高压直流电缆及附件空间电荷分布的二维动力学仿真与应用

来源 :上海交通大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:luochengshabi
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挤包绝缘高压直流电缆及其附件绝缘在直流电场运行下的空间电荷积累是限制其向更高电压等级发展与进一步应用的关键问题。当空间电荷在绝缘内部或界面积累时,所引发的电场畸变与能量释放均会导致或加速绝缘劣化,甚至会导致电缆暂态运行过程中短时间内就发生击穿。然而,目前的空间电荷测量技术在高压直流系统中应用尚存在一些局限性:一是测量厚度有限,且以降低空间分辨率为代价;二是测量时需要剥除铠装、金属屏蔽层等附属结构,不易恢复,在实际运维中应用的可能性很小,且无法对电缆进行整体地评估;此外,对于异形不规则结构,现有技术也无法进行直接测量。随着计算机技术和聚合物电荷输运理论的发展,数值模拟技术是近年来逐渐兴起研究介质内部电荷输运的新方法。但是,无论是平板试样还是电缆试样中的电荷输运模拟及相应算法研究,研究者们多数是基于一维的假设。考虑到电缆输电系统中普遍存在的轴对称结构固体绝缘,内部电荷与电场的空间关系相对于平板或电缆试样更为复杂,简单的一维电荷输运模型难以直观描述。为直观地研究电缆及附件绝缘内部的空间电荷动力学行为,本文针对电荷与电场动态分布的关联性,对二维同轴结构固体绝缘中的电荷输运算法进行了研究。本文基于有限元法(finite element method,FEM)开发了二维柱坐标下的电场求解模块,基于变量格心分布的有限体积法(finite volume method,FVM)求解连续方程。通过循环求解泊松方程和连续方程,实现了电荷与电场动态分布的计算。为解决传统迎风格式在计算连续方程时存在的数值发散与震荡等影响计算精度甚至导致求解不收敛的难题,本文在高阶迎风格式的基础上,提出了采用带有限制器的高阶迎风格式进行计算,在不影响计算效率的基础上保证了二维模型中电荷输运计算的精度。基于双极性载流子输运模型,开发了针对高压直流电缆及附件绝缘内部电荷输运及电场分布的数值计算软件。基于该计算软件平台,首先对不同电压等级(10、320 kV)的交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)绝缘电缆进行了直流电场下的电荷输运模拟研究,分析了因绝缘屏蔽不连续所导致的电场集中区域附近空间电荷与电场间的相互影响。计算结果表明:绝缘屏蔽层的不连续将导致空间电荷和电场在电缆轴向分布上存在明显畸变,这提示了在电缆制造和运维中应重点关注绝缘屏蔽层的处理;同极性电荷的注入能削弱电极附近的电场,但是会明显提高绝缘中部的电场,因此虽然在电场集中处附近的电场被削弱,但是绝缘内部的电场畸变会使得径向平均电场提高致使绝缘遭受威胁。此外,基于加密网格对二维数值模拟中的分辨率进行了讨论和分析,结果表明网格加密能提高数值结果的分辨率,但是会大幅占用计算资源。尽管空间电荷测量在工程应用中仍存在局限性,但其在实验室研究或型式试验等非运行条件下,作为定量分析绝缘内部空间电荷分布的方法仍旧无可替代。而实验定量分析对于数值计算准确性的验证是必不可少的。因此,本文针对不同电压等级的电缆空间电荷测量,基于电声脉冲法研制了电缆空间电荷测量系统。该系统的研制难点主要在于纳秒级高压脉冲的阻抗匹配及直流高压下的局部高电场优化。本文针对不同厚度电缆绝缘的空间电荷测量研制了形成线型高压脉冲源和阻容放电型高压脉冲源。为解决阻抗匹配这一关键问题,本文针对空间电荷波形调试,提出了基于集中参数元件的脉冲电路阻抗匹配方法,匹配结果表明,这种方式能够便捷地对外电极空间电荷波形进行调整。此外,直流500 kV下的试验表明,上述匹配方式,能够在电缆发生闪络等极端情况下提供电流泄放通道,使系统保持正常运行。为解决空间电荷测量时直流高压下的局部电场集中,本文通过仿真对端部均压环和绝缘屏蔽层断面应力锥进行了优化设计,保证了在目标电压下测量不发生击穿和闪络。为与二维电荷数值模拟结果对比,本文对10、320和500 kV XLPE绝缘电缆进行了空间电荷实测。10 kV与320 kV电缆的空间电荷测量结果表明,二维数值模拟在总体趋势上与实测基本一致,证明了二维数值模拟算法的可行性与准确性。在数值模拟结果与实验结果对比的基础上,将该二维电荷输运模型与算法在320 kV整体预制式中间接头及其模型的XLPE/三元乙丙橡胶(ethylene-propylene-diene monomer,EPDM)复合绝缘中进行了初步应用,接头的计算结果表明:接头高压屏蔽端部的电场随着电荷注入并不会增强,而绝缘中部的电场会随着电荷注入明显增强;此外,发现在一定极化时间以后,界面附近原本随电荷注入下降的电场开始出现反转。这说明注入电荷是绝缘内部和绝缘界面电场畸变的一个重要因素,因此在接头绝缘设计中除了关注因绝缘结构所导致的电场畸变,还应重点关注注入电荷的抑制问题;该二维计算模型能够确定实际绝缘系统中空间电荷动态变化时的电场最大值及变化趋势,这对绝缘设计中确定设计电场允许值具有重要参考价值。为兼顾计算效率与电荷的空间分辨率,探究了采用等比例接头模型进行替代计算的可能,结果表明:采用等比例模型进行电荷输运计算可提高局部不同种类电荷的空间分辨率,且其绝缘内部的电场变化趋势与原尺寸下基本相同。
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