直流叠加冲击电压下XLPE中空间电荷特性研究

高压交联聚乙烯（XLPE）直流电缆在工作状态下，会受到电力系统中由投切等操作引起的操作冲击电压的破坏，导致绝缘受到影响，而目前缺乏多次冲击累积效应引起空间电荷累积导致电缆绝缘劣化的相关研究。本文基于实验室已有的直流叠加冲击电压下的PEA法空间电荷测量系统，分别测量了直流电压、冲击电压、直流叠加冲击电压作用下XLPE电缆绝缘中的空间电荷特性。结果表明：正直流电压下XLPE体内以异极性电荷为主，负直流电压下SC电极上出现同极性负电荷的注入；连续的高幅值冲击电压作用会导致双电极上大量的同极性电荷注入，且负极性冲击下电荷注入量略多；当直流叠加冲击电压时，同极性叠加方式比异极性叠加方式更能促进双电极上同极性电荷的注入，而且冲击电压作用时间越长，XLPE试样内部积聚的电荷量越多。     

高压直流XLPE电缆冷热循环下的空间电荷特性研究

同轴型电缆空间电荷测试系统是研究塑料电缆空间电荷特性的重要工具。根据国际大电网WG21-01组推荐的高压直流塑料电缆型式试验方法——24 h负荷冷热循环(8 h加热周期和16 h冷却周期),对三种不同绝缘材料所构成模拟小电缆的空间电荷分布进行了实时测量。通过比较三种电缆在24 h冷热循环周期中空间电荷积聚的量化指标——平均电荷密度,得出高压直流XLPE电缆对温度变化应具有良好的"响应"且24 h负荷冷热循环前后空间电荷的积聚量应保持不变,为今后高压直流塑料电缆的研究指明了方向。     

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。     

交直流复合电压下热老化油纸绝缘空间电荷特性

换流变压器阀侧绝缘长期承受交直流复合电压的作用。为了研究油纸绝缘在交直流复合电压下空间电荷特性,该文开展了油纸绝缘加速热老化试验,搭建复合电压下电声脉冲法空间电荷测量系统,测量交流、直流以及交直流复合电压下油纸绝缘内部空间电荷积聚和消散情况,并进一步计算得到油纸绝缘陷阱深度。研究结果表明,不同老化状态的油纸绝缘在交直流复合电压下均出现铝电极附近的负极性空间电荷积聚,老化的油纸绝缘由于正负电荷不同的注入迁移特性,在交流电压下同样出现负极性空间电荷积聚;随着老化时间的增加,油纸绝缘中积聚的空间电荷先减少后增加;与直流极化相比,交直流复合电压极化后老化油纸绝缘的平均陷阱深度更大。     

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。     

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。     

500 kV直流电缆用交联聚乙烯绝缘特性研究

研究了两种新型500 k V直流电缆用交联聚乙烯(XLPE)材料的直流电气强度、空间电荷特性和电导率与温度及场强的关系,并对测试结果进行了对比分析,然后结合材料的微观结晶形态对绝缘性能差异进行了讨论。结果表明:两种材料的直流击穿特性几乎相当,特征电气强度均大于500 k V/mm;两种材料均具有较小的电导率-温度系数,其中2#材料的电导率-温度系数为0.048/℃;30 k V/mm场强下,两种材料中几乎没有发现异极性空间电荷的积聚,1#试样在正负极附近出现同极性电荷注入,而2#试样主要在正极处存在同极性电荷注入。     

温度梯度下双层油纸绝缘系统的空间电荷分布特性

换流变压器为直流高压输电系统中的重要设备,但因其运行工况的特殊性,其内部油纸等绝缘材料往往承受较大的内外温度差异作用。针对换流变压器中双层油纸绝缘系统存在的内外温度不同的温度梯度效应对油纸绝缘中空间电荷分布的影响,利用电声脉冲法测量了不同温度梯度下（Δθ=0、20、40°C）,电压分别为-3.4、-10.2、-20.4kV（即平均电场强度分别为10、30、60MV/m）时双层油纸中空间电荷在20min内随时间变化规律及电场分布。实验结果表明：在低场强下,上下电极均有明显的同极性电荷注入;温度梯度使低温侧出现异极性电荷,并且随着温度梯度的增大、电压的升高,低温侧异极性电荷越来越多,从而使低温侧的场强畸变越来越大;加压后,2层油纸界面处开始积累与上电极相同极性的电荷,并且界面处电荷量随温度梯度及电压的增大而增大,但电荷密度出现饱和现象。经分析可知,油纸界面起到阻挡正负电荷通过的作用,而温度对电极注入特性及试样电导特性的影响为温度梯度影响空间电荷分布的主要原因。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水分含量对直流电场下油纸绝缘空间电荷动态特性的影响

为研究水分含量对直流电场下油纸绝缘内部空间电荷积聚特性与消散特性的影响,使用快速空间电荷测量系统与极化去极化电流测量系统分别测量了不同水分含量的油纸绝缘试样在直流电场下的电导情况与加压短路过程的空间电荷分布情况。结果表明:0. 91%水分含量条件下,油纸电导与场强呈现线性关系; 5. 21%水分含量条件下,电导与场强呈二次抛物线关系,且水分含量的上升使油纸绝缘电导提升多个数量级;相同水分含量条件下,外加场强的上升能增加电极处积累的同极性空间电荷。0. 91%水分含量条件下,油纸内部积聚的正极性空间电荷在加压过程中不断增加,且正极性空间电荷注入的深度不断提高; 5. 21%水分含量条件下,随加压持续,阴极积聚的同极性空间电荷向油纸内部迁移;不同水分含量条件下,加压过程中水分含量的上升使电极处积聚的同极性空间电荷与感应电荷增,而原先油纸内部积聚的正极性空间电荷减少。且油纸靠近电极处积聚的异极性空间电荷增多;短路过程中,水分含量的上升加快了油纸的放电过程,并抑制了电极处极性反转现象的出现。     

PWP法柔性直流电缆空间电荷特性研究

为探究柔性直流电缆的空间电荷特性,采用压力波(PWP)法模型电缆空间电荷测试系统,研究了30 k V柔性直流电缆在电场为-10、-15和-20 k V/mm,导体温度为30、50和70℃,以及在电场13.9 k V/mm下热循环过程中的空间电荷分布。结果表明:在试验外加电场下,当电缆导体温度为30℃时,电缆绝缘层中几乎没有空间电荷积聚;当导体温度升高到50℃和70℃时,绝缘层两侧出现异极性空间电荷积聚,空间电荷密度随着导体温度和电场的升高而增大,且绝缘层外侧的空间电荷积累量大于绝缘层内侧;在电场为13.9 k V/mm的热循环过程中,柔直电缆绝缘层在加热阶段积聚的空间电荷在降温阶段不易消散。     

不同含水量油纸绝缘热老化过程中的空间电荷特性研究

水分会导致油纸绝缘电气性能下降并加速老化,但是水分对油纸老化过程中空间电荷特性的影响鲜有报道。本文利用电声脉冲(PEA)法研究了不同老化阶段、不同含水量油纸中的空间电荷特性,结果表明当含水量较低时,增加含水量可以加速空间电荷到达稳态,但是进一步增加含水量反而会减速;老化初期的油纸主要以异极性电荷积聚为主,而随着老化程度的加剧,逐渐演变为同极性电荷注入。随着含水量的增加,需要更长的老化时间电荷注入类型才会发生变化,继续增大含水量将加速注入类型的转变。分析认为水分一方面会加速老化,加剧空间电荷积聚,另一方面会加快或减缓空间电荷到达稳态的过程,所以电荷注入类型会发生转变,转变时油纸中的空间电荷会很快到达稳态,阳极附近空间电荷积聚变少,电场畸变程度小。     

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。     

预鉴定试验对直流电缆中空间电荷特性的影响

为研究预鉴定试验对直流交联聚乙烯(XLPE)电缆的影响,对国内自主研发的200 k V直流XLPE电缆进行了预鉴定试验,并采用傅里叶红外光谱测试(FTIR)、差示扫描量热法(DSC)、空间电荷测试等方法,分析了预鉴定试验前后电缆XLPE绝缘中层绝缘的状态变化。结果表明:预鉴定试验前后,电缆绝缘材料本征基团对应的特征吸收峰基本不变,熔融温度、结晶温度变化不大,电缆材料未发生明显老化。预鉴定试验前后,电缆绝缘中层切片试样均有明显的异极性空间电荷积累,30℃下预鉴定试验后试样短路过程中的平均体电荷密度明显大于预鉴定试验前的试样。预鉴定试验使电缆绝缘层内的交联副产物沿电缆径向由线芯侧向外侧扩散,使电缆绝缘中部的交联副产物含量增多。电缆绝缘中层切片经实验室脱气处理后,异极性空间电荷的积累量大幅下降,表明现有200 k V直流XLPE电缆经脱气处理后,仍留存大量的交联副产物,需要进一步改进生产过程中的脱气工艺。     

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。