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柔性直流电缆绝缘料及电缆的结构设计

发布时间:2017/10/31 点击量:

柔性直流电缆绝缘 料 及 电 缆 的 结 构 设 计

 

摘要 :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 ( 电 缆 绝 缘 中 空 间 电 荷 时, 可 X L P E) 以通过表面物理或化学修饰等改性手段解决纳米粒子与 X 柔性直 L P E 的相容性问题 。 文中指 出 , 流X 而电阻率取决于温度和场强 。 由 于 受 到 L P E 电缆绝缘中电场分布与体积电阻率呈正比分布 , 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 9 并设计出绿色环保的高压 、 超高压陆地和海底电缆结构 。 0 ℃ 工作温度绝缘料 , 关键词 :柔性直流输电 ;空间电荷 ;电缆 ;纳米填料 ;电场分布 0 引言 两 端 直 流 输 电 系 统 或 者 多 端 直 流 输 电 系 统 中, 换流站之间的电能传输 , 可采用架空线路 、 电缆线路 和架空 — 电缆混合线路 这 3 种 线 路 类 型 。 国 内 基 于 晶闸管的 相 控 换 流 器 高 压 直 流 输 电 ( L C C HV D C) 多用于大容量 、 长 距 离、 点 对 点 输 电, 两端换流站均 远离城市中心 , 电压等级均在 5 两端 0 0k V 及以上 , 都采用架空线路 连 接 , 没 有 用 直 流 电 缆。 基 于 电 压 , 源换流器的高压直流输电 ( 国内也称 V S C HV D C) , 为柔性直流 ( 简称柔直 ) 非常适用于向海岛供电 、 城 市负荷中心增容 、 风电并网等 , 多采用直流电缆线路 连接两端或者多端换流站 。 特别是城市直流配电系 统的发展 , 柔直电缆线路是必不可少的设备 , 也有在 跨海输电 工 程 中 采 用 电 缆 — 架 空 混 合 线 路 连 接 , 不 失为一种经济的选择 。 直流电缆及其连接件 ( 终端和接头 ) 的电压范围 分类 , 按照绝缘厚度 、 参照交流挤出绝缘电缆的 I E C  , 标准 可以分为低压 3 中压 0k V 及以下 ( 、 高压( 3 0k V以上到 1 5 0k V) 1 5 0k V 以上到 、 超高压 ( 和特高压 2 5 0k V) 2 5 0k V 以上到 5 0 0k V) ( ) 。 以上 5 0 0k V 从直 流 电 缆 制 造 工 艺 来 分 类 , 主要有绕包绝缘 。 电缆和挤包绝缘电缆 2 类 绕包绝缘电缆是采用专 门的电缆纸带绕包 在 导 体 及 其 屏 蔽 外 面 , 再使用绝 缘油浸渍纸绝缘 , 消 除 纸 带 之 间 的 空 气 隙。 

国家电网公 司 科 技 项 目 “ 海底电缆运行特性及运维规程研 缆又分黏性 浸 渍 纸 绝 缘 和 充 油 纸 绝 缘 2 种 类 型 电 缆 。 黏性浸渍纸绝 缘 电 缆 可 以 制 造 中 压 、 高压直流 电缆 , 超高压 、 特高 压 要 采 用 充 油 电 缆 的 结 构 形 式 。 挤包绝缘电缆是采用塑料或橡皮 , 使用橡塑挤出机 , 将高分子材料挤包在导体及其屏蔽外面 。 塑料采用 , 最多的是交联聚 乙 烯 ( 可 以 用 来 制 造 低 压、 X L P E) 中压 、 高压 、 超高压电缆 ; 橡皮主要是采用乙丙橡胶 , 制造低压直流电缆 , 用于轨道交通机车内等弯曲半 径较小的地方 。 绕 包 纸 绝 缘 电 缆 结 构 非 常 适 合 用 于 直 流 输 电, 其电场分布按电阻 率 呈 正 比 分 布 , 正好纸部分电阻 大而承受的电压高 , 油隙部分电阻小而承受的电压 低, 物尽其用 , 且空间电荷积累不明显 。 但电缆纸需 采用上好的木材制造 , 消耗森林资源 , 绝缘油容易污 染环境 , 因此 , 这种 电 缆 不 益 于 环 保 , 国内几乎没有 电缆厂家生产了 。 在当今世界范围内 , 中压 、 高压和超高压柔直挤 包绝缘 电 缆 均 采 用 高 聚 物 X L P E 作 为 绝 缘 材 料。 因 此, 相控 L C C HV D C 的潮流变 换 需 要 改 变 极 性 , ) 换流器 ( 电 缆 需 要 在 绝 缘 上 增 加 极 性 反 转 试 L C C 验; 而V 故不 S C HV D C 改变潮流不 需 要 变 换 极 性 , 需要进行极性反 转 试 验 。 所 以 , 柔直挤包绝缘电缆 是发展方向 。 最近十几年发展起来的柔直输电中几 乎都是采 用 挤 包 绝 缘 电 缆 。 这 种 柔 直 电 缆 最 先 由 A B B 公司所属 的 电 缆 厂 在 几 乎 看 不 到 市 场 前 景 的 情况下研发出来 , 它们已在2 有 0 多 个 工 程 中 运 用, 相当的运 行 业 绩 。 世 界 上 知 名 的 电 缆 公 司 以 及 日 本、 韩国的企业 都 在 研 发 这 种 技 术 和 产 品 。 最 近 半 年, 因为大连和厦 门 ±3 舟山 2 0k V 两 端 柔 直 工 程、 ±2 0 0k V 五端柔直工程和南澳 ±1 6 0k V 三端柔直3 7 1 5 */(kV · mm -1 ) 工程的驱动 , 已经有 五 家 国 内 电 缆 公 司 正 在 研 发 电 缆 。 全球只有一家 公 司 供 应 柔 直 电 缆 绝 缘 料 , 而且 。 工作温度只有7 与运行温度为 的绝缘料 0℃ 9 0℃ 相比 , 使用此柔直电流绝缘料制造的电缆 , 其输送容 量较低 。 国内五家电 缆 公 司 均 采 用 这 种 7 0 ℃绝缘 料试制 ±2 0 0k V 柔 直 电 缆 并 套 用 到 ±1 6 0k V上 去 。

 由于国内工程 的 工 期 急 需 , 电缆还没有全部完 成型式试验和 1 年的预鉴定试验 , 就已被招标采购 , 选用到工程上 。 国内 尚 无 厂 家 供 应 柔 直 电 缆 绝 缘 料 , 世界上高 载流量的9 电缆结构尺寸 0 ℃ 绝缘料也无商品供货 ; , 的设计理论缺乏 消 除 绝 缘 中 空 间 电 荷 积 累 的 制 造 工艺技术还需要研 究 ; 电缆连接件的材料和设计理 论都急待解决 ; 电缆系统的试验验证技术 , 比如试验 终端等迫切需要解决 。 本文拟从柔直挤包绝缘电缆的绝缘料及电缆产 品结构等方面出发 , 探讨柔直电缆结构设计 。 如何有效地抑制空间电荷成为科研工作者最为关心 的问题 , 国内外的相 关 研 究 人 员 开 始 广 泛 研 究 抑 制 空间电荷的方法和寻找添加剂 。 50 40 30 20 10 0 0 4/mm */(kV · mm -1 ) 2 160 h * 5h 0h 3 (a) ,"XLPE*4 80 60 5h 2 160 h * 40 0h 20 1 柔直电缆绝缘料 在直 流 高 压 电 场 作 用 下 , 电缆面临的主要问题 是绝缘介质中或者 界 面 上 会 积 累 一 定 的 空 间 电 荷 。 如果空间电荷密度 足 够 高 , 局部电场甚至可能超过 4] 。 因此 , 绝缘介质的击穿场强 , 导致介质破坏 [ 绝缘 材料的空间电荷问题成为制约直流电缆系统向高压 及超高压发展的主要障碍之一 。 0 0 4/mm (b) "XLPE*4 3 / 图 1 外加直流电场 3 0k V mm 下的场强分布 F i . 1 D i s t r i b u t i o no f e l e c t r i c f i e l d g / u n d e rD Cf i e l do f3 0k V mm 1. 1 直流 X L P E 电缆绝缘料开发 早在 2 日本开始研制5 0 0 4 年, 0 0k V 直流 [ 5] X L P E 电缆 。 在 X L P E 电缆绝缘料中引入极性基 团消除空间电荷 。9 在模型直流电缆上 0 ℃ 温度下 , / , 施加 场 强 3 加 压 时 间 分 别 为 0, 0k V mm 5, 使用电声脉冲法测 量 了 绝 缘 中 的 空 间 电 荷 21 6 0h, ) 分布 , 根据电 荷 分 布 求 出 了 其 场 强 分 布 ,为便于对比 , 在同样的条件下同时测量了模 ) 型交流 X  所 L P E 电缆绝缘中的场强分布 。 可见 , 在较长时间的直流高压作用下 , 直 , 流X 电缆绝缘料 中 的 电 场 分 布 均 匀 接 近 于 拉 L P E ( ) 普拉斯电场分布 。 交流 X b L P E 电缆绝 缘料中的电场分布随着时间的变化而逐渐变得不均 匀, 在靠近内半导屏蔽层处出现场强畸变 , 最大场强 超过平均场强的 2 倍 。 极 性 基 团 作 为 陷 阱 点 , 具有 吸引和捕获载流子源 ( 交 联 分 解 物 等) 的 能 力, 其捕 获载流子后 , 载流子不能在绝缘中迁移 , 使空间电荷 密度在绝缘中分布均匀 , 从而使得场强也均匀分布 。 需要说明 的 是 , 日本研发的用于5 0 0k V 直流 X L P E 电缆的绝缘料并未商品化 。 绝缘材料中的空 间电荷问题是直流 电 缆 面 临 的 最 主 要 的 问 题 之 一 ,

 

空间电荷测量技术 在绝缘试样的厚度方向上分布的空间电荷会影 响其上的电场分 布 。 在 平 行 板 结 构 中 , 无空间电荷 时电场分布是均匀 的 ; 而在有空间电荷存在的情况 下, 电场分布将 随 厚 度 的 变 化 而 变 化 。 若 不 计 正 负 , 号 电场的积分 总 是 等 于 外 加 电 压 。 空 间 电 荷 使 局 部电场增加而高 于 外 加 电 场 , 因 而 导 致 击 穿。 注 入 的同号电荷引起了电极附近的电场下降 , 而相应的 , 。 , 试样中部的电场 就 上 升 反 之 在 电 极 附 近 的 载 流 子积累若形成异号电荷 , 则引起此界面上电场增加 。 然而 , 更多的情况是异号电荷与同号电荷同时存在 , 这就更需要加以控制 。 空间电荷的测量具有双重的 意义 , 一方面 , 在实际的应用上有助于控制因空间电 荷而增强的局部电场 ; 在另一方面 , 从空间电荷的发 ] 6 。 在过 展演化中可以有助于理解电荷的传输机理 [ 去的 2 对电介质内空间电荷分布的研究和认 0 年中 , 识已取得了明显的进展 。 这归功于能获得空间及极 化电荷分布详细信 息 的 几 种 重 要 测 量 方 法 的 建 立 、 发展和完善 。 特别是以分 辨 率 为 1μ m 数量级的声 和热方法的应用 , 已大大地加深了对聚合物薄膜中 电荷的建立 、 积累 、 储 存 和 运 输 现 象 的 认 识 和 理 解。 目前 , 在直 流 X L P E 电 缆 中 的 空 间 电 荷 的 研 究 中, · 柔性直流输电核心设备的关键技术研究 · 杨黎明 , 等 柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计 , 压力 波 ( 法和电 r e s s u r ew a v ep r o a a t i o n PWP) p p g , 声脉冲 ( 法 是 最 有 效、 u l s e de l e c t r o a c o u s t i c P E A) p 常用的 2 种测量方法 。 [] 弹性波在介质中以声 PWP 法的基本原理是 7 : 速传播时 , 破坏了介 质 内 部 原 先 弹 性 力 和 电 荷 产 生 电场力的平衡 , 引起介质中的电荷发生微小位移 , 电 面, 以及各种极性基团 、 添加剂 、 抗氧化剂 、 交联剂和 杂质等 , 这些因素都会在电介质材料中引入局域态。 因此 , 构成电荷的化学陷阱 ( 深度可大于 1e V) 认识聚合物介质的陷阱能量分布对于更好地研究和 改善聚合物的绝缘性能具有重要的意义 。 T S D 法是研 究 电 介 质 宏 观 规 律 及 微 观 性 质 的 基本方法之一 。 其测量系统简单 、 操作方便 , 被广泛 地应用于电介 质 的 电 荷 陷 阱 研 究 。 分 析 T S D 电流 谱就能获 得 空 间 电 荷 的 陷 阱 参 数 ( 电 荷 密 度、 活化 能、 平均渡越时间 、 电 荷 捕 获 的 平 均 深 度、 尝试逃逸 的理论 。 然而 , 加热 过 程 不 仅 使 陷 阱 中 的 电 荷 受 到 1 2] , 热激发 , 同时 对 陷 阱 本 身 也 有 热 侵 蚀 作 用 [ 会引 起陷阱及中心环境 的 改 变 , 这必将导致陷阱参数的 变化 。 荷的微小 位 移 又 导致 介 质 电 极 上 感 应 电 荷 量 的 变 化, 因此在外电路上 可 观 测 到 电 流 或 电 压 信 号 的 变 化, 从而获得介质中空间电荷分布的有关信息 。 [] 在介质电极上加上一 P E A 法的基本原理是 7 : 声脉冲的压力剖面与空间电荷的分布有关 。 用声传 感器接收与测量这 些 声 脉 冲 , 就可以得到空间电荷 厚度为 0. 1~2mm。 而针对电缆的圆柱状且较厚的 绝缘试样的空间电 荷 测 量 报 道 很 少 , 这主要是由于 国内外较少有单位能自主研发电缆绝缘空间电荷测 量装置 ; 另外 , 作为 一 种 专 利 技 术 , 已成功开发此装 置的单位对此严 格 保 密 。 

 

总 体 来 说 , 电缆绝缘空间 电荷测量装置研制 需 注 意 两 点 : ①由于电缆绝缘厚 度较大 , 为了保证设备有足够的灵敏度和分辨率 , 脉 冲发生器的功率必须足够大 , 建议研制 5 毫微 0k V 区别于平板试样 , 圆柱状试样的空间电荷信号的数 学处理必须在极坐标下进行 。 秒脉冲发生器以用 于 激 励 空 间 电 荷 声 波 ; ②研制一 套半弧形电极 , 与圆柱形电缆绝缘界面捏合 。

 

 同时 , 空间电荷的陷阱能级 介质中的空间电荷行为主要取决于它的空间分 布与陷阱能级分布 。 前者的研究基本上用测量空间 , d i s c h a r e T S D)法 、等 温 放 电 法 、光 刺 激 放 电 g ( , h o t o s t i m u l a t e dd i s c h a r e P S D)法 等 进 行 研 p g 8 9] 。 一般说来 , 究[ 聚合物的电击穿是由于介质微观 结构的不完整性以及介质中引入的外来杂质所引起 的, 它们构成了引起介质老化的电荷积累的中 ] 1 0 , 心[ 即电荷的物理陷阱和化学 陷 阱 。 在 目 前 广 泛 应用的聚合物材料 中 , 由于材料中存在着链折叠和 个窄高压脉冲 , 则介 质 中 的 空 间 电 荷 和 电 极 界 面 都 受到这一脉冲电场 力 的 作 用 而 相 应 地 产 生 声 脉 冲 。 的分布信息 。 目前 , 空间电荷测量的试样大多数是平板试样 , 频率等 ) 的详细信息 。T S D 法被认为是假设陷阱深 度、 捕获截面等陷阱 参 数 与 温 度 无 关 的 前 提 下 建 立 P S D 法是 B r o d r i b b等人在2 0世纪7 0年代为 1 3] 。P 获取有 机 晶 体 陷 阱 深 度 的 信 息 提 出 来 的 [ S D 法是用能量可调的单能光子辐照试样使相应能量的 陷阱电荷脱阱 , 并通 过 测 量 脱 阱 电 荷 迁 移 所 形 成 的 外电路电 流 来 研 究 试 样 中 空 间 电 荷 的 陷 阱 能 量 分 布 。 由于实验设备 的 昂 贵 性 、 电介质内陷阱电荷的 光致排空并不彻底 等 问 题 , 在随后的一些年里使用 该技术研究介质中电荷陷阱的相关报道较少 。

 

 然而 与T 它有如下特点 : S D 法相比 ,

①在 P S D 实验过程 中, 试样可始终保持在任意设定的一个低温值 , 这样 材料由于陷 阱 结 构 的 提 前 破 坏 , T S D 法通常无法 得到试样的深陷阱信息 ; 而P 法能够准确地探测 S D [4] 。 近 年 来, 深度高达 6e V 的深陷阱 1 P S D 法逐渐 被接受并用于实验 研 究 中 , 一些有意义的结果被不 可以在保 持 材 料 结 构 或 陷 阱 构 造 原 貌 特 征 的 前 提 下, 准确地获取试样的陷阱信息 ;

 ② 对于熔点较低的 电荷 分 布 的 技 术 , 如前面提到的 P E A 法 与 PWP 法, 后者基本上以热刺激放电 ( t h e r m a l l t i m u l a t e d ys 断报道 。 ] 文献 [ 通过 P 1 5 1 7 S D 法研究了聚乙烯的陷阱 能量分布 。 他们在 常 规 的 连 续 扫 描 法 的 基 础 上 , 进 一步提出了分步扫 描 法 , 即通过等能量光照使得陷 阱电荷逐步地从浅 到 深 依 次 释 放 , 然后对记录的光 电流积分 即 可 得 到 各 陷 阱 能 量 区 间 的 空 间 电 荷 数 量 。 图 2 显示了聚乙烯各陷阱能带中的捕获电荷量 1 5] , 占总捕获电荷量的百分比 [ 这些陷 阱 能 带 的 中 心 , , 陷阱能级 分 别 为 4. 对 2 9 4. 6 0 4. 9 7, 5. 4 0, 5. 9 2e V, 弯曲 、 分子链同分异 构 体 转 换 构 成 的 缺 陷 等 分 子 间 。聚合物 的空隙 属 于 物 理 陷 阱 ( 约 为 0. 1~0. 5e V) 材料中还存在着分 子 结 构 的 缺 陷 , 分子结构型的无 , 、 、 序 分子 链 上 的 各 种 支 链 侧 链 端 基 、 断 链、 晶区与 纳米粒子 复 合 电 介 质 中 的 聚 合 物 与 纳 米 粒 子 的 界 无定型区的界面 , 还有近年来被广泛关注的聚合物/ 5. 9 2e V 和 4. 2 9e V 的深陷阱能带 ( 5. 6 5~6. 2 2e V) 的电荷量约占总电荷 量 的 5 仅很少量的电荷 7. 4% , ( 约为总 电 荷 量 的 5% ) 被捕获在中心深度分别为 应的 波 长 分 别 为 2 9 0, 2 7 0, 2 5 0, 2 3 0, 2 1 0n m。 中 心 深度为 4. 中捕获 9 7e V 的陷阱能带 ( 4. 7 8~5. 1 8e V) ( ) 2 0 1 3, 3 7 1 5 。 和浅陷阱能带 ( 4. 1 4~4. 4 4e V) 60 50 8*8F+!/% 4.97 eV 40 30 20 5.40 eV 10 5.92 eV 0 200 220 4.29 eV 240 260 "J/nm 280 300 4.60 eV 图 2 聚乙烯的陷阱能量分布 F i . 2 E n e r i s t r i b u t i o n i np o l e t h l e n e g g yd y y 1. 4 绝缘料空间电荷抑制技术 为改善直 流 电 缆 X L P E 绝缘中的空间电荷积 聚问题 , 各国科研工 作 者 对 空 间 电 荷 抑 制 技 术 进 行 了大量的探索 , 总体来说 , 可以分为接枝和添加纳米 填料两大类 。 这些工作都取得了一定的进展 。 如国 外化工企业通过在聚乙烯链上接枝一种极性共聚单 体, 有 效 地 抑 制 了 空 间 电 荷, 开发了直流电缆用 但其使用温度只有 X L P E 绝 缘 料 并 全 球 供 应, 7 0 ℃ 。 日本选择在 X L P E 绝缘料中添加纳米填料 。 

 

早在 1 9 9 8 年首次研制了 2 根 2 5 0k V 直流电缆 1 在国内 , 也有许多科研工作者进行了这方面的研究 , 其中有代表性的如下 。 ) 接 枝。 国 内 有 高 分 子 材 料 厂 用 马 来 酸 酐 接 1 枝, 成功地 抑 制 了 X 并批量生 L P E 中 的 空 间 电 荷, , 产高压直流电缆的 X L P E 料 工作温度为 7 0 ℃。 ) 添加 纳 米 填 料 。 文 献 [ 以质量百分比为 2 1 9] 0. 1 w t %, 0. 2 w t %, 0. 5 w t %, 1 w t % 的二氧化钛  二氧化硅 钛酸钡 三氧化 T i O S i O B a T i O 2 2 3) 得直流电缆在抑制空间电荷的同时 , 保证9 0 ℃ 的工 作温度 。 上述研究 表 明 , 某些纳米填料能较好地抑 , 制X 中 的 空 间 电 荷 但在添加纳米填料的同 L P E 时, 如何使得纳米 填 料 在 X L P E 中分散均匀是一个 技术难点 。 这是因 为 聚 乙 烯 属 于 非 极 性 分 子 , 而纳 米填料属于极性分子 , 这 2 种材料的相容性较差 , 这 样在 X L P E中添加纳米填料的过程中很难保证纳 米填料的分散均匀性 。 对纳米粒子表面改 性 , 可提高粒子与 X L P E的 相容性 , 并最终提 高 纳 米 填 料 在 X 中 的 分 散均 L P E 匀性 。 改性手段可以分为两类 。 ) 物理表面修饰 。 通过吸附 、 涂敷 、 包覆等物理 1 作用对微粒进行表面改性 , 利用紫外线 、 等离子射线 ] 等对粒子进行表面改性也属于物理修饰 。 文献 [ 2 1 2+ 2+ , , 通过 C 无机阳离子等活化 使 等纳米 a B a S i O 2 粒子表面由负电荷转变为正电荷 , 再吸附硬脂酸钠 、 十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠等阴离子表面 活性剂 , 制得了相应的有机化改性样品 。 ) 化学表面修饰 。 通过纳米微粒表面与处理剂 2 之间进行化学反应 , 改变纳米微粒表面结构和状态 , 达到表面 改 性 的 目 的 称 为 纳 米 微 粒 的 表 面 化 学 修 ] 饰 。 文献 [ 把S 在甲苯磺酸的催 2 2 i O 2 加入辛醇中 , 化下 , 把反应 物 置 于 微 波 炉 中 照 射 加 热 , 反 应 4h, 。 即可得到改性 S 样品 i O 2 最后 应 当 指 出 , 通过这2种改性手段获得的纳 米粒子是 否 均 匀 地 分 散 于 X L P E 中必须借助于实 验仪器的观察 , 如扫描电子显微镜 、 透射电子显微镜 等 。 另外 , 在改性过 程 中 引 入 的 一 些 杂 质 可 能 会 对 空间电荷 、 电导率造成一定的影响 , 这都有待于实验 验证 。 

 

 

柔直电缆设计 

 

 电场分布 电缆 绝 缘 层 中 的 电 场 分 布 , 交流电缆与直流电 缆有很大的不同 。 交流电缆中电场分布是与介电常 数ε 呈反比 分 布 , ε 与 温 度 无 关。 直 流 电 缆 中 电 场 分布是与体积电阻 率 呈 正 比 分 布 , 电阻率与温度和 电场有关 。 交 流 电 缆 中 几 乎 没 有 空 间 电 荷 累 积 效 应, 而直流 电 缆 中 有 明 显 的 空 间 电 荷 累 积 的 影 响 。 运行中的直流电缆 , 受到雷电冲击电压 、 操作冲击电、 。 , 压时 电场分布受ε 影响 这样 直流电缆绝缘层中 电场分布比交流电缆复杂得多 。 假定 电 缆 绝 缘 发 热 已 经 稳 定 , 绝缘中损耗忽略 不计 , 不考虑空间 电 荷 的 影 响 , 那 么, 距离电缆导体 轴线r 处的电场强度 E 为 : 1 β U r β E= β β R -r c 铝( 和氧化镁( 等5种纳米粒子在 A l M O) g 2O 3) 中, 1 5 0 ℃ 下的混炼机上混入低密度聚乙烯 ( L D P E) 热压成 1 mm 厚度 的 薄 板 试 样 , 试样外贴半导体电 / 极, 在4 0 ℃ 下外施 D C 电场4 0k V mm 至电荷分布 稳定 , 用 PWP 法 测 量 了 试 样 中 空 间 电 荷 分 布 。 研 究发现 , 当质量百 分 比 不 小 于 0. 2 w t % 时, A l 2O 3 和 M O 纳米 粒 子 具 有 显 著 的 抑 制 空 间 电 荷 的 作 用 。 g ] 另外 , 文献 [ 以纳米 M 研究了不同含 2 0 O 为 填 料, g 量下聚乙 烯 试 样 中 空 间 电 荷 分 布 和 电 导 与 电 场 強 度、 温度的关系 , 最后确定当 M 试 O 含量为 1% 时 , g 样不再存在空间电荷 。 在电力行业中 , 交流电缆中的 X L P E 工作温度 为9 通过接枝方法改性的 0 ℃。但 在 直 流 电 缆 中, 的工作温度均只有 这就较大地降低了 X L P E 7 0 ℃, 电缆的载流能力 。 通过添加纳米填料的方法可能使 、

 

 柔性直流输电核心设备的关键技术研究 · 杨黎明 , 等 柔性直流电缆绝缘料及电缆结构设计 δ 1 U δ r ( ) E= δ 3 δ R -r c γ +β ( ) δ= 4 γ +1 / 式中 : 当 E =5. γ 为系数 , 2 5~2 1. 0k V mm 时 , γ为 2. 1~2. 4。 ) ) ) 式( 与式 ( 的形式完全一致 , 式( 中的β 相 1 3 1 ) 当于式 ( 中 的 δ。 从 式 ( 可 以 看 出, 直流电缆绝 3 3) 缘层中电场分布与 电 缆 绝 缘 结 构 尺 寸 、 承受电压大 小和导体负载电流大小有关 。 当直流电缆导体电流为零 , 即空载时 , 最大电场 强度在导体屏蔽 外 表 面 上 。 当 负 载 电 流 增 加 时 , 导 体屏蔽表面场强减 小 , 绝缘层外表面电场强度将增 , 大 它会超过导体屏蔽上场强 。 单纯的暂态电压 ( 包括雷电冲击电压 、 操作冲击 电压 、 极性转换瞬态 电 压 ) 作 用 在 直 流 电 缆 绝 缘 上, 其电场分布与交流电缆一样 , 按ε 呈反比分布 。 运行中的直流电缆系统本身一直承载直流工作 电压 , 暂态电压来 袭 时 , 会 叠 加 在 直 流 电 压 上, 直流 电压叠加冲击电压 , 其绝缘中电场分布既不同于交 流电缆 , 又不同于直流电缆 , 而是两者的综合 。 直流 电 压 叠 加 同 极 性 冲 击 电 压 时 , 叠加瞬间的 电场 Es 为 : α( θ θ cs) ( ) 2 β= R l n r c ; 式中 : 为 绝 缘 层 承 受 的 电 压 U r c 为导体屏蔽层外 表面的半径 ; R 为绝缘层外表面的半径 ; α 为绝缘电 阻温度系数 , 聚乙烯和 X 的 L P E α=0. 1 5 ℃ -1 ; θ c 为 导体屏蔽外表面温度 。

 

 

 



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