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關(guān)于HVDC電纜絕緣中的空間電荷問(wèn)題,有限元分析方法用于模擬絕緣材料的非線性特性對(duì)極化動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響。壓直流電纜絕緣中非線性導(dǎo)電性引起的空間電荷去極化。過(guò)修改電導(dǎo)的激活能和對(duì)電場(chǎng)的依賴系數(shù),可以獲得在極化和去極化過(guò)程中空間電荷密度隨時(shí)間變化的變化。析結(jié)果表明,降低電導(dǎo)的激活能或增加對(duì)電場(chǎng)的依賴系數(shù)可以減少電纜絕緣中非線性電導(dǎo)率產(chǎn)生的空間電荷。HVDC并消除極化和去極化過(guò)程中空間電荷的“過(guò)載”和“反轉(zhuǎn)”。性過(guò)沖現(xiàn)象將極化和去極化過(guò)程加速到穩(wěn)定狀態(tài),同時(shí)增加電介質(zhì)中的電流密度。線性電導(dǎo);高壓直流電纜;空間費(fèi)用;極化;動(dòng)態(tài)過(guò)程中圖分類號(hào):TM 854文檔編號(hào):A產(chǎn)品號(hào):1007-449X(2019)07-0027-11摘要:研究空間電荷問(wèn)題模式和極化中的非線性負(fù)載性能表明,電導(dǎo)率的激活能量的減小或場(chǎng)依賴系數(shù)的增加減少了空間電荷的量和極化和去極化期間的“過(guò)沖”。均由非線性電導(dǎo)率和極化和去極化誘導(dǎo),更快地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。價(jià)格上漲總電纜絕緣。鍵詞:非線性電導(dǎo)率,高壓直流電纜,空間電荷,極化,動(dòng)態(tài)過(guò)程引言直流輸電技術(shù)比傳輸技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)高容量,高壓和長(zhǎng)距離傳輸中的交流電[1-2]。為直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,高壓聚合物絕緣(HVDC)高壓電纜,如交聯(lián)聚乙烯(XLPE)高壓直流電纜,已被廣泛使用[3]。
HVDC XLPE電纜中的空間電荷問(wèn)題受到了很多關(guān)注[4-6]。據(jù)空間電荷源[7],它可以分為兩類:一類是在強(qiáng)電場(chǎng)下根據(jù)絕緣材料的微觀特征產(chǎn)生的(例如介質(zhì)中雜質(zhì)的熱電離)絕緣,極性分子極化,電極)由于注入和陷阱等因素造成的空間電荷,由空間宏觀介電參數(shù)引起的慢極化引起的其他類型的空間電荷,其產(chǎn)生絕緣材料的非線性特性,結(jié)構(gòu)參數(shù),溫度梯度與施加電壓等各種因素有關(guān)。于第一種類型的空間電荷,許多國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了廣泛的研究[8-13]。于第二類空間電荷,現(xiàn)有的空間電荷測(cè)試技術(shù)不區(qū)分兩者[14-16],第二類空間電荷具有相對(duì)較低的值[17-]。18],經(jīng)常被忽略,因此對(duì)它的研究相對(duì)較少。而,后者可以存在于任何場(chǎng)級(jí),這也影響在操作期間HVDC電纜的絕緣中的電場(chǎng)分布。證據(jù)表明,絕緣材料的非線性特性對(duì)空間電荷極化動(dòng)態(tài)過(guò)程和HVDC電纜去極化的影響對(duì)于新絕緣材料的開發(fā)至關(guān)重要。文采用Comsol Multiphysics多物理耦合軟件模擬不同非線性電導(dǎo)特性對(duì)HVDC電纜絕緣中空間電荷極化和去極化動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響。真模型建立模型為了研究介質(zhì)電導(dǎo)的非線性特性對(duì)空間電荷極化動(dòng)力學(xué)和電纜HVDC絕緣中的消偏振的影響,參考典型結(jié)構(gòu)320 kV,500 MW直流電纜[19],簡(jiǎn)化了。
立了HVDC電纜的仿真模型,如圖1所示:模型的內(nèi)部電極半徑為26 mm,絕緣支撐的厚度為24 mm,外部電極的半徑52毫米材料特性,邊界條件和加載方法材料特性模型各部分的材料特性如表1所示。度場(chǎng)的確定將導(dǎo)致電纜絕緣層的溫度梯度在實(shí)際的HVDC電纜操作中加熱導(dǎo)體芯。了使模擬條件更接近實(shí)際情況,模型中的溫度邊界條件定義如表2所示。中:Rin Rout分別是內(nèi)電極和外電極的半徑; r是絕緣介質(zhì)中任何點(diǎn)的半徑。該文章中,ΔT= 30K,絕緣介質(zhì)中相應(yīng)溫度的分布曲線示于圖3中。1.通過(guò)將外電極接地來(lái)確定電場(chǎng)的邊界條件,并且通過(guò)由以下等式確定的激勵(lì)電壓施加內(nèi)電極。值分辨率方法使用COMSOL Multiphysics軟件中的瞬態(tài)解算器,有限元軟件來(lái)求解模型,主要是用數(shù)值求解泊松方程。數(shù)字解決方案過(guò)程中,空間網(wǎng)格單元的大小和時(shí)間步長(zhǎng)是影響解決方案準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。在計(jì)算區(qū)域上執(zhí)行三角測(cè)量時(shí),劃分單元的最大尺寸設(shè)置為0.2mm。于極化和去極化達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程,計(jì)算時(shí)間為1,400,000,其中前400,000是極化過(guò)程,最后1,000,000是去極化過(guò)程。了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性并減少計(jì)算時(shí)間,計(jì)算步驟由時(shí)間的劃分來(lái)定義。體參數(shù)如表3所示。間電荷的計(jì)算COMSOL Multiphysics的有限元軟件可以直接提供空間電荷密度ρ的時(shí)空分布,但由于模型誤差(由極限網(wǎng)格的細(xì)度決定),電極極限處電荷密度ρ的分布明顯不符合物理事實(shí)。此,根據(jù)電位移D的全球時(shí)空分布,通過(guò)線性插值和電荷密度的時(shí)空分布來(lái)計(jì)算受模型誤差影響的電極附近的電位移D.然后計(jì)算空間ρ。體關(guān)系是空間電荷極化設(shè)定過(guò)程。導(dǎo)激活能對(duì)空間電荷極化過(guò)程的影響電導(dǎo)率方程(1)的各種參數(shù)在文獻(xiàn)[20]中給出:A = 3.2788 1 V / (Ω·m2),B = 2.77×10-7 m / V.在ΔT= 30 K和U0 = 300 kV的條件下,只有電導(dǎo)的活化能φe變?yōu)?.5,分別為0.52,0.54,0.56,0.58和0.6eV,因此在不同的電導(dǎo)率激活能量下模擬介電常數(shù)。此過(guò)程中電場(chǎng)密度和空間電荷的空間和時(shí)間分布,典型結(jié)果如圖3和圖4所示。相似的溫度和場(chǎng)條件下,電荷密度值空間與文獻(xiàn)[21-22]中測(cè)量的空間大小相同。3和圖4示出了由于在極化過(guò)程期間存在溫度梯度,電場(chǎng)在穩(wěn)態(tài)下反轉(zhuǎn)(電纜絕緣中的電場(chǎng)具有低且高的內(nèi)部外部分布。久模式)和空間電荷隨時(shí)間而變化。淀現(xiàn)象,即空間電荷密度首先隨極化時(shí)間增加,然后減小,變成趨于穩(wěn)定狀態(tài)值的非單調(diào)現(xiàn)象。
化過(guò)程中空間電荷的產(chǎn)生是空間中介電常數(shù)梯度分布的結(jié)果。同位置的電荷密度隨時(shí)間變化的變化由下式確定[ 20]:空間電荷的動(dòng)態(tài)行為在很大程度上取決于弛豫時(shí)間的時(shí)空。布圖5顯示了根據(jù)計(jì)算的弛豫時(shí)間τ(t,r)的典型時(shí)空分布。圖5中可以看出,介質(zhì)的動(dòng)態(tài)弛豫時(shí)間在徑向的任何時(shí)刻都具有低和高的內(nèi)部外部分布;施加電壓的初始動(dòng)態(tài)弛豫時(shí)間的空間分布梯度大于靜止?fàn)顟B(tài)下動(dòng)態(tài)弛豫的動(dòng)態(tài)時(shí)間空間分布梯度。正極性電壓施加到內(nèi)部電極時(shí),帶正電的載流子從內(nèi)部電極遷移到外部電極。內(nèi)部導(dǎo)體的弛豫時(shí)間小于內(nèi)部電極的弛豫時(shí)間時(shí) Δr,r處的電荷轉(zhuǎn)移率大于r Δr。荷轉(zhuǎn)移率,從而形成正空間電荷累積,而正電荷累積又降低r處的電場(chǎng),并且電導(dǎo)率降低,載流子遷移率降低這是一個(gè)負(fù)反饋過(guò)程,所以最終達(dá)到平衡狀態(tài)。間電荷密度“溢出”行為的整體表現(xiàn)[24]。同電導(dǎo)激活能量下相應(yīng)絕緣介質(zhì)中穩(wěn)定空間電荷密度的平均值如圖4所示。
圖6中可知,隨著電導(dǎo)的激活能量增加,絕緣介質(zhì)中靜止?fàn)顟B(tài)下的空間電荷累積量線性增加。了清楚地反映不同電導(dǎo)激活能量對(duì)電介質(zhì)中空間電荷極化過(guò)程的影響,在絕緣介質(zhì)水平上提取空間電荷密度r = 26.2 ,38,49.8毫米,空間電荷密度隨時(shí)間變化。圖7和7所示,圖6和圖7顯示激活能量越高,“空間電荷”溢出現(xiàn)象越慢,“峰值”峰值越大?!耙绯觥焙苤匾?,穩(wěn)定的空間電荷密度越重要。自跳躍電導(dǎo)模型的電導(dǎo)率公式(1)的活化能φe直接影響μ載流子的遷移率[25]。相同的激發(fā)條件下,活化能越高,遷移率和外界越低。發(fā)響應(yīng)越慢,空間電荷“溢出負(fù)載”越慢,激活能越大,電導(dǎo)率受溫度影響越大,電導(dǎo)率梯度越高。相同的溫度梯度下形成。過(guò)等式(5)獲得的極化空間電荷的大和平衡值:從等式(7),穩(wěn)態(tài)下的空間電荷密度與時(shí)間梯度成比例放松,電導(dǎo)率梯度越高,弛豫時(shí)間梯度越重要。
此,活化能越高,電介質(zhì)中的空間電荷密度越高。極化過(guò)程中提取絕緣介質(zhì)的每單位長(zhǎng)度的吸收電流(總極化電流減去導(dǎo)電電流),并獲得作為時(shí)間和半衰期(所需時(shí)間)的函數(shù)的吸收電流曲線這樣吸收電流減小了初始值的一半,如圖4所示。8.顯示。前的半衰期可以反映極化過(guò)程(去極化)達(dá)到平衡的速率。在圖7中可以看到的,激活能量增加,吸收電流減小并且極化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間增加。也是由于以下事實(shí):電導(dǎo)的活化能增加以降低佩戴者的移動(dòng)性,在相同外部條件下的導(dǎo)電性降低,電流密度降低并且佩戴者的移動(dòng)性是也減少了,所以極化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間增加了。ΔT= 30 K,U0 = 300 kV,A = 3,278的前提下,電場(chǎng)依賴系數(shù)對(duì)空間電荷極化過(guò)程的影響由電場(chǎng)依賴系數(shù)B修正。1 V /(Ω·m2),e = 0.56 eV。擬在以下條件下進(jìn)行:1.27×10-7,1.77×10-7,2.27×10-7,2.77×10-7,3.27×10-7和3.77×10-7(單位:m / V)。獲得不同的電場(chǎng)依賴系數(shù)時(shí),獲得電場(chǎng)的空間和時(shí)間分布以及相應(yīng)絕緣介質(zhì)中的空間電荷密度(典型結(jié)果顯示在圖9和10中)。較圖9與圖3,圖10和圖4,可以看出,電場(chǎng)依賴系數(shù)B的增加緩和了由溫度梯度引起的電場(chǎng)反轉(zhuǎn)程度。緣介質(zhì)并降低絕緣中的總空間電荷密度??梢酝ㄟ^(guò)圖2的穩(wěn)態(tài)平均空間電荷密度和電場(chǎng)依賴系數(shù)之間的關(guān)系更清楚地反映出來(lái)。12是當(dāng)空間電荷密度在r = 26.2mm,r = 38mm和r = 49時(shí)被提取時(shí)空間電荷密度與時(shí)間的關(guān)系圖, 8毫米。圖12中可以看出,電場(chǎng)依賴系數(shù)的增加抑制了空間電荷的“溢出”行為,減少了絕緣介質(zhì)中的總空間電荷累積并減少了極化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間。依賴系數(shù)的電場(chǎng)的增加有助于電場(chǎng)在絕緣介質(zhì)[26-27]的均勻分布,從而在絕緣介質(zhì)中的電場(chǎng)模式的斜率在徑向方向上,這允許減小緩和空間電荷密度的動(dòng)態(tài)變化。
13是表示在不同的電場(chǎng)依賴性系數(shù)下,
礦用電纜 絕緣介質(zhì)中吸收電流隨時(shí)間的變化及其半衰期的曲線圖。圖13中可以看出,電場(chǎng)依賴系數(shù)越大,相應(yīng)的偏置電流越大,并且極化達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間越短。際上,當(dāng)對(duì)電場(chǎng)的依賴系數(shù)增加時(shí),對(duì)應(yīng)于絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)率在相同的外部條件下增加[26-27]。間電荷去極化耗散過(guò)程電導(dǎo)激活能量對(duì)空間電荷去極化過(guò)程的影響將腳趾電導(dǎo)的激活能量改變?yōu)?,分別為5,0.52,0.54,0.56,0.58和0.6eV,其他條件與極化過(guò)程相同。不同的電導(dǎo)激活能量下,在絕緣介質(zhì)的去極化過(guò)程中獲得電場(chǎng)的時(shí)空分布和空間電荷密度(圖14和15中所示的典型結(jié)果)。
去極化過(guò)程中,發(fā)生空間電荷現(xiàn)象“反極性超限”,即內(nèi)部電極附近的空間電荷不隨時(shí)間單調(diào)減小到零,但反極性的峰值出現(xiàn)然后降低到零。極化過(guò)程的“反極性??超限”回應(yīng)極化過(guò)程的“溢出”,并且“反極性超限”總是由動(dòng)態(tài)弛豫時(shí)間的時(shí)空分布決定。于去極化過(guò)程中電極附近的反向電場(chǎng),發(fā)生“反極性超限”。16顯示了不同激活能量對(duì)不同位置的空間電荷去極化動(dòng)態(tài)特性的影響。圖中可以看出,在去極化過(guò)程中,電導(dǎo)率的激活能對(duì)空間電荷中“反極性超限”現(xiàn)象的影響與極化過(guò)程相容;也就是說(shuō),激活能越高,空間電荷現(xiàn)象就越反轉(zhuǎn)。速越大,“反極性超限”的峰值越大。極化電流密度曲線與時(shí)間的關(guān)系以及去極化電流半衰期和激活能量也可從圖17中得知。間電荷的去極化過(guò)程的激活與極化過(guò)程的激活相同。場(chǎng)依賴系數(shù)對(duì)空間電荷去極化過(guò)程的影響改變了電場(chǎng)B的依賴系數(shù),即1.27×10-7,1.77×10-7 ,分別為2.27×10-7,2.77×10-7,3.27×10-。
圖7和3.77×10-7(單位:m / V)中,其他條件對(duì)應(yīng)于相同的極化過(guò)程。這些條件下,模擬顯示電場(chǎng)密度和空間電荷的典型的時(shí)空分布在圖4中示出。照?qǐng)D18和圖18。圖顯示了20個(gè)不同的電場(chǎng)依賴系數(shù)對(duì)不同位置的空間電荷去極化的動(dòng)態(tài)特性的影響。圖20中可以看出,改變電場(chǎng)依賴系數(shù)對(duì)空間電荷的“反極性??超限”現(xiàn)象的影響與極化過(guò)程兼容,即,也就是說(shuō),電場(chǎng)依賴系數(shù)的增加抑制了空間電荷的“反極性??超限”行為,并且縮短了去極化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間。圖21中不同電場(chǎng)依賴系數(shù)的去極化電流及其半衰期曲線可以看出,電場(chǎng)依賴系數(shù)對(duì)電場(chǎng)的極化和去極化具有相同的影響。間費(fèi)用。論利用COMSOL軟件模擬給定結(jié)構(gòu)下HVDC電纜中電纜絕緣空間電荷的極化和消極化動(dòng)力學(xué),應(yīng)用激勵(lì)形狀和絕緣溫度梯度,得出以下結(jié)論:降低絕緣材料電導(dǎo)率的激活能量可以減少極化期間介質(zhì)介質(zhì)中非線性電導(dǎo)引起的空間電荷累積,并抑制其行為在極化和去極化期間超過(guò)“和”反轉(zhuǎn)空間電荷的極性“。少去極化達(dá)到平衡所需的時(shí)間;)增加電場(chǎng)依賴系數(shù)也可以減少空間電荷累積并抑制“溢出”和“反極性” “在空間電荷的極化和去極化過(guò)程中?!按蚩住?,縮短極化和去極化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間??嘉墨I(xiàn):[1]在中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32中國(guó)[J]論文集直流電網(wǎng)(13)的應(yīng)用前景的文佳良吳瑞鵬昌等人分析:7.WEN佳良武瑞,在中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32中國(guó)分析[J]論文集彭長(zhǎng)DC網(wǎng)絡(luò)前景(13):7。2]張煒,茶君威汪司朕和其他材料的發(fā)展直流高壓絕緣透視[J]。緣材料,2016,49(2):1。沖,朱俊偉,王思嬌等,高壓直流電纜絕緣子的發(fā)展與展望[J]。緣子,2016,49(2):1。3]何金良,黨斌,周偉等,高壓擠壓直流電纜的研究進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)[J]。電壓技術(shù),2015年,41(5):1417 SE金良,黨斌,周堯和研究,并在高壓直流輸電[J]擠壓電纜關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展等研究。壓工程,2015,41(5):1417。4]吳浩,陳浩,王霞及其同事,梯度下電纜絕緣空間電荷特性研究現(xiàn)狀溫度[J]。緣材料,2012,
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