直流系统高分子材料电缆中电场的分析

陈兴宇

(临淮岗洪水控制工程管理局，安徽 霍邱　237484)



直流系统高分子材料电缆中电场的分析

陈兴宇

(临淮岗洪水控制工程管理局，安徽 霍邱237484)

文章考虑到电场强度对绝缘材料电导率的影响，利用Matlab软件对直流电缆中电荷的分布进行精确的分析。

空间电荷；电导率；电场强度；直流电缆

0　引　　言

世界各地大多数使用的HVDC装置采用传统的油浸纸绝缘电缆以及充油型电缆。高分子材料(如交联聚乙烯)长期以来一直是首选的绝缘材料,目前,交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料已经在高压交流电(HVAC)在地下输电和配电的传输中得到了广泛的应用。

直流条件下,在高分子材料中的空间电荷问题引起了很多相关专家的重视。然而,电缆中空间电荷对电场分布的影响的研究到现在为止,几乎没有考虑电场对电导率的影响。这将导致电场分布分析的一些错误,因为直流条件下电场是由电导率决定的。

在高分子材料中的空间电荷分布使用PEA技术测定,使用matlab软件进行仿真,获得的结果为相关工作人员的工作提供了底层理论。

1　直流电导率

直流情况下,温度和电场对电导率影响很大。在电解质中电导率的描述如式 (1)

(1)

其中,A、B均为常数；φ为热激活能量；q为基本电荷；T为单位为K的温度,E为电场;k为玻尔兹曼常数。

在没有空间电荷的电缆中,利用式(1)在matlab中进行计算电场的分布。经验证,常数A和B以及热激活能量因材料和条件的不同而不同。

(2)

很多学者已根据式(2)和式(3)证明了不同XLPE电缆中参数的分类及区分它们“好”与“坏”。

2　仿真结果及分析

本仿真中,考虑到空间电荷场与电导率的影响,分别用“好”与“坏”的材料的参数作为式(2)和式(3)的状态来获得精确的电场分布。步骤如下:① 通过空间利用泊松公式电荷计算电场;② 根据电导率方程计算得到的电场来决定外加电压产生的电场。③ 2种电场相加得到总电场。运用分类中“好”的参数,同时考虑温度梯度的电场依赖性等方面对80kV条件下的电缆进行仿真。

当忽略空间电荷的时候,电导率从电极的内部到外部几乎呈线性减少。当考虑空间电荷场的时候,图1(a)清晰的显示了空间电荷的积累。电压波形在电缆表面附近偏向于非线性。如图1(b)中所示,最大电导率发生在表面的外侧。由于外加了电压,电场分布发生了很大的变化,如图1(c)所示,最小值发生在外部接口,最大值34 kV/mm发生在外部端口与样本中心之间的部分。

图1　考虑电场对电导率影响时的仿真结果(Touter=295K,Tinner=295K)

材料中总电场分布的计算结果如图3所示,当电缆中的导体被加热的时候,最大应力发生在相邻电缆的外侧区域,随着温度梯度的增加,内部区域的应力减少的更多,电缆的应力增加的更多。

如图2所示,在仿真中设定时间为20h,将好与坏的参数计算出来的电场进行比较,仿真结果表明,不考虑温度梯度时,结果没有明显的区别,这也许与电导率的最终值相关,“好”、“坏”材料的导电率分布是由空间电荷场决定。尽管如此,当考虑温度梯度时,好与坏的介电参数产生的结果明显不同,图中也表明了这点。

图2　“好”参数的总电场的分布(Touter=295K)

3　结　　论

本文使用PEA技术测量了在交流80kV条件下工作20h后电缆的空间电荷。同时,利用Matlab软件对电场分布进行计算分析,结果表明,当电缆中的导体被加热的时候,最小应力在相邻电缆屏外部端口发生,应力值随着电介质材料温度下降值的增加而增加。此外,本文也比较了考虑温度梯度时分别利用“好”与“坏”的介电参数仿真,结果表明采用“好”的参数时,应力没有明显变化,而采用“坏”参数时,应力变化明显。

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(责任编辑陈化钢)

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

陈兴宇(1995-)，男，安徽太和人，助理工程师，从事水利水电工程管理工作。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.03.026

TM712

A

1671-6221(2016)03-0079-03