直流和工频电压下油浸纸绝缘系统空间电荷特性的差异

绝缘材料在交流电压下的空间电荷特性和直流电压下的空间电荷特性同等重要。输电系统中交流变压器的数量巨大,变压器内绝缘用油纸绝缘材料在交流电压下的空间电荷特性如何,尚未见研究报道。首先采用直流电声脉冲测试系统研究了油浸绝缘纸在正/负极性直流场强下的空间电荷特性,然后采用改进的基于电声脉冲法的空间电荷测试系统研究了油浸绝缘纸在工频电压下的空间电荷特性。结果表明:电场极性对油浸绝缘纸内部的空间电荷分布有决定性影响,在正极性直流场强下,积聚在靠近铝板电极侧绝缘纸-绝缘纸界面处的电荷极性是正极性,而在负极性直流场强下,其是负极性;在工频加压的正半周,铝板电极处的电荷极性为负,而在工频加压的负半周,铝板电极处的电荷极性为正,90和270相位下油浸绝缘纸内部界面处积聚的电荷极性相反;与直流电压下相比,工频电压下油浸绝缘纸内部积聚的电荷显著减少。     

直流电老化对160kV直流电缆材料空间电荷分布特性的影响分析

本研究对160 k V直流电缆切片在40 k V/mm的高直流电场下进行电老化试验,采用电声脉冲法(PEA)对电老化前后的空间电荷分布特性进行了研究,并对XLPE在直流电场下的老化机理进行分析。结果表明:电老化导致直流电缆绝缘的同极性空间电荷注入现象增强,空间电荷向绝缘内部迁移。随着老化时间的增加,空间电荷总量以及电荷陷阱深度增加,电荷脱陷过程变得更加困难。在整个老化周期内未发现异极性空间电荷,表明虽然试样内空间电荷量有所增加,但其老化程度并不严重,大部分XLPE分子链保持完整,说明160 k V直流电缆材料具有较强的空间电荷抑制能力及耐老化特性。     

老化方式对交流交联聚乙烯电缆空间电荷分布的影响

为了研究高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆老化状态与绝缘空间电荷特征的关系,通过测量高压交流交联聚乙烯(XLPE)电缆不同位置绝缘的空间电荷特性,分析了老化方式对XLPE电缆空间电荷分布规律的影响。采用电声脉冲(PEA)法测量XLPE内空间电荷分布规律,发现未老化电缆铝电极附近积累同极性电荷,而老化后电缆的铝电极附近积累异极性电荷。沿电缆径向由内向外,未老化电缆及实际运行22a电缆电荷量增高,加速老化1a电缆电荷量降低。分析认为,加速老化电缆的老化可能起始于电缆绝缘内侧,实际运行电缆老化可能起始于电缆绝缘外侧。结果表明不同老化状态下交流XLPE电缆绝缘空间电荷行为明显不同,空间电荷测量可以作为评价交流XLPE电缆老化状态的有效手段。     

高压直流交联聚乙烯电缆30天负荷循环试验下的空间电荷特性

为研究高压直流(HVDC)交联聚乙烯(XLPE)电缆在负荷循环试验中的空间电荷积聚特性,按照国际大电网组织CIGRE TB496的试验要求,对电压等级为30 k V的直流电缆开展了型式试验中的30 d负荷循环试验,采用脉冲电声法(PEA)测量了其空间电荷特性,重点研究了温度和加压时间对直流电缆空间电荷特性的影响。研究结果表明:温度对直流电缆的空间电荷特性具有显著的影响,在加热的过程中,随着温度的升高,电缆绝缘中主要表现为异极性空间电荷的注入(异极性空间电荷通常是由杂质在电场作用下被电离而造成的),且正极性电压作用下的异极性空间电荷注入比负极性电压作用下的要强;此外,随着加压时间的增加,电荷会逐渐由高温侧向低温侧迁移;在冷却过程中,电缆绝缘中会产生与电压极性相同的电荷积聚;48 h正极性负荷循环试验与24 h正极性负荷循环试验下的电荷积聚特性类似,不同的是随着加压时间的增加,相比于加热前,冷却24 h后电缆中积聚了少量的正极性空间电荷。     

直流预压时间对直流叠加冲击电压下XLPE中电树枝引发特性的影响

为探究直流预压时间对直流叠加冲击电压下电树枝引发特性的影响,在幅值为0、±10 kV预压时间为1、10、60、180min的直流偏置电压下分别叠加±50k V的雷电冲击电压。此外,利用双极性载流子输运模型对复合电压下针尖附近空间电荷及电场分布进行了仿真分析。试验及仿真结果指出,随着直流电压作用时间的增加,复合电压下的电树枝引发长度逐渐增加,介质内部空间电荷浓度及分布范围有所增加,且复合电压下电树枝引发长度与空间电荷浓度、注入深度以及流注发展过程有关。复合电压作用下电树枝引发长度以及直流电压下空间电荷分布特性与所加电压的极性存在紧密联系,正极性冲击电压下电树枝引发长度明显大于负极性;当直流预压时间及幅值相同时,负极性直流预压下空间电荷浓度及分布范围均大于正极性。     

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。     

热老化对XLPE电缆绝缘空间电荷分布特性的影响研究

对110 k V XLPE电缆绝缘进行100℃和160℃加速热老化实验,通过电声脉冲法(PEA)测量了不同热老化试样的空间电荷分布特性。结果表明:当XLPE试样中有抗氧化剂存在时,氧化反应被抑制,试样中没有出现明显的空间电荷积聚。当抗氧化剂被消耗完毕后,100℃热老化试样内部靠近电极附近出现了明显的异极性电荷积聚,160℃热老化试样内部靠近电极附近出现了大量的同极性电荷积聚,试样中间出现了明显的异极性电荷积聚。热老化试样中的异极性电荷主要来自于热老化产物在电场下电离产生的离子对,而160℃热老化试样内出现的同极性电荷来源于电极的注入。在相同的条件下,未老化试样和100℃热老化试样中并不能观察到明显的同极性电荷的存在,因此,160℃热老化可能会降低XLPE的空间电荷注入阈值场强。     

交流电压下基于空间电荷效应的XLPE电缆绝缘老化研究现状

交联聚乙烯(XLPE)电缆以其优良的机械和电气性能广泛应用于现代电力系统。研究表明,在直流电压作用下绝缘中容易形成空间电荷,导致电场畸变,加速绝缘老化。国内外很少关于交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘影响的研究。本文综述了交流电压下空间电荷对XLPE电缆绝缘老化的影响及其作用机理,并介绍了交流电压下测量空间电荷分布的改进的电声脉冲法。结果表明,交流电压下,空间电荷分布特性影响XLPE电缆绝缘老化。     

直流电压下油、纸绝缘结构不连续界面空间电荷积聚特性

在直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚会导致空间电场畸变,对直流输电设备的绝缘设计和运行有重要影响。为研究该问题,利用纸板覆盖上、下电极的油纸复合绝缘模型,研究了在不同极性直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚过程。试验中,搭建了基于Kerr效应法的油纸绝缘光学空间电场的测量平台,以实现变压器油中电场的在线非接触式测量。试验结果表明:不同极性的直流电压下,油中电场的暂态过程差异显著,具有明显的极性效应;油、纸界面积聚空间电荷的极性与外施电压的极性和油、纸板的空间位置直接关联:纸板覆盖上电极时油纸界面电荷极性与外施电压极性相反,纸板覆盖下电极时油、纸界面电荷极性与外施电压极性相同;与传统的电阻率-介电常数模型下界面电荷的积聚现象不同,油纸界面电荷积聚的速度具有明显的极性效应:油、纸界面负电荷的积聚速度远大于正电荷的积聚速度,导致不同极性电压下油中电场从暂态容性电场到稳态阻性电场的过渡过程差异显著。     

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。     

热老化对交流配电XLPE电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响

为了研究热老化对交流配电交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆改为直流运行后电缆绝缘性能的影响,先对已运行两年的10kV交流XLPE电缆样段进行135℃加速热老化试验,随后采用车床和特质刀具将电缆样段沿轴向环切得到薄片试样,通过直流电导率、空间电荷测量、表面电位衰减和直流击穿测试,结合载流子迁移率、活化能和陷阱参数的计算,对老化前后交流配电XLPE电缆的直流绝缘性能进行研究.结果 表明:随着老化时间的增加,交流XLPE电缆绝缘试样的直流电导率和载流子迁移率先下降后上升,长期老化后空间电荷积累阈值场强与试样的活化能明显减小,试样的直流电导率随着测量温度的升高而增加,其空间电荷积累阈值场强随着测量温度的升高而减小;随着老化时间的增加,试样中积累的空间电荷由异极性转变为同极性,深陷阱数量与直流击穿场强均呈现先上升后下降的趋势;分析认为短期热老化有利于提高交流配电XLPE电缆改为直流运行后的直流绝缘性能.     

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。     

温度对高压直流电缆中间接头内电场分布的影响分析

高压直流电缆附件中的电场分布主要取决于绝缘材料的电导率而非相对介电常数,由于交联聚乙烯(XLPE)和硅橡胶(SR)2种绝缘材料电导率差异较大,且受电场强度和温度影响较严重,导致直流电缆附件的设计比交流附件复杂得多。为此,采用软件仿真手段分析了不同温度梯度作用时,直流电压、直流叠加冲击电压下电缆接头中的电场分布情况。研究结果表明:在直流电压下,随着温度的升高电缆接头内的最大电场强度(简称场强)及XLPE/SR分界面的切向场强会大幅增加,而且绝缘内最大场强出现位置也会由高压屏蔽端部转移到应力锥根部;当直流叠加冲击电压作用时,接头内的电场分布会出现3个场强极大值点,压接管端部高压屏蔽内侧的场强最大,且不随冲击电压极性和线芯温度的变化而变化;直流叠加正极性冲击电压作用下,压接管端部SR材料内侧和应力锥根部XLPE材料内侧的场强随温度的升高而降低,而在直流叠加负极性冲击电压作用下这2点的场强随温度的升高而增大。以上研究结果可供高压直流电缆附件设计参考。     

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（cross linked 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。     

交联聚乙烯试样中空间电荷输运特性的数值模拟

挤塑型交联聚乙烯(XLPE)高压直流电缆绝缘中空间电荷的积聚会造成局部场强畸变,导致材料的绝缘性能下降。电缆内导体的热效应在绝缘层产生的温度梯度会进一步影响电荷行为,纳米颗粒改性是抑制空间电荷的一种有效措施,但抑制作用具体如何实现,尤其是对于微观层面载流子输运过程的影响规律还需深入分析。试样内空间电荷的数值仿真可以探究各种微观粒子之间的相互作用和演化过程,因此文中基于载流子抽出受限的双极性电荷输运模型,对温度梯度下的电荷行为,深陷阱与浅陷阱对于载流子迁移过程的影响进行了研究。结果表明：低温侧会因抽出受限而积聚异极性电荷,深陷阱会限制载流子输运且深陷阱作用存在瓶颈,随着迁移率增大,电荷分布由同极性变为异极性分布,当迁移率足够大时,异极性电荷不再增长甚至开始降低。     

直流耐压试验对交联聚乙烯电缆绝缘的危害性

聚合物绝缘介质中存在着大量的电荷陷阱，在直流电场的作用下，电荷的注入或添加剂的电离化，在绝缘中形成了严重的空间电荷效应。通过试样击穿的极性效应、ＸＬＰＥ电缆绝缘中空间电荷分布的测量，阐明空间电荷对电场的畸变，畸变可使绝缘中的最大电场强度达到击穿强度。通过聚乙烯的直流击穿电场强度和预压短路击穿电场强度的比较，说明短路放电也可以引起电缆绝缘的击穿或损伤。     

极性反转下低密度聚乙烯空间电荷动态特性的数值模拟

直流电缆在运行时如果电压极性发生反转,会使得外加电场与累积空间电荷所产生的电场叠加而增强,可能引起局部放电或介质击穿。目前的实验测量方法无法揭示极性反转过程中空间电荷和电场的瞬态变化,尤其是微观粒子之间的相互作用过程。为了深入研究高压直流电缆在极性反转下的内绝缘机理,利用双极电荷传输模型对低密度聚乙烯(LDPE)的空间电荷动态特性进行了数值模拟,并通过仿真研究了多次极性反转下LDPE空间电荷和电场的瞬态分布。结果表明:极性反转时表面电场大大增强,并具有一定的极性效应,在由阳极转变为阴极时更加显著;极性反转前陷阱电荷密度远大于自由电荷密度,极性反转时电极表面电场的增强主要是由电极附近的陷阱电荷所决定。研究成果可为高压直流电缆的绝缘设计提供参考,也可以为聚合物材料空间电荷的动态仿真提供借鉴。     

极性反转条件下基于双极性载流子-离子混合输运模型的XLPE空间电荷特性研究

直流电缆在运行时需承受极性反转的电压，这会使得绝缘内部积累的空间电荷增加，进而可能引起绝缘破坏。同时在绝缘材料实际生产过程中引入的交联副产物等杂质解离产生的离子电荷会加剧电荷的积累。因此本文对传统双极性载流子输运模型进行改进，考虑杂质带电离子的影响，利用改进后的输运模型模拟交联聚乙烯（XLPE）内部空间电荷在电压极性反转期间的分布，研究极性反转时间和电场强度对电荷分布的影响机理。结果表明：在满足电压反转前后空间电荷分布基本呈镜像分布的基础上，引入离子电荷会增大两电极附近稳态时积聚的异极性电荷量；电压反转时间越长，两电极处的界面电荷峰值下降的越多，两电极附近的空间电荷变成相反极性的电荷量也越多，即反转完成时电荷分布更接近于反转稳定后的情况；在相同极性反转时间、不同电场强度下，电荷分布规律基本相同，场强越高，各处积累的电荷量越多。     

柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计

重点探讨了柔性直流电缆绝缘料及电缆的结构设计。分析指出,空间电荷问题是柔性直流电缆绝缘急需解决的难题,电缆绝缘空间电荷测量装置的研制及空间电荷陷阱能量分布的测量均有助于空间电荷问题的研究。添加纳米填料抑制交联聚乙烯(XLPE)电缆绝缘中空间电荷时,可以通过表面物理或化学修饰等改性手段解决纳米粒子与XLPE的相容性问题。文中指出,柔性直流XLPE电缆绝缘中电场分布与体积电阻率呈正比分布,而电阻率取决于温度和场强。由于受到空间电荷的影响,运行中柔性直流电缆经受的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键因素。最后,提出了开发高载流90℃工作温度绝缘料,并设计出绿色环保的高压、超高压陆地和海底电缆结构。     

交流配电XLPE电缆直流改造的拓扑结构和空间电荷研究综述

对国内外在交流配电XLPE(交联聚乙烯)电缆直流改造方面的研究进行了梳理和介绍。对于在直流电压下运行的交流XLPE电缆,绝缘中的空间电荷积累是其面临的主要问题,将电缆绝缘中的电场强度限制在空间电荷积累阈值场强以下时,可以忽略由于电极注入和杂质电离带来的空间电荷积累的影响。对于单回交流配电线路直流改造的拓扑结构,可考虑采用双极式接线方式;当其供电能力提升较小时,也可考虑采用单极或者三线双极式接线方式。