高压直流电缆附件电场分布与界面电荷特性协同调控机理研究

HVDC cable accessories is severely restricted by the electric field distortion and interface charge accumulation under the electrical and thermal coupled-field, which has a great effect on ageing and breakdown characteristics of insulation and seriously threaten the safe and stable operation of HVDC power transmission system. It is important for the development of HVDC cable accessories to study the synergistic regulation of electric field distribution and interface charge characteristics of HVDC cable accessories. The nonlinear polymer composites are experimentally investigated in this project. The effects of electric and thermal coupled-field on the conductivity and space charge behaviors of nonlinear composites are studied. The characteristics of space charge at the interfaces between cable insulation, accessory insulation and nonlinear composites are investigated, as well as the suppression mechanism. The relationships between the electric field distribution, the interface charge characteristics and the nonlinear conductivity are systematically analyzed, thus obtaining the matching mechanism of dielectric properties of nonlinear composites by the orthogonal design method. The mechanisms of the nonlinear conductivity of composites on the electric field distribution and interface charge characteristics are proposed, which establish the theoretical and experimental foundation for improving the reliability of HVDC cable accessories.

高压直流电缆附件在电、热复合场作用下容易发生电场应力集中和界面电荷积聚现象，引发局部放电并导致绝缘击穿，严重威胁高压柔性直流电缆输电系统的安全稳定运行。研究高压直流电缆附件电场分布和界面电荷特性的协同调控机理与方法，是当前迫切需要解决的关键课题。本项目采用非线性电导调控技术，研究电、热复合场对非线性复合材料电导及空间电荷动态特性的影响机理，研究非线性复合材料与电缆主绝缘、附件增强绝缘界面电荷的产生、消散特性及抑制机理，研究非线性复合材料电导特性对直流电缆附件电场分布和界面电荷特性的影响规律，采用正交分析法确定非线性复合材料与电缆主绝缘、附件增强绝缘的介电特性匹配方法，揭示电、热复合场下非线性复合材料对直流电缆附件电场分布与界面电荷特性协同调控机理，为提高高压直流电缆附件可靠性奠定理论基础与实验依据。

高压柔性直流电缆输电是我国新能源规模化利用与电力大容量、远距离输送的重点发展方向。高压直流电缆附件是用以连接高压直流电缆与输配电线路及相关配电装置的关键设备，是直流电缆系统的重要组成部分。目前，我国高压直流电缆附件生产设计水平尚不成熟，长期被国外厂家所垄断，已经成为了制约我国直流电缆输电发展的“卡脖子”关键问题。在直流电场与温度场作用下，电缆附件绝缘电场分布不均与空间/界面电荷积聚问题，引发局部放电，是导致直流电缆附件绝缘击穿的根本原因。因此，研究电、热复合场下高压直流电缆附件电场分布与界面电荷特性的协同调控方法，是亟需解决的关键问题。.本项目开展了基于非线性电导复合绝缘的高压直流电缆附件电场分布与空间/界面电荷特性的协同调控，获得了电、热复合场下非线性复合材料的电导演变规律及调控方法，掌握了非线性复合材料电导特性对其空间/界面电荷产生、消散过程的影响机理；建立了高压直流电缆附件电场分布仿真模型，获得了非线性电导特性对其电场分布的影响规律。获得主要成果如下：掌握了基于碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）填料含量、尺寸与微、纳复配的非线性电导特性调控方法，提出了绝缘配方体系；获得了直流叠加脉冲过电压等因素将加剧绝缘电荷注入与积聚，提出了可有效抑制空间/界面电荷积聚的绝缘调控方法；建立了考虑预制式/组合预制式电缆接头扩径率影响的高压直流电缆附件电场分布仿真模型，首次获得了机械应力对非线性电导及电场分布的影响规律，提出了非线性电导复合绝缘最优配方体系。.通过本项目研究，提出了基于非线性电导复合绝缘的电、热复合场下高压直流电缆附件绝缘空间/界面电荷抑制方法，实现高压直流电缆附件电场分布与界面电荷特性的协同调控。项目研究成果同时应用于两项国家重点研发计划项目研究，为我国首条±500kV直流电缆与±100kV超导直流电缆终端设计提供基础，推动我国高压直流电缆的自主创新发展。