温度梯度影响高压直流电缆用交联聚乙烯中空间电荷分布的作用机理

实验结果显示温度梯度会加剧交联聚乙烯(XLPE)低温侧的异极性电荷积聚,而在高温侧仅形成少量的同极性电荷。针对这一问题,分别基于杂质电离和注入载流子抽出受限这2种理论,探讨了温度梯度影响XLPE中空间电荷分布的机理,并指出介质内部存在的温度梯度可以通过影响载流子的迁移率来影响空间电荷分布,而两侧电极上的温度差会通过影响两侧载流子的注入和抽出来影响整体空间电荷的分布。为了验证以上推论,测量了不同厚度的试样在不同温度条件下的空间电荷分布,结果显示:在相同温度差和不同温度梯度下,薄试样中会积聚更多的异极性电荷,由此验证了介质内部的温度梯度可以促进低温侧异极性电荷的积聚;在相同温度梯度和不同温度差下,厚试样中会积聚更多的异极性电荷,由此验证了两电极间的温度差可以促进低温侧异极性电荷的积聚。     

基于分子链位移的HVDC电缆接头界面区域空间电荷分布研究

在高压直流电缆接头绝缘中,携带被深陷阱捕获电荷的分子链在库伦力作用下会发生位移,导致聚合物绝缘中深陷阱能级发生变化,进而对电荷输运造成影响。该文基于分子链动力学对传统双极性电荷输运模型进行改进,在温度梯度下分析高压直流电缆接头不同界面的深陷阱能级、空间电荷及电场分布,探讨在温度梯度下深陷阱能级变化对电缆接头绝缘界面电荷分布的影响。研究表明：基于分子链动力学改进的双极性电荷输运模型中,复合绝缘界面以及介质内部深陷阱能级增大,导致电荷在介质内部的扩散和迁移受到阻碍,大量电荷在界面积聚;界面电荷分布规律与界面深陷阱能级分布一致;相较于接头内部整体高温,接头两侧存在较大的温差更容易使接头绝缘面临更严峻的挑战,电缆接头在10K的温差下能够保持较为良好的电气绝缘和运行状态。所得结果为进一步理清电缆接头绝缘电荷输运特性提供了支撑。     

温度梯度下XLPE同轴和平板结构试样空间电荷行为对比性研究

直流电场下,电缆绝缘中的温度梯度效应导致绝缘材料空间电荷行为复杂,影响电缆系统长期运行的可靠性.目前,温度梯度下电缆绝缘空间电荷特性的研究多集中于平板结构的切片试样,但平板结构切片试样的空间电荷测量能否反映真实电缆绝缘中的空间电荷特性尚缺乏有力证明.该研究测量并分析了温度梯度场下2种不同结构(同轴结构、平板结构)10 kV交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)试样的空间电荷演变特性以及电场分布行为,基于去压状态下的空间电荷行为,计算了XLPE同轴电缆和切片试样的载流子迁移率以及陷阱深度分布,并对2种结构XLPE试样的空间电荷行为和电荷特性参数进行了对比性研究.该研究结果表明同轴结构和温度梯度效应均会加剧XLPE电缆外半导电层附近的空间电荷积聚,除了结构因素的影响,温度梯度场下XLPE同轴电缆和平板切片试样的空间电荷演变规律以及电荷特性参数均呈现出等效规律.     

温度梯度下油纸绝缘空间电荷特性的数值仿真

作为换流变压器等直流高压输电设备中的主要绝缘材料,油纸绝缘在直流电压下的绝缘特性受其内部空间电荷的影响。同时,油纸绝缘在工作运行中往往承受较大的内外温度差异的作用,而温度差异对油纸绝缘中空间电荷特性的影响尚不明确。为此在实验研究基础上,建立了一种基于双极性载流子输运和陷阱势垒理论的油纸绝缘介质电荷迁移模型,经数值计算得到单层与双层油纸中温度梯度效应,即油纸低温侧积聚异极性电荷从而畸变低温侧电场,并通过仿真结果与实验结果的比对,验证了仿真模型的可靠性;利用仿真模型,进一步研究了载流子迁移率、油纸厚度、低温电极温度对温度梯度效应的影响,研究表明:油纸材料迁移率及电极注入电荷速率均随温度升高而增大是油纸中温度梯度效应的主要原因;载流子迁移率越大,油纸厚度越小,低温电极温度越低,油纸绝缘中的温度梯度效应越严重。     

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。     

长期服役XLPE电缆绝缘的空间电荷与热性能

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)具有良好的电绝缘性能,被广泛用于高压电缆的绝缘材料,但长期服役会使电缆绝缘遭受不同程度的老化,降低绝缘性能,造成供电故障。为了评估不同运行年限XLPE的绝缘老化状态,进行了陷阱参数、空间电荷、表面化学组成、热性能以及介电性能的测试与分析。结果表明,XLPE电缆随运行年限的增加,表面电位衰减速率和电荷陷阱密度逐渐增加;而且新电缆积聚异极性电荷,以深陷阱为主;运行过的电缆积聚同极性电荷,以浅陷阱为主。DSC测试获得的熔融–结晶性能结果显示随着运行年限的增加,XLPE电缆绝缘结晶度降低,使载流子更易在试样内部形成击穿通道;此外,浅陷阱对电荷的捕获能力较弱,导致材料的击穿场强降低。交联副产物的变化和羰基的形成使得电缆老化或故障时绝缘材料的浅陷阱密度增加。总之,随着服役年限的增加,XLPE电缆绝缘出现明显劣化,产生C=C键、C=O以及—OH等极性基团和物理缺陷形成新的陷阱,增加了介质的浅陷阱密度,降低了绝缘的击穿性能。     

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。     

油纸绝缘内部合成电场数值模拟方法

油纸绝缘作为换流变压器的主绝缘介质,其内部电场的分布受外加电压以及空间电荷的影响,而传统的数值方法无法准确计算空间电荷的影响。提出一种基于电极肖特基发射理论和瞬态上流元法(TUFEM)求解载流子输运方程的方法,计算了考虑注入势垒、载流子迁移率、陷阱捕获系数以及载流子复合系数等参数影响下的单层油纸绝缘介质内部空间电荷运动分布特性。与试验结果对比表明瞬态上流元法的有效性。研究典型油纸绝缘介质结构内部合成电场强度畸变程度随温度梯度变化的特性。同时,计算得到极性反转电压下不同时刻的电荷运动和电场分布规律。该方法可推广在(特)高压直流换流变压器内绝缘电场计算和优化设计。     

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。     

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。     

聚丙烯/Al_2O_3纳米复合介质直流击穿特性与电荷输运仿真研究

聚丙烯以其优异的电气性能被广泛用于电力电容器,并且是一种潜在的环保型高压直流电缆绝缘材料。直流电压作用下的空间电荷注入和积聚特性是绝缘介质电击穿的重要因素。为研究击穿特性与电荷输运的关联,分别制备掺杂质量分数为1%、7%和15%的聚丙烯/氧化铝纳米复合介质,测试极化、热刺激去极化电流、高场电导、正电子湮灭和直流击穿特性。实验结果表明:1%质量分数的纳米复合介质的直流击穿场强相较于纯聚丙烯增加,这对应于在1%质量分数的复合介质中较深的陷阱;而7%和15%复合介质的击穿场强和陷阱能级均减小。复合介质的自由体积尺寸未发生明显改变。基于双极性电荷输运模型,仿真计算空间电荷和电场畸变特性随陷阱能级和升压时间的动态演变过程。仿真结果表明,在较大的陷阱能级时的注入电荷密度和电场畸变率均减小;电荷向介质体内的迁移深度在较大的陷阱能级时变浅;随着加压时间的增加,在电场达到一定阈值后的电荷注入和电场畸变才较为明显。深陷阱捕获载流子后形成的同极性电荷积聚和抑制的载流子迁移率均有利于直流击穿性能的提升。     

温度梯度叠加极性反转电压下硅橡胶电荷输运及电树枝特性

直流电缆长期运行在高温度梯度作用下,且时常遭受极性反转、冲击电压等暂态电压,严重影响电缆绝缘可靠性。该文选用电缆附件主绝缘硅橡胶材料,针对不同温度梯度场和极性反转电压下的电树枝起始特性进行研究。搭建极不均匀场下双极性载流子输运模型,研究不同温度梯度和极性反转过程中电荷输运和电场分布特性。研究结果表明：随着针尖温度的上升,空间电荷注入量和注入深度不断增加,反转前后电场的变化更大。温度从30℃增加至120℃,电树枝起始电压下降26.2%,电树枝形态趋于密集,但电树枝长度先增加后减少。结合空间电荷输运特性,给出极性反转电树枝起始的过程,并分析温度梯度对电树枝引发特性的影响规律。     

电荷陷阱对XLPE绝缘电老化特性的影响

交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)由于良好的电气性能而常被用作高压直流电缆的绝缘材料,但其内部缺陷形成的电荷陷阱会导致空间电荷积聚,从而加速绝缘材料的电老化。文中基于电荷陷阱对XLPE电缆绝缘电老化的影响,研究了电荷陷阱在XLPE电缆绝缘电老化过程的作用机理,并运用自由能增量理论定量地分析了电荷陷阱对电老化的影响。将电缆样品进行热老化预处理,得到具有不同电荷陷阱参数的XLPE样品,对其进行空间电荷测试和步进应力实验,验证了空间电荷陷阱和电老化进程之间的关系。结果表明,在XLPE电老化过程中,浅陷阱密度与材料的电老化速率正相关,而深陷阱对电老化过程起抑制作用。     

电老化过程中直流电场对油纸绝缘空间电荷特性的影响

通过研究不同电老化过程中直流电场对油纸绝缘的空间电荷特性的影响,可为换流变压器在长期高场强运行下油纸绝缘的空间电荷特性提供试验依据。利用电声脉冲法研究了油纸绝缘在20 k V/mm的直流电场下老化1 000 h不同阶段下的空间电荷特性,结果表明:在电老化的不同阶段,油纸绝缘在极化过程中的空间电荷特性主要表现为都出现了同极性电荷注入和积聚;随着老化程度的加深,油纸绝缘内部积聚电荷量越大,去极化电荷消散速率越慢,老化过程中陷阱密度和深度都在增大,促进空间电荷被陷阱捕获而积聚;整个电老化过程中,快速运动电荷量变化不大,而慢速运动电荷量逐渐增大主要是由于陷阱密度的增大,导致电荷迁移率下降;电老化过程中电荷的积聚导致极化过程中电场畸变明显,容易产生大电流而使击穿电压下降。     

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。     

温度梯度对直流电压极性反转过程中瞬态电场的影响

高压电缆运行中由于导体发热而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、加剧了位于绝缘层外表面的电荷积聚和场强畸变,降低绝缘击穿强度,也造成了电缆在断电或电压极性反转时的早期破坏。为此,基于电声脉冲(PEA)法,测量了聚乙烯板状试样在不同温度梯度场、50kV/mm直流电场协同作用下加压和极性反转过程中的空间电荷分布和最大瞬态场强。结果表明:温度梯度场-直流电场协同作用下,最大稳态电场出现在试样低温侧;而温度梯度场-电压极性反转协同作用下,最大瞬态电场却出现在高温侧。     

杂质浓度梯度下XLPE空间电荷与电场分布特性仿真研究

交联副产物等杂质解离易引起异极性空间电荷的积累，导致局部场强畸变。同时，交联聚乙烯（XLPE）直流电缆脱气处理后交联副产物杂质会在绝缘层中形成“内高外低”的浓度梯度分布，而杂质浓度梯度对空间电荷的影响尚不清晰。为此基于双极性电荷输运模型，引入杂质浓度梯度并考虑杂质离子对载流子的散射作用，仿真计算交联副产物杂质均匀分布与梯度分布对XLPE空间电荷与电场分布的影响，并分析影响杂质梯度效应的各种因素。结果表明：杂质梯度分布下XLPE空间电荷和电场分布表现出明显的杂质梯度效应，即低浓度侧异极性电荷积聚增多，导致其附近电场增强；而杂质解离势垒和杂质分布浓度是影响杂质梯度效应的主要原因，在杂质浓度梯度一定时，活化能越低，温度越高，解离势垒越低，载流子的迁移率相应降低，导致杂质梯度效应越明显；绝缘层厚度越大，杂质分布浓度越高，杂质梯度效应也越明显。     

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。     

高压退役电缆空间电荷特性

由电缆老化引起的绝缘层空间电荷的积累与消散对于电缆绝缘性能有很大影响。选择2根退役及1根备用110 kV交联聚乙烯电缆,利用电声脉冲法测量了不同位置的空间电荷分布,初步分析了空间电荷特性与电缆老化之间的关系。结果表明:老化后的试样不同位置的正极性电荷和异极性电荷(不包含正极性电荷)均增加;极化阶段平均体电荷密度差异很小,无法判断电缆老化状况;去极化起始阶段,电荷脱陷使得平均体电荷密度跃变,不同电缆样品不同层的初始值差异较大;随着时间增加,电荷消散速度逐渐减小,很好的反应了绝缘层陷阱能级的变化。总的来说,电荷消散过程中平均体电荷密度的变化及陷阱能级差异更能反应电缆老化状况。