關(guān)于HVDC電纜絕緣中的空間電荷問題，有限元分析方法用于模擬絕緣材料的非線性特性對極化動態(tài)過程的影響。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。過修改電導(dǎo)的激活能和對電場的依賴系數(shù)，可以獲得在極化和去極化過程中空間電荷密度隨時間變化的變化。析結(jié)果表明，降低電導(dǎo)的激活能或增加對電場的依賴系數(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程中空間電荷的“過載”和“反轉(zhuǎn)”。性過沖現(xiàn)象將極化和去極化過程加速到穩(wěn)定狀態(tài)，同時增加電介質(zhì)中的電流密度。線性電導(dǎo);高壓直流電纜;空間費用;極化;動態(tài)過程中圖分類號：TM 854文檔編號：A產(chǎn)品號：1007-449X（2019）07-0027-11摘要：研究空間電荷問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“過沖”。均由非線性電導(dǎo)率和極化和去極化誘導(dǎo)，更快地實現(xiàn)穩(wěn)定性。價格上漲總電纜絕緣。鍵詞：非線性電導(dǎo)率，高壓直流電纜，空間電荷，極化，動態(tài)過程引言直流輸電技術(shù)比傳輸技術(shù)有許多優(yōu)點高容量，高壓和長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：一類是在強電場下根據(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)有的空間電荷測試技術(shù)不區(qū)分兩者[14-16]，第二類空間電荷具有相對較低的值[17-]。18]，經(jīng)常被忽略，因此對它的研究相對較少。而，后者可以存在于任何場級，這也影響在操作期間HVDC電纜的絕緣中的電場分布。證據(jù)表明，絕緣材料的非線性特性對空間電荷極化動態(tài)過程和HVDC電纜去極化的影響對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HVDC電纜絕緣中空間電荷極化和去極化動態(tài)過程的影響。真模型建立模型為了研究介質(zhì)電導(dǎo)的非線性特性對空間電荷極化動力學(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。度場的確定將導(dǎo)致電纜絕緣層的溫度梯度在實際的HVDC電纜操作中加熱導(dǎo)體芯。了使模擬條件更接近實際情況，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.通過將外電極接地來確定電場的邊界條件，并且通過由以下等式確定的激勵電壓施加內(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)字解決方案過程中，空間網(wǎng)格單元的大小和時間步長是影響解決方案準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。在計算區(qū)域上執(zhí)行三角測量時，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)的過程，計算時間為1，400，000，其中前400，000是極化過程，最后1，000，000是去極化過程。了保證計算的準(zhǔn)確性并減少計算時間，計算步驟由時間的劃分來定義。體參數(shù)如表3所示。間電荷的計算COMSOL Multiphysics的有限元軟件可以直接提供空間電荷密度ρ的時空分布，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。此，根據(jù)電位移D的全球時空分布，通過線性插值和電荷密度的時空分布來計算受模型誤差影響的電極附近的電位移D.然后計算空間ρ。體關(guān)系是空間電荷極化設(shè)定過程。導(dǎo)激活能對空間電荷極化過程的影響電導(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)。此過程中電場密度和空間電荷的空間和時間分布，典型結(jié)果如圖3和圖4所示。相似的溫度和場條件下，電荷密度值空間與文獻(xiàn)[21-22]中測量的空間大小相同。3和圖4示出了由于在極化過程期間存在溫度梯度，電場在穩(wěn)態(tài)下反轉(zhuǎn)（電纜絕緣中的電場具有低且高的內(nèi)部外部分布。久模式）和空間電荷隨時間而變化。淀現(xiàn)象，即空間電荷密度首先隨極化時間增加，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間變化的變化由下式確定[ 20]：空間電荷的動態(tài)行為在很大程度上取決于弛豫時間的時空。布圖5顯示了根據(jù)計算的弛豫時間τ（t，r）的典型時空分布。圖5中可以看出，介質(zhì)的動態(tài)弛豫時間在徑向的任何時刻都具有低和高的內(nèi)部外部分布;施加電壓的初始動態(tài)弛豫時間的空間分布梯度大于靜止?fàn)顟B(tài)下動態(tài)弛豫的動態(tài)時間空間分布梯度。正極性電壓施加到內(nèi)部電極時，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)體的弛豫時間小于內(nèi)部電極的弛豫時間時 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，并且電導(dǎo)率降低，載流子遷移率降低這是一個負(fù)反饋過程，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)激活能量對電介質(zhì)中空間電荷極化過程的影響，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€(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間梯度成比例放松，電導(dǎo)率梯度越高，弛豫時間梯度越重要。
　　此，活化能越高，電介質(zhì)中的空間電荷密度越高。極化過程中提取絕緣介質(zhì)的每單位長度的吸收電流（總極化電流減去導(dǎo)電電流），并獲得作為時間和半衰期（所需時間）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)所需的時間增加。也是由于以下事實：電導(dǎo)的活化能增加以降低佩戴者的移動性，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性是也減少了，所以極化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間增加了。ΔT= 30 K，U0 = 300 kV，A = 3，278的前提下，電場依賴系數(shù)對空間電荷極化過程的影響由電場依賴系數(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）。獲得不同的電場依賴系數(shù)時，獲得電場的空間和時間分布以及相應(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，電場依賴系數(shù)B的增加緩和了由溫度梯度引起的電場反轉(zhuǎn)程度。緣介質(zhì)并降低絕緣中的總空間電荷密度?？梢酝ㄟ^圖2的穩(wěn)態(tài)平均空間電荷密度和電場依賴系數(shù)之間的關(guān)系更清楚地反映出來。12是當(dāng)空間電荷密度在r = 26.2mm，r = 38mm和r = 49時被提取時空間電荷密度與時間的關(guān)系圖， 8毫米。圖12中可以看出，電場依賴系數(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)所需的時間。依賴系數(shù)的電場的增加有助于電場在絕緣介質(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態(tài)變化。

　　13是表示在不同的電場依賴性系數(shù)下，礦用電纜絕緣介質(zhì)中吸收電流隨時間的變化及其半衰期的曲線圖。圖13中可以看出，電場依賴系數(shù)越大，相應(yīng)的偏置電流越大，并且極化達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間越短。際上，當(dāng)對電場的依賴系數(shù)增加時，對應(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程電導(dǎo)激活能量對空間電荷去極化過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)的去極化過程中獲得電場的時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。極化過程的“反極性??超限”回應(yīng)極化過程的“溢出”，并且“反極性超限”總是由動態(tài)弛豫時間的時空分布決定。于去極化過程中電極附近的反向電場，發(fā)生“反極性超限”。16顯示了不同激活能量對不同位置的空間電荷去極化動態(tài)特性的影響。圖中可以看出，在去極化過程中，電導(dǎo)率的激活能對空間電荷中“反極性超限”現(xiàn)象的影響與極化過程相容;也就是說，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。間電荷的去極化過程的激活與極化過程的激活相同。場依賴系數(shù)對空間電荷去極化過程的影響改變了電場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，其他條件對應(yīng)于相同的極化過程。這些條件下，模擬顯示電場密度和空間電荷的典型的時空分布在圖4中示出。照圖18和圖18。圖顯示了20個不同的電場依賴系數(shù)對不同位置的空間電荷去極化的動態(tài)特性的影響。圖20中可以看出，改變電場依賴系數(shù)對空間電荷的“反極性??超限”現(xiàn)象的影響與極化過程兼容，即，也就是說，電場依賴系數(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)所需的時間。圖21中不同電場依賴系數(shù)的去極化電流及其半衰期曲線可以看出，電場依賴系數(shù)對電場的極化和去極化具有相同的影響。間費用。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力學(xué)，應(yīng)用激勵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“和”反轉(zhuǎn)空間電荷的極性“。少去極化達(dá)到平衡所需的時間;）增加電場依賴系數(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)所需的時間?？嘉墨I(xiàn)：[1]在中國電機工程學(xué)報，2012，32中國[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，在中國電機工程學(xué)報，2012，32中國分析[J]論文集彭長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，礦用電纜45（3）：Kai 60.WU，Xi CHEN，WANG X Ia，et al。溫度梯度下電纜絕緣中空間電荷特性的搜索情況[J] ]。緣材料，2012，45（3）：60。5] MONTANARI G C.帶絕緣失效：空間負(fù)荷的作用[J]。電介質(zhì)產(chǎn)品和電絕緣性，2001年在IEEE Transactions 18（2）：339。6] MAZZANTI G，從空間電荷的測量提取作為絕緣老化的標(biāo)記物?MONTANARI C.量[J]。絕緣，2003，10（2）：198。7]直流交聯(lián)聚乙烯絕緣中的空間電荷形成機理[J]。緣材料，2010，43（6）：[7]邱斌，何軍，涂德民。39.邱斌，何軍，涂德民。流交聯(lián)聚乙烯絕緣中空間電荷形成機理[J]。
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