直流系統高分子材料電纜中電場的分析

陳興宇

(臨淮崗洪水控制工程管理局，安徽 霍邱　237484)

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直流系統高分子材料電纜中電場的分析

陳興宇

(臨淮崗洪水控制工程管理局，安徽 霍邱237484)

文章考慮到電場強度對絕緣材料電導率的影響，利用Matlab軟件對直流電纜中電荷的分布進行精確的分析。

空間電荷；電導率；電場強度；直流電纜

0　引　　言

世界各地大多數使用的HVDC裝置采用傳統的油浸紙絕緣電纜以及充油型電纜。高分子材料(如交聯聚乙烯)長期以來一直是首選的絕緣材料,目前,交聯聚乙烯(XLPE)絕緣材料已經在高壓交流電(HVAC)在地下輸電和配電的傳輸中得到了廣泛的應用。

直流條件下,在高分子材料中的空間電荷問題引起了很多相關專家的重視。然而,電纜中空間電荷對電場分布的影響的研究到現在為止,幾乎沒有考慮電場對電導率的影響。這將導致電場分布分析的一些錯誤,因為直流條件下電場是由電導率決定的。

在高分子材料中的空間電荷分布使用PEA技術測定,使用matlab軟件進行仿真,獲得的結果為相關工作人員的工作提供了底層理論。

1　直流電導率

直流情況下,溫度和電場對電導率影響很大。在電解質中電導率的描述如式 (1)

(1)

其中,A、B均為常數；φ為熱激活能量；q為基本電荷；T為單位為K的溫度,E為電場;k為玻爾茲曼常數。

在沒有空間電荷的電纜中,利用式(1)在matlab中進行計算電場的分布。經驗證,常數A和B以及熱激活能量因材料和條件的不同而不同。

(2)

很多學者已根據式(2)和式(3)證明了不同XLPE電纜中參數的分類及區分它們“好”與“壞”。

2　仿真結果及分析

本仿真中,考慮到空間電荷場與電導率的影響,分別用“好”與“壞”的材料的參數作為式(2)和式(3)的狀態來獲得精確的電場分布。步驟如下:① 通過空間利用泊松公式電荷計算電場;② 根據電導率方程計算得到的電場來決定外加電壓產生的電場。③ 2種電場相加得到總電場。運用分類中“好”的參數,同時考慮溫度梯度的電場依賴性等方面對80kV條件下的電纜進行仿真。

當忽略空間電荷的時候,電導率從電極的內部到外部幾乎呈線性減少。當考慮空間電荷場的時候,圖1(a)清晰的顯示了空間電荷的積累。電壓波形在電纜表面附近偏向于非線性。如圖1(b)中所示,最大電導率發生在表面的外側。由于外加了電壓,電場分布發生了很大的變化,如圖1(c)所示,最小值發生在外部接口,最大值34 kV/mm發生在外部端口與樣本中心之間的部分。

圖1　考慮電場對電導率影響時的仿真結果(Touter=295K,Tinner=295K)

材料中總電場分布的計算結果如圖3所示,當電纜中的導體被加熱的時候,最大應力發生在相鄰電纜的外側區域,隨著溫度梯度的增加,內部區域的應力減少的更多,電纜的應力增加的更多。

如圖2所示,在仿真中設定時間為20h,將好與壞的參數計算出來的電場進行比較,仿真結果表明,不考慮溫度梯度時,結果沒有明顯的區別,這也許與電導率的最終值相關,“好”、“壞”材料的導電率分布是由空間電荷場決定。盡管如此,當考慮溫度梯度時,好與壞的介電參數產生的結果明顯不同,圖中也表明了這點。

圖2　“好”參數的總電場的分布(Touter=295K)

3　結　　論

本文使用PEA技術測量了在交流80kV條件下工作20h后電纜的空間電荷。同時,利用Matlab軟件對電場分布進行計算分析,結果表明,當電纜中的導體被加熱的時候,最小應力在相鄰電纜屏外部端口發生,應力值隨著電介質材料溫度下降值的增加而增加。此外,本文也比較了考慮溫度梯度時分別利用“好”與“壞”的介電參數仿真,結果表明采用“好”的參數時,應力沒有明顯變化,而采用“壞”參數時,應力變化明顯。

[1]B.M.Weedy and D.Chu.HVDC extruded cables-Parameters for determination of stresses[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems.1984,(3):662-667.

[2]高良玉,王慧峰,郭文元,等.反應動力學參數在交聯聚乙烯電纜料研究中的應用[J].電工技術學報,1994，(8)：55-58.

[3]Steven Boggs,Dwight H.Damon,Jesper Hjerrild,JJoachim T.Holboll and Mogens Henriksen.Effect of Insulation Properties on the Field Grading of Solid Dielectric DC Cable[J].IEEE Transactions on POWER DELIVERY.2001,(4):456-461.

[4]M.Fu and G.Chen.Space charge measurement in polymer insulated power cables using flat ground electrode PEA system[J].IEE Proc-Science,Measurement&Technology，2003,(2):89-96.

[5]M.Fu,G.Chen,L.A.Dissado and J.C.Fothergill.Influence of Thermal Treatment and Residues on Space Charge Accumulation in XLPE for DC Power Cable Application[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2007，(1):53-63.

(責任編輯陳化鋼)

Analysis on the electric field in the DC polymeric power cable

CHEN Xing-yu

(LinHuaiGang administration of flood control engineering,Huoqiu 237484 China)

Considering the influence of the electric field strength on the electrical conductivity of the insulating material,analyzes the charge distribution of cable DC by the use of matlab software.

space charge,conductivity,electric field,DC power cable.

2016-03-31；

2016-04-06

陳興宇(1995-)，男，安徽太和人，助理工程師，從事水利水電工程管理工作。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.03.026

TM712

A

1671-6221(2016)03-0079-03