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高压直流电缆绝缘老化对空间电荷特性的影响及其电树枝特性研究

刘贺晨  
【摘要】:随着直流输电技术的不断发展,高压直流电缆的应用也越来越广泛,我国已建成并投运数条高压直流交联聚乙烯电缆输电线路。直流电缆绝缘材料老化会对电缆内部空间电荷分布特性造成影响,威胁直流电缆安全运行。同时,随着直流电缆运行电压的不断提高以及电网谐波问题的不断突出,直流电压以及直流叠加谐波电压下的电树枝问题已不容忽视。研究了160k V直流电缆绝缘材料在热老化、电老化和电热老化情况下的老化特性及其对空间电荷特性的影响,研究了直流电树枝以及直流叠加工频、高频电压下电树枝的引发和生长特性,主要研究成果如下:对160k V直流电缆绝缘切片进行了热老化、电老化和电热老化试验研究,并利用电声脉冲法测试了老化前后试样20k V/mm下的空间电荷分布特性,分析了老化对试样平均空间电荷密度、陷阱特性等参数的影响。研究表明热老化前期试样会由于脱气及后交联反应导致其陷阱深度和密度有所降低,内部空间电荷密度减小。高温热老化会严重破坏试样内部分子结构,导致其陷阱深度和密度均大大增加,空间电荷密度也远大于未老化试样;直流电老化对试样空间电荷分布特性的影响较小;电热老化试样的老化程度比电老化和热老化试样严重的多,出现了较严重的空间电荷注入和迁移现象,陷阱密度和深度均有较大增加。测试分析了老化前后试样的傅里叶红外光谱和差示扫描热特性,分析了老化对直流电缆材料理化特性的影响。90℃热老化前期,试样的结晶度随老化时间的增加不断增大,表明试样在90℃时发生了后交联反应,在此期间试样的红外光谱特性未发生明显变化;高温热老化试样的结晶度大大降低,红外光谱出现了明显的羰基吸收峰;电老化和电热老化试样的红外光谱特性均未发生明显变化;电老化试样结晶度变化不明显,而电热老化试样结晶度随老化时间的增大迅速减小。研究了老化对直流电缆材料直流耐压特性的影响,90℃热老化前期试样的直流击穿场强有所增大,而老化后期直流耐压能力开始下降;135℃热老化试样的直流击穿场强大大降低;电热老化试样的直流击穿场强随着老化时间的增加降低较多,而电老化试样的直流耐压特性变化不大。研究了直流接地电树枝引发及生长特性,并结合空间电荷理论进行了分析。直流预压时间对直流接地电树枝的引发率影响较小,但其具有明显的极性效应,负极性直流接地电树枝的引发电压远低于正极性;同时,负极性下的电树枝平均引发长度大于正极性。重复直流接地电树枝情况下,刚开始负极性直流接地电树枝比正极性生长的快,之后随着负极性下电树枝的分枝增多,生长速度减慢,并被正极性接地电树枝超越。直流电压下电树枝生长速度非常缓慢,电树枝生长集中在升压过程以及加压之后的一段时间内;正极性直流电树枝的生长速度明显快于负极性直流电树枝。研究结果表明空间电荷注入和积累特性对直流电树枝的引发和生长特性具有显著影响。搭建了一套由直流电源和交流电源组成的电树枝试验系统,研究了直流叠加交流电压(50Hz,1k Hz,2k Hz)下的电树枝的引发和生长特性。复合电压下电树枝的引发特性主要受到交流分量的影响,交流分量导致电树枝的引发电压大大降低,并极大的促进了电树枝的生长速度。电树枝生长速度随正极性偏置电压的增大而迅速增大,而在负极性偏置电压下直流偏置电压对电树枝生长速度影响并不明显;随着复合电压中交流分量频率的增加,电树枝的分枝增多,生长速度减慢。


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