空间电荷特性进行数值模拟。对于同一老化状态下的绝缘纸板施加直流电压时,纸板中会出现同极性电荷积聚现象,且正极性电荷的分布范围较负极性显著变窄;随着加压时间的增加,纸板中的电场畸变率呈增大趋势。当绝缘纸板老化程度加深时,其陷阱密度和深度均会增加,致使空间电荷在纸板的近电极侧大量积聚,进而削弱纸板和电极边界处的电场强度,加剧纸板内部的场强畸变;且绝缘纸板老化愈严重,空间电荷对电场的畸变作用愈突出,使得绝缘纸板加速老化,容易诱发绝缘击穿故障。研究结果可为变压器油纸绝缘设计提供参考。     

高压电缆交联聚乙烯绝缘长期服役后的性能变化研究

为了准确表征电缆交联聚乙烯(XLPE)绝缘在长期服役过程中的性能演变,对比分析了110 k V新电缆XLPE绝缘和退役电缆XLPE绝缘的击穿特性、电荷陷阱特性和空间电荷特性的差异。结果表明:XLPE绝缘经过长期服役后,工频击穿强度变化较小,且绝缘层不同位置处击穿强度的差异性减弱;电荷陷阱能级由约1 eV减小至0.5～0.6 eV,且绝缘层不同位置处的能级差别不大,可以作为表征电缆绝缘在服役中性能演变的特征量;XLPE长期服役后在直流场下表现出明显的异极性电荷积聚,而新电缆XLPE绝缘则表现出少量同极性电荷注入。     

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。     

绝缘纸特性和极性反转对油纸绝缘空间电荷效应的影响

油纸绝缘系统的空间电荷效应将畸变绝缘介质内部的电场,进一步影响其老化和击穿等电气特性。在直流电场、复合电场及极性反转等复杂工况下,换流变压器内绝缘系统的空间电荷效应将更为突出。基于双极性电荷输运模型,通过数值模拟方法探究绝缘材料厚度、老化状态和极性反转等关键因素对空间电荷效应的影响。研究表明,绝缘纸厚度的变化不改变空间电荷密度曲线中正/负电荷区的极性偏移特性,但厚度变小缩短或消除了零电荷区;绝缘纸老化程度的加深,其电荷陷阱及深陷阱数目均会增多,这一方面加强了空间电荷效应的极性偏移,另一方面使得正电荷区呈变小趋势,从而使绝缘纸内电场畸变加剧;极性反转工况下,绝缘纸中陷阱电荷的脱陷或复合均需一定的时间滞后,使得净空间电荷密度曲线的负/正电荷区呈现初值不对称和沿介质厚度方向分布均不对称的特征,致使绝缘纸内部电场畸变愈发严重。研究结果可以为换流变压器油纸绝缘设计与防护提供参考。     

水分和温度联合作用时油浸绝缘纸空间电荷特性

油纸绝缘介质内部积聚的空间电荷与其绝缘性能密切相关,它可以导致介质内部电场分布的畸变,对局部电场起到削弱或加强的作用,若电场畸变严重,将引起绝缘材料的击穿和老化,直接影响绝缘系统的可靠性和安全性。水分和温度被认为是危害油纸绝缘介电强度和绝缘寿命的最主要因素,为了解它的特性,采用电声脉冲(PEA)法研究了油纸绝缘介质在温度和水分联合作用下空间电荷的注入、迁移、积聚和消散特性,进一步分析了水分和温度联合作用对油浸绝缘纸直流击穿和电荷积聚行为的影响。结果表明:油浸绝缘纸的水分含量和温度越高,其内部正负电荷的注入和迁移就越显著,而且油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷在撤去外加场强后消散得也越快;对于未被外加场强击穿的油浸绝缘纸,其内部慢速运动电荷的量随着水分含量和温度的升高而减少;而对于被外加场强击穿的油浸绝缘纸,在击穿前其内部仅积聚极少量的负电荷。     

极性反转电压下的油纸绝缘空间电荷特性

极性反转电压下换流变压器内部电场分布复杂，而空间电荷是引起电场畸变的重要因素。为研究极性反转电压下油纸绝缘空间电荷与电场分布特性，为此利用电声脉冲法开展了不同温度下单层油浸纸板与油-纸双层绝缘空间电荷试验研究。研究发现：不同温度下单层油浸纸板空间电荷在极性反转过程中变化很少，极性反转后电极附近电荷密度与电场畸变严重；温度通过改变反转前空间电荷分布影响极性反转过程中电场分布。双层绝缘中，温度升高导致油-纸界面电荷和纸中空间电荷密度降低；电压极性反转过程中，不同温度下纸内部空间电荷变化较少，常温时双层暂态电场符合容性电场分布；而60℃时油-纸界面电荷密度与极性快速变化，导致双层暂态电场分布不符合容性电场分布。     

直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法综述

交联聚乙烯(XLPE)因其优异的介电、理化性能而被广泛应用于电缆绝缘领域。在电缆的服役过程中,电缆绝缘内部会积聚空间电荷,严重时可引发电场畸变,导致电缆击穿事故发生。对于直流XLPE电缆,空间电荷的积聚及影响更加不容忽视。针对直流XLPE电缆绝缘中产生的空间电荷积聚效应,目前学界主要采用共混改性、聚合物链段接枝极性基团、纳米掺杂改性及制备高纯净绝缘料等方法来进行控制,改性后的直流XLPE电缆绝缘对空间电荷产生的抑制效果均有所提升。文中首先对上述直流XLPE电缆绝缘中空间电荷的抑制方法进行综述,介绍其抑制原理以及相应的抑制效果,然后对比总结不同抑制空间电荷方法的优缺点,最后对未来直流XLPE电缆绝缘中空间电荷抑制方法的研究发展作出展望。     

温度梯度场下同轴电缆中空间电荷测量波形的算法矫正

直流电场下电缆绝缘中的空间电荷积聚效应导致绝缘内电场严重畸变,直接影响电缆长期运行可靠性,因此对全尺寸长电缆空间电荷特性的实时测量显得尤为重要。然而,由于高压直流电缆运行时,内导体的发热会导致电缆绝缘中温度梯度效应,电缆绝缘材料密度变得不均匀。此外,电缆的同轴结构也会导致测量波形畸变。该文首先设计了一种改进的脉冲注入方式和波形信号检出的温度梯度下同轴电缆空间电荷测量装置;然后针对同轴电缆下电场分布的不均匀性和声波传播的发散性,对测量电荷波形进行了恢复;最后通过在声波传递方程虚部中引入二次项近似的方法,有效实现对声波衰减和时域平移现象的矫正。利用此算法,成功实现了温度梯度下同轴电缆的空间电荷测量波形的矫正。     

半导电屏蔽材料对高压XLPE电缆绝缘电气性能的影响

为研究半导电屏蔽材料对高压XLPE电缆绝缘中电荷输运行为的影响，本研究选用国内外3种不同型号的半导电屏蔽材料配合同一XLPE绝缘，模拟实际电缆结构试制了屏蔽-绝缘-屏蔽的三明治结构试样，并对其进行高场强电导测试以及空间电荷测量。结果表明：屏蔽层的引入使绝缘内部的电导方式发生了改变。相较于纯XLPE绝缘试样，含屏蔽层配合的绝缘试样电荷注入明显增加，其中进口屏蔽料配合的试样绝缘-屏蔽界面对电荷注入的抑制能力较强，电荷注入程度较弱。电荷注入会对空间电荷在绝缘内部的积聚程度产生影响，其中，含国产屏蔽料配合的试样的空间电荷积聚较为严重，含进口屏蔽料配合的试样空间电荷积聚程度较轻。此外，空间电荷测量还需要注意因试样结构的特殊性带来的阻抗不匹配问题。     

非线性屏障层对HVDC电缆电场分布的影响

电缆绝缘中的电场分布是决定高压直流电缆输电线路长期可靠运行的主要因素,非线性材料能够在电场不均匀的情况下自行均化电场的分布,对电树枝的生长和空间电荷的产生起到明显的抑制作用。为此,尝试将非线性材料作为屏障层置于电缆屏蔽层与绝缘层之间,并采用多物理场耦合软件建立仿真模型,分别在不同温度梯度下研究屏障层结构对高压直流(HVDC)电缆绝缘中暂态和稳态电场分布、空间电荷的影响。仿真结果发现:与无屏障层相比,添加非线性屏障层的电缆绝缘中稳态及暂态电场强度最大值均有所降低,即屏障层结构能够抑制绝缘中空间电荷的注入,改善电场分布;屏障层越厚,绝缘中空间电荷越少,电场强度最大值越小,但界面电荷会有所增加。从上述结果可以看出:屏障层可均化电缆绝缘中的电场分布,但同时会引起界面电荷的积聚。因此在开发具有非线性屏障层结构的HVDC电缆时,屏障层厚度的选择应综合考虑界面电荷积聚和电场分布,从而达到改善电缆绝缘性能的目的。     

高载流量柔性直流电缆绝缘料关键性能研究

为实现高压柔性直流电缆绝缘材料国产化,文中通过添加纳米粒子方法制备了高载流量(工作温度90℃)柔性直流电缆绝缘料试样,开展了空间电荷、电阻率、直流击穿电场强度等关键电气性能指标的试验研究,并与高压交流电缆绝缘料和国外柔直电缆绝缘料这2种材料的相应试验结果进行了对比分析。结果表明,该柔直电缆绝缘料在常温(20℃)和高温(90℃)下具有良好的空间电荷抑制性能,电场畸变率小于5%;与其他2种材料相比,该绝缘料在高温下的电阻率增加约10倍、电阻率温度系数下降约1/3,能够降低柔直电缆的热损耗并有利于整个柔直电缆系统的绝缘设计;该绝缘料在高温下的直流击穿电场强度为其他2种材料的1.27～1.6倍。研究表明,该柔直电缆绝缘料电气性能优异,能够用于工作温度90℃的柔直电缆绝缘。     

±320kV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。     

聚丙烯绝缘材料电导特性与空间电荷研究

为考察聚丙烯作为直流电缆绝缘材料在电气性能上的的可行性,选用等规聚丙烯材料制备测试试样,通过差示扫描量热法测试熔融温度(165℃)和结晶温度(111℃),针对击穿特性、强场电导和空间电荷分布与电荷的消散等电气性能对聚丙烯材料进行测试。击穿强度测试发现:其交流击穿强度明显低于直流击穿强度,交流击穿强度数据的的分散性相对于直流击穿要好。强场电导特性测试发现:在3.3 kV/mm电场下当温度升高到90℃时,材料的强场电导明显升高,达到室温时的2倍。空间电荷实验结果表明聚丙烯在较低的电场强度(10、20 kV/mm)下未出现明显的空间电荷,而在电场强度达到50 kV/mm时,出现了明显的异极性空间电荷。将试样上下电极短接进行短路发现,10、20 kV/mm下加压0.5 h后,经过0.5 h短路放电,试样内部的空间电荷几乎释放完全。而在50 kV/mm下加压0.5 h后,经过1.5 h的短路时间仍然看到试样内部驻留着大量的异极性空间电荷。     

交联聚乙烯电缆中空间电荷的研究现状

在电力系统中,交联聚乙烯绝缘因其优良的介电和耐热性能已被广泛应用于高压和超高压塑料绝缘电力电缆中。但在直流电场作用下,绝缘中容易形成空间电荷,空间电荷会使电场分布发生畸变,加速了绝缘老化,降低电缆使用寿命。总结了空间电荷在聚合物特别是聚乙烯电缆绝缘材料老化中的研究现状,概述了近20 a国内外在聚乙烯材料中抑制同极性和异极性空间电荷产生的方法,最后从工程实际应用出发,简要介绍了从空间电荷角度诊断交联聚乙烯电缆中电介质老化的方法及现状。     

基于改进电声脉冲测试系统的油纸绝缘混合体系空间电荷动态行为特性

目前国内外关于油纸绝缘介质空间电荷特性的研究全部基于油浸绝缘纸,且已有的电声脉冲测试系统无法实现对油隙与油浸纸组合而成的混合体系的空间电荷特性的测试。通过采用改进的电声脉冲测试系统首次对油隙与油浸纸板组合而成的混合体系的空间电荷动态行为特性进行研究,分析空间电荷积聚对油纸混合体系内部电场分布的影响。研究发现油纸绝缘界面处及油浸绝缘纸内部积聚的空间电荷和电场畸变程度与绝缘油和油浸纸板的电导率关系很大。由绝缘油劣化导致油纸绝缘系统的电导率提升更易引起油浸纸内部场强严重畸变,油浸纸内部最大场强约达到平均场强的2.5倍。而由油浸纸电导率增大引起的油纸绝缘系统的电导率提升减轻了油浸纸内部的电场畸变程度,但电荷快速迁移会导致介质热效应显著也易诱发击穿。消除绝缘结构界面引起的空间电荷积聚效应、限制空间电荷在绝缘介质内部的快速迁移或使电荷在介质内部分布更加均匀,从三方面出发将有助于抑制空间电荷的危害。     

油-纸绝缘内部空间电荷的运动规律

针对换流变压器油–纸绝缘内部合成电场的计算,目前尚无有效的方法考虑空间电荷对合成电场的附加影响,致使内绝缘设计误差较大。为此对现有的上流有限元法进行改进,添加时间步长,基于迭代思想,提出瞬态上流元法,在考虑空间电荷运动的情况下,计算油–纸绝缘内部合成电场。单层油纸绝缘实验结果与仿真结果的对比验证了该方法的正确性。研究了不同电场强度下,油–纸绝缘介质内部空间电荷的运动规律和合成电场的畸变情况,并利用该方法进一步研究了双层油–纸绝缘系统内部空间电荷的分布规律。研究结果表明:瞬态上流元法具有较高的精确度;在载流子迁移率一定的情况下,初始电场强度越大,电荷运动到动态稳定所需时间越短,且内部合成电场畸变率越大;双层油–纸交界面对空间电荷具有阻碍效应,可通过设置适当的界面势垒模拟这一特性。该方法的提出为提高特高压直流设备的内绝缘优化设计水平提供了理论与技术支撑。     

热老化对挤塑绝缘XLPE直流电缆空间电荷特性的影响

对国产200 k V挤塑绝缘交联聚乙烯直流电缆进行切片热老化研究,通过空间电荷测试分析热老化对电缆空间电荷特性的影响。试验结果表明:未热老化试样表面靠近电极区域出现大量异极性空间电荷,导致试样内部电场发生严重畸变。这些异极性空间电荷主要源于电缆制造过程中的交联副产物,因制造过程中脱气不充分而残留在电缆绝缘内部。热老化初期,试样表面区域的异极性空间电荷快速消失,这可能是由于热老化过程中的高温加速了交联副产物的释放,降低了异极性空间电荷量,试样内部的电场畸变得到有效抑制。热老化后,试样表面区域的空间电荷由异极性电荷转变为同极性电荷,且同极性空间电荷量大致随热老化时间的增加而缓慢增加,表明XLPE材料经历了较缓慢的老化过程。     

温度梯度场对高直流电压下聚乙烯中空间电荷及场强畸变的影响

高压电缆运行中由于导体发热引起绝缘由内到外形成温度梯度.直流电压下温度梯度的存在必然会影响电荷的注入和迁移,同时引起绝缘电阻的梯度变化进而引起场强的梯度变化,加剧了位于绝缘层外表面的电荷积聚和场强畸变,降低了电缆的使用寿命.因此研究温度梯度场下直流绝缘中空间电荷分布及场强畸变特性,对新型直流电缆绝缘设计具有较高的理论和...     

高压直流交联聚乙烯电缆应用与研究进展

近20年来,交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆因其重量轻、工作温度高、输送功率大等优点而在高压直流(HVDC)输电工程中得到广泛应用与发展。直流电缆及其附件绝缘长期处于直流电场作用下,存在严重的空间电荷积聚问题。为此,综合国内外研究论述了极性反转电压和温度梯度场对直流电缆绝缘介质空间电荷特性的影响规律,分析了直流电缆附件双层介质界面电荷的分布规律及抑制方法,最后展望了免交联绝缘直流电缆的发展趋势。研究结果表明:极性反转后的外施电场与空间电荷感应电场发生叠加,加剧了绝缘介质内部电场畸变;温度梯度场加速了高温侧空间电荷的注入和输运过程,导致空间电荷在绝缘介质低温侧积聚;电缆主绝缘与附件增强绝缘间的电导不连续性导致其界面处产生电荷积聚,而通过在主绝缘与增强绝缘间增加非线性控制层可以有效抑制界面电荷;热塑性电缆绝缘材料具有免交联和可回收的优点,是未来直流电缆绝缘的发展方向之一。这些研究结果的总结和概述可以为解决直流电缆及其附件绝缘的空间电荷积聚问题提供参考。