交联聚乙烯电缆空间电荷计算及带电分子动力学模拟研究

The cross-linked polyethylene (XLPE) power cable has the advantages of high temperature resistance, good insulation performance, hence it is the main development direction of power cable in the future. Scientific evaluation of insulation performance of cable materials is of great significance to the safe operation. Space charge and being electric branch are two important indexes of assessing the cable insulation properties. In the past the study of space charge and electric branch relies mainly on the test, and the forming theory can only explain part of the test phenomenon, for formation mechanism has not been a mature theory. This project introduces the numerical analysis, establishes more sophisticated numerical analysis model. This research method understand the nature of the insulation problem from the root. It is a new way to study the insulation problem. (1) The crystal partical model and molecular structure model are established, and using the electromagnetic theories calculates the space charge and electric field distribution inside the insulation material of the cable. (2) Establishing charged molecular system model, using molecular dynamics method simulate space evoluting process of molecular structure. It is using quantum mechanics method to simulate the electron density distribution of molecular systems, and using classical mechanics method to simulate the evolution process of nuclear skeleton. The two aspects implement alternately until system is stable. Using molecular simulation technology to simulate the formation process of electrical tree branches explore the formation mechanism and the principles of electrical tree branches.

交联聚乙烯电力电缆具有耐高温、绝缘性能好等优点，是未来电力电缆发展的主要方向。科学评估电缆绝缘材料的绝缘性能对电缆的安全运行具有重要意义。空间电荷和电树枝化是评估电缆材料绝缘性能的两个重要指标。以往对空间电荷和电树枝的研究主要依靠试验，形成的理论只能解释部分试验现象，而对形成机理至今没有一个成熟的理论。本项目采用数值分析方法，建立更加精细的数值分析模型，从问题的本源上去探讨绝缘的本质，是研究绝缘问题的一个全新途径。（1）建立结晶颗粒模型和分子结构模型，利用电磁理论对电缆绝缘材料内部空间电荷及电场分布进行计算分析。（2）建立带电分子系统模型，利用分子动力学方法模拟分子结构的空间演化过程，即利用量子力学方法模拟分子系统的电子密度分布，利用经典力学方法模拟核骨架的演化过程，二者交替实施，直至最后稳定。通过分子模拟技术对电树枝的形成过程进行模拟，探讨电树枝的形成机理和规律。

交联聚乙烯电缆绝缘材料具有耐高温、绝缘性能好等优点，是未来电力电缆发展的主要方向。科学评估交联聚乙烯电缆的绝缘性能具有十分重要的意义。空间电荷和电树枝化是评估交联聚乙烯电缆绝缘性能的重要指标。本项目从交联聚乙烯电缆绝缘材料内部空间电荷计算和电场对交联聚乙烯电缆绝缘材料分子结构的作用两个方面研究交联聚乙烯绝缘材料电老化的机理。在空间电荷计算方面，首先利用经典的电磁场理论编写了空间电荷的计算程序，然后利用编写的空间电荷计算程序计算了交联聚乙烯电缆绝缘材料内部含有气泡、裂缝、杂质和电树枝情况下空间电荷的分布情况，在此基础上，利用程序计算了在温度梯度场条件下上述交联聚乙烯电缆绝缘缺陷情况下的空间电荷分布情况。在交联聚乙烯电缆绝缘材料电老化机理方面，利用分子动力学模拟方法研究了交联聚乙烯分子结构在外电场下的结构变化和物质性能变化。对电子结构的计算方法主要采用了半经验方法和密度泛函理论，对分子核骨架的空间演化模拟采用经典力学方法。交联聚乙烯的分子结构主要研究了硅烷交联、辐照交联和盐交联几种类型的交联分子。交联聚乙烯的分子动力学研究内容有空间结构的变化，包括键长、键角、二面角等，有物质性能参数的变化，包括偶极矩、极化率、分子体系能量、前线轨道、键值、键级、化学键成分组成、分子体系红外光谱、分子结构破坏场强、分子碎片形式的小分子气体等。该项目的研究对理解电老化的机理具有重要的意义。