基于非线性绝缘介质屏障的空间电荷抑制技术与机理研究

空间电荷及其导致的老化与击穿问题是限制XLPE绝缘高压、超高压直流电力电缆发展的瓶颈。本研究拟探索一条全新抑制空间电荷的技术途径，即采用在聚合物主绝缘（XLPE）与半导体屏蔽层之间增加一层由非线性绝缘介质制备的非线性屏障层，通过半导体屏蔽、非线性屏障层的合理搭配达到抑制主绝缘体内空间电荷的目的。如果该抑制技术途径可行，将最大限度地保持聚合物主绝缘原有的优异性能，并降低聚合物绝缘高压直流电缆的制造成本；甚至利用该技术可研制超高压直流电力电缆。.研究内容包括：采用多层平板试样和多层同轴结构模拟电缆试样，研究纳米改性技术制备的非线性绝缘屏障材料属性、各种界面属性对主绝缘空间电荷积累与释放过程空间电荷击穿强度的影响；实验研究温度、温度梯度对主绝缘空间电荷积累与释放过程空间电荷击穿强度的影响。采取实验研究为主，仿真分析为辅，旨在探明各种影响规律的内在机理。

空间电荷及其导致的老化与击穿问题是限制XLPE绝缘高压、超高压直流电力电缆发展的瓶颈。本项目旨在探索一条全新抑制空间电荷的技术途径，即采用在聚合物主绝缘（XLPE）与半导体屏蔽层之间增加一层由非线性绝缘介质制备的非线性屏障层，通过半导体屏蔽、非线性屏障层的合理搭配达到抑制主绝缘体内空间电荷的目的。. 主要研究内容：采用多层平板试样和多层同轴结构模拟电缆试样，研究纳米改性技术制备的非线性绝缘屏障材料属性、各种界面属性对主绝缘空间电荷积累与释放过程空间电荷击穿强度的影响；实验研究温度、温度梯度对主绝缘空间电荷积累与释放过程空间电荷击穿强度的影响。. 通过大量实验研究，制备了电导对电场强度关系非线性系数大于4的非线性绝缘介质。在此基础上，制备了线性/非线性复合绝缘结构，通过该复合绝缘结构空间电荷分布测试证实非线性绝缘介质屏障具有一定的空间电荷抑制能力，证实本项目立项时的基本设想；同时，通过线性/非线性双层介质介面电荷的测量以及极化、退极化电流时域谱的测量探明了含有非线性绝缘介质的介面夹层极化建立和耗散规律。理论研究与实验研究表明：线性/非线性双层介质介面夹层明显不同于传统麦克斯维尔-瓦格纳夹层极化，极化建立过程和退极化过程强烈依赖材料的非线性属性和外加激励幅值。非线性/线性介质界面极化规律的研究成果完善了介面夹层极化理论，并为含有非线性绝缘介质的绝缘结构设计提供理论基础。. 通过多层试样直流击穿实验和预直流短路击穿实验发现：非线性屏障层可提高复合绝缘结构直流介电强30%以上，提高复合绝缘结构预直流短路击穿寿命5倍以上。该研究成果证实非线性屏障层具有空间电荷抑制能力和有效提高复合绝缘结构的直流介电强度，非线性屏障可应用于高压、超高压直流电缆绝缘结构中。. 在非线性屏障层研究基础上，对主绝缘的非线性调控进行较系统研究。通过纳米碳黑对XLPE进行改性，有效降低材料电导活化能和提高电导率对电场强度的依赖程度。稳态和暂态电场仿真结果表明：低活化能和高的电场依赖系数有利于温度梯度条件下直流高压电缆绝缘中电场强度的匀分布。该研究成果为高压直流电缆主绝缘材料开发指明了方向，为新型高压直流电缆绝缘结构设计提供了理论依据。