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高压直流电缆用XLPE的直流击穿机理的实验研究

苏鹏飞  
【摘要】:直流电缆是直流输电中的重要装备,其绝缘可靠性是决定高压输电网能否安全运行的关键因素。交联聚乙烯(Cross-linked polyethylene,XLPE)因其具有的优良性能,被用作高压直流电缆的主要绝缘材料之一。众所周知,绝缘材料的击穿场强与厚度之间存在反幂衰减的关系,通过对不同厚度的XLPE片状样品的直流击穿强度确定电缆在设计电压下的绝缘厚度是工程中常用绝缘场强设计方法。然而传统的直流击穿试验方法中,对于厚度超过1 mm的试样,受沿面闪络的影响而无法获得真实的击穿场强数据,因此传统的采用片状样品置于绝缘媒质中的击穿试验方法具有很大的局限性。本文设计了一种电极包埋全挤塑型试样,基于有限元法对于其无沿面闪络特性进行了验证。对厚度为数百μm至数mm的全挤塑型XLPE-A和XLPE-B试样进行不同温度下的直流击穿试验,同时与传统的直流击穿实验进行了对比。研究表明,采用全挤塑型样品,在常温下厚度范围最大可测至1.5 mm,高温(70℃)下最大可测至2.5 mm,大幅度提高了直流击穿实验的测试厚度范围,弥补了传统直流击穿方法的厚度局限性问题。片状和全挤塑型XLPE试样的击穿场强均随着厚度的增加而减小。采用反幂函数对击穿场强与厚度的关系进行拟合,获得如下结论:在相同厚度下,A和B两种样品的全挤塑型试样的特征击穿场强明显高于片状试样;高温下全挤塑型试样的击穿场强与厚度仍遵循反幂规律,但击穿场强相较于常温时显著降低,说明温度的提高减缓了击穿场强的厚度效应。利用拟合结果的外推,可以更准确地实现对于实际电缆工作条件下的绝缘击穿场强真实值的预估。为了验证全挤塑样品在击穿试验中厚度达到2 mm及以上时,击穿场强趋于平稳的实验现象,论文研究不同绝缘厚度的模型电缆的直流击穿场强,设计了不同的终端处理方案。通过实验发现,在外屏蔽层和绝缘层的断面处安装简易应力锥,同时配合水和变压器油媒质能够最大程度提高模型电缆的击穿试验电压。从不同厚度的模型电缆的击穿试验发现,所有电缆击穿位置仍均位于断面附近,并且不同绝缘厚度模型电缆本体在70℃条件下击穿场强均高于70 k V/mm并且没有显著差别,说明在此厚度范围内击穿场强已经趋于平稳阶段,厚度依赖性并不明显,验证了全挤塑型样品击穿试验结果的正确性。为了研究直流击穿中空间电荷对击穿场强的影响,采用匀速升压方式,测量了试样从施压开始直至穿过程中的空间电荷分布。研究表明高电场下以阳极注入正电荷为主,在试样击穿瞬间内部完全为正极性电荷且电荷量激增。在阶梯升压方式下,当电场在90 k V/mm以上时,加压时间的增长将导致平均体电荷密度和场强畸变的增大。为此采用反幂函数描述最大电场畸变与试样厚度的关系,结果表明最大电场畸变、击穿场强均和厚度存在着相似的反幂变化规律,从空间电荷的二次效应上对于击穿场强的厚度效应进行了解释。论文在mm级绝缘厚度范围对XLPE的击穿场强试验方法进行实验研究,并且探讨直流击穿过程中空间电荷效应对击穿场强的影响机理,为高压直流电缆及类似装备的绝缘结构设计提供准确的击穿参数。


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