高压直流电缆用聚乙烯材料空间电荷暂态行为研究

摘要

随着能源消费结构的加速调整，我国用电量近年来呈现持续增长的趋势，电能的远距离输送成为了电力系统发展的必然需求。高压直流电缆因其传输容量大的优点在输配电系统中得到了广泛的应用。目前高压直流电缆以聚乙烯作为主绝缘，在电场的长期作用下其内部容易产生空间电荷，从而使得内部电场发生畸变，甚至导致绝缘击穿。因此，研究高压直流电缆用聚乙烯材料的空间电荷行为对电力系统的安全运行具有重要意义。 本文基于电声脉冲法（Pulsed electro-acoustic,PEA）原理与技术，对空间电荷测量系统进行了改进，实现了固体绝缘中空间电荷的快速动态测量。为了研究商用交联聚乙烯（Crosslinked polyethylene,XLPE）材料的空间电荷行为，开展了XLPE试样脱气前后的直流电导、介电和高温下空间电荷稳态暂态过程试验。结果表明，未脱气XLPE的电导电流和介质损耗均大于脱气XLPE；-30kV/mm下脱气前后XLPE内部均为负极性电荷积聚，且在30℃和70℃下电场畸变率不超过25%；70℃、-100kV/mm下极化初始2s的快速测量发现，脱气XLPE出现正空间电荷包的快速迁移，而-150kV/mm下则出现了负空间电荷包的注入与迁移，正负空间电荷包的运动过程均遵循负微分迁移率。 本文通过控制低密度聚乙烯（Low density polyethylene,LDPE）熔融后的冷却速率获得了不同结晶形态的薄膜试样，分别对不同冷却速率的LDPE试样进行了偏光显微观测、X射线衍射分析、差示扫描量热分析、电导电流试验、直流击穿试验。同时，利用温度可控的PEA法高速动态测量系统重点研究了70℃下不同冷却速率的LDPE试样在预击穿过程中内部空间电荷暂态行为。结果表明，冷却速率越慢，球晶尺寸越大，结晶轮廓越清晰，结晶度越高；击穿前冰水冷却试样内部出现多组空间电荷包快速迁移现象，空气冷却和缓慢冷却试样内部出现大量负极性空间电荷和少量正极性空间电荷；预击穿试验中，由于空间电荷效应引起了试样内部最大电场发生畸变：冰水冷却试样畸变率为65.1%，空气冷却为59.5%，缓慢冷却为46.6%。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 空间电荷测量技术的发展现状

1.2.1 测量空间电荷的方法

1.2.2 PEA法空间电荷测量技术的现状

1.3 空间电荷研究现状

1.3.1 预电压极性效应

1.3.2 形态结构的影响

1.3.3 空间电荷包现象

1.3.4 空间电荷效应与击穿过程

1.4 目前研究存在问题

1.5 本文研究内容

2 试样制备与测试平台

2.1 试样的制备

2.1.1 XLPE试样的制备

2.1.2 LDPE试样的制备

2.2 测试平台与测试方法

2.2.1 理化性能测试平台与测试方法

2.2.2 基础电学性能测试平台与测试方法

2.3 空间电荷测量原理及系统

2.3.1 PEA法测量原理

2.3.2 PEA法测量系统

2.4 本章小结

3 交联聚乙烯中基础性能及空间电荷暂态行为

3.1 脱气前后XLPE质量变化

3.2 脱气前后XLPE介电性能

3.3 脱气前后XLPE电导电流

3.4 脱气前后XLPE空间电荷稳态暂态特性

3.4.1 试验描述

3.4.2 未脱气XLPE空间电荷稳态特性

3.4.3 脱气后XLPE空间电荷稳态特性

3.4.4 极化初始阶段XLPE空间电荷暂态行为

3.5 讨论与分析

3.5.1 空间电荷稳态过程

3.5.2 电场畸变暂态过程

3.5.3 电荷包的迁移过程

3.6 本章小结

4 低密度聚乙烯中基础性能及空间电荷暂态行为

4.1 不同冷却速率LDPE理化性能

4.1.1 偏光显微观测

4.1.2 X射线衍射分析

4.1.3 差示扫描量热分析

4.2 不同冷却速率LDPE电导电流

4.3 不同冷却速率LDPE直流击穿

4.4 LDPE预击穿过程中空间电荷暂态行为

4.4.1 预击穿过程试验描述

4.4.2 预击穿过程中冰水冷却LDPE试样空间电荷特性

4.4.3 预击穿过程中空气冷却LDPE试样空间电荷特性

4.4.4 预击穿过程中缓慢冷却LDPE试样空间电荷特性

4.5 讨论与分析

4.5.1 LDPE的微晶结构与电荷传输过程

4.5.2 空间电荷动态与击穿关系

4.6 本章小结

5 结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表学术论文与研究成果