直流系統(tǒng)高分子材料電纜中電場(chǎng)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(tǒng)高分子材料電纜中電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度對(duì)絕緣材料電導(dǎo)率的影響，利用Matlab軟件對(duì)直流電纜中電荷的分布進(jìn)行精確的分析。

空間電荷；電導(dǎo)率；電場(chǎng)強(qiáng)度；直流電纜

0　引　　言

世界各地大多數(shù)使用的HVDC裝置采用傳統(tǒng)的油浸紙絕緣電纜以及充油型電纜。高分子材料(如交聯(lián)聚乙烯)長(zhǎng)期以來(lái)一直是首選的絕緣材料,目前,交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣材料已經(jīng)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(yīng)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(guān)專家的重視。然而,電纜中空間電荷對(duì)電場(chǎng)分布的影響的研究到現(xiàn)在為止,幾乎沒有考慮電場(chǎng)對(duì)電導(dǎo)率的影響。這將導(dǎo)致電場(chǎng)分布分析的一些錯(cuò)誤,因?yàn)橹绷鳁l件下電場(chǎng)是由電導(dǎo)率決定的。

在高分子材料中的空間電荷分布使用PEA技術(shù)測(cè)定,使用matlab軟件進(jìn)行仿真,獲得的結(jié)果為相關(guān)工作人員的工作提供了底層理論。

1　直流電導(dǎo)率

直流情況下,溫度和電場(chǎng)對(duì)電導(dǎo)率影響很大。在電解質(zhì)中電導(dǎo)率的描述如式 (1)

(1)

其中,A、B均為常數(shù)；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(chǎng);k為玻爾茲曼常數(shù)。

在沒有空間電荷的電纜中,利用式(1)在matlab中進(jìn)行計(jì)算電場(chǎng)的分布。經(jīng)驗(yàn)證,常數(shù)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(xué)者已根據(jù)式(2)和式(3)證明了不同XLPE電纜中參數(shù)的分類及區(qū)分它們“好”與“壞”。

2　仿真結(jié)果及分析

本仿真中,考慮到空間電荷場(chǎng)與電導(dǎo)率的影響,分別用“好”與“壞”的材料的參數(shù)作為式(2)和式(3)的狀態(tài)來(lái)獲得精確的電場(chǎng)分布。步驟如下:① 通過(guò)空間利用泊松公式電荷計(jì)算電場(chǎng);② 根據(jù)電導(dǎo)率方程計(jì)算得到的電場(chǎng)來(lái)決定外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)。③ 2種電場(chǎng)相加得到總電場(chǎng)。運(yùn)用分類中“好”的參數(shù),同時(shí)考慮溫度梯度的電場(chǎng)依賴性等方面對(duì)80kV條件下的電纜進(jìn)行仿真。

當(dāng)忽略空間電荷的時(shí)候,電導(dǎo)率從電極的內(nèi)部到外部幾乎呈線性減少。當(dāng)考慮空間電荷場(chǎng)的時(shí)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(dǎo)率發(fā)生在表面的外側(cè)。由于外加了電壓,電場(chǎng)分布發(fā)生了很大的變化,如圖1(c)所示,最小值發(fā)生在外部接口,最大值34 kV/mm發(fā)生在外部端口與樣本中心之間的部分。

圖1　考慮電場(chǎng)對(duì)電導(dǎo)率影響時(shí)的仿真結(jié)果(Touter=295K,Tinner=295K)

材料中總電場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果如圖3所示,當(dāng)電纜中的導(dǎo)體被加熱的時(shí)候,最大應(yīng)力發(fā)生在相鄰電纜的外側(cè)區(qū)域,隨著溫度梯度的增加,內(nèi)部區(qū)域的應(yīng)力減少的更多,電纜的應(yīng)力增加的更多。

如圖2所示,在仿真中設(shè)定時(shí)間為20h,將好與壞的參數(shù)計(jì)算出來(lái)的電場(chǎng)進(jìn)行比較,仿真結(jié)果表明,不考慮溫度梯度時(shí),結(jié)果沒有明顯的區(qū)別,這也許與電導(dǎo)率的最終值相關(guān),“好”、“壞”材料的導(dǎo)電率分布是由空間電荷場(chǎng)決定。盡管如此,當(dāng)考慮溫度梯度時(shí),好與壞的介電參數(shù)產(chǎn)生的結(jié)果明顯不同,圖中也表明了這點(diǎn)。

圖2　“好”參數(shù)的總電場(chǎng)的分布(Touter=295K)

3　結(jié)　　論

本文使用PEA技術(shù)測(cè)量了在交流80kV條件下工作20h后電纜的空間電荷。同時(shí),利用Matlab軟件對(duì)電場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果表明,當(dāng)電纜中的導(dǎo)體被加熱的時(shí)候,最小應(yīng)力在相鄰電纜屏外部端口發(fā)生,應(yīng)力值隨著電介質(zhì)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(shí)分別利用“好”與“壞”的介電參數(shù)仿真,結(jié)果表明采用“好”的參數(shù)時(shí),應(yīng)力沒有明顯變化,而采用“壞”參數(shù)時(shí),應(yīng)力變化明顯。

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(責(zé)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