高压直流电缆绝缘中空间电荷与电荷输运的仿真与实验研究

发布时间：2020-03-20 00:14

【摘要】：挤塑绝缘高压直流电缆是构建直流电网的核心装备。高场下塑料绝缘中空间电荷的积聚会引起局部电场畸变,加快绝缘老化甚至引起击穿。多数学者认为纳米改性引入的深陷阱能级可以有效抑制聚合物绝缘中空间电荷的积累。但目前对高压直流电缆纳米复合电介质中电荷输运和空间电荷抑制与陷阱特性变化的相关性研究较少;电热耦合场下,高压直流电缆绝缘中空间电荷调控方法尚有待深入研究。通过熔融共混法制备了两组不同掺杂物粒径的LDPE/Zn0纳米复合材料,每组5种质量分数。电导特性研究表明,ZnO粒径为100nm的一组:50kV/mm电场下各质量分数的LDPE/ZnO纳米复合材料的电导电流都小于纯LDPE。其中质量分数为3wt%的复合材料电导电流最小,并且该质量分数材料在20-80℃范围,1 OkV/mm电场下的电导电流始终比纯LDPE小。ZnO粒径为50nm的一组:50kV/mm电场下5wt%和7wt%的两个质量分数的复合材料电导电流略小于纯LDPE,其他质量分数的材料电导电流都大于纯LDPE。空间电荷测量结果表明,50kV/mm场强下纯LDPE的同极性、异极性空间电荷积累都比较多。ZnO粒径1OOnm,质量分数5wt%的LDPE/ZnO复合材料对同极性空间电荷有一定抑制效果。通过恒温平板BCT模型(双极性载流子输运模型)对不同陷阱特性的聚乙烯基纳米复合材料50kV/mm电场下空间电荷分布的仿真发现:纯聚乙烯中有大量空间电荷积累,提升陷阱密度对恒温平板试样内的空间电荷抑制效果更好。发现两种有效抑制空间电荷的陷阱特性:第一种为大量增加陷阱密度和深度;第二种为大幅度减小陷阱密度和深度。基于此发现,在BCT模型基础上建立了一个陷阱调制的空间电荷抑制模型:第一种陷阱特性导致电荷注入后瞬间在电极周围入陷,形成超薄陷阱电荷层进而降低界面电场,增加电荷注入势垒,导致注入电流大大降低,最终和体传导电流在一个较低值上达到平衡。第二种陷阱特性造成材料高电导率,进而通过电荷快速松弛来抑制空间电荷,但会增加泄漏电流。通过圆柱BCT模型对不同陷阱特性、不同载流量下的HVDC电缆绝缘中空间电荷行为的仿真发现:恒温平板试样中陷阱调制的空间电荷抑制模型可以有效地应用在电热耦合场下的电缆绝缘中。载流量1800A,运行4h后绝缘内外温差20℃时,纯聚乙烯中有大量电荷积累,同时电荷积累与电场分布都发生翻转(绝缘内侧正电荷密度ρin=2.5×10-3(C/m3外侧正电荷密度ρout=8×10-3C/m3,内侧场强Ein=12.5kV/mm外侧场强Eout=15kV/mm);Nt=80×1019m-3,Et,= 1.20eV 的材料中只有微量同极性电荷最远迁移至距线芯12.5mm处,无空间电荷与电场翻转现象;而Nt=1000×1019m-3,Et=0.94eV的材料中有部分正电荷迁移至距线芯22.5mm处,同时电场发生翻转(Ein=6kV/mmEout=12.5kV/mm,最高电场出现在材料内部,约15kV/mm),表明提升陷阱深度对电热耦合场下电缆绝缘中空间电荷抑制效果更好。当载流量上升(1800A、2100A、2600A)造成温度梯度增加时,纯聚乙烯中空间电荷积累量翻转与电场翻转现象会更加严重:绝缘内外温差20℃、25℃、40℃时,绝缘外侧翻转的最高电场达到15kV/mm,17kV/mm,21kV/mm。但引入大量深陷阱能级的纳米复合改性材料(Nt=1000×1019m-3,Et=1.20eV)在不同温差下始终可以有效地抑制空间电荷迁移和电场翻转。
【图文】：

电荷输运,无定形,分子间,晶体

区克服势垒导带迁移至相邻的另一晶区。ＬＤＰＥ近程有序，远程无序。晶区与无逡逑定形并存［５６，５７］。低密度聚乙烯晶区的电导机理可用引入陷阱的能带模型解释，，非逡逑晶区的电导过程较为复杂，具体可见图２－１。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦）逡逑１．

电导电流,实物,测试系统,电导机理

区克服势垒导带迁移至相邻的另一晶区。ＬＤＰＥ近程有序，远程无序。晶区与无逡逑定形并存［５６，５７］。低密度聚乙烯晶区的电导机理可用引入陷阱的能带模型解释，非逡逑晶区的电导过程较为复杂，具体可见图２－１。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦）逡逑１．
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM721.1

【参考文献】