高压直流电缆绝缘电导与空间电荷特性的仿真研究

作     者：廖望京 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王暄

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：交联聚乙烯 高压直流电缆 电导电流 空间电荷 数值仿真 

摘      要：交联聚乙烯(Cross-linked Polyethylene,XLPE)具有优异的电气性能、机械性能和耐热性能,基于此XLPE被广泛应用于高压直流电缆绝缘。但在直流场下XLPE内部容易出现空间电荷积聚,引起电场畸变甚至导致介质电击穿。因此,研究XLPE的电导和空间电荷特性对绝缘材料的改进与工程应用具有重要指导意义。材料内部的电荷输运行为复杂,实验手段难以探究各种微观粒子之间的相互作用过程。而基于双极性载流子输运模型的数值仿真可以获得实验方法难以得到的微观数据,将微观参数与宏观表现相联系,能够从微观角度更深入地研究聚合物绝缘材料的电导与空间电荷特性。本文基于空间电荷动力学的数学方程与传热方程,建立双极性载流子输运模型与电缆热场模型,并在此基础上引入离子输运模型。利用有限元软件对模型进行构建和求解,通过优化网格剖分与初始值设置提高整个模型的收敛性。分别运用单独的双极性载流子模型和引入离子输运模型的双极性载流子模型,对平板结构下XLPE的空间电荷分布和电导电流特性曲线进行数值模拟,将两者的仿真结果与实验结果进行对比。结果表明,结合离子输运模型和双极性载流子模型,能够更好地模拟异极性电荷积累和电导特性曲线总体趋势。对电导曲线分段拟合,曲线经3个转折点A、B和C划分为4个区域Part 1、Part2、Part 3和Part 4。各区域的斜率依次上升、下降、上升。基于电荷的动态特性分析XLPE的电导特性。结果表明,XLPE内部出现明显空间电荷积聚时,电导曲线经过转折点A进入Part 2区域;电极附近的离子密度减少,增强了同极性电荷对电极处电场的抑制效果,使得电极的电荷注入强度下降,电导曲线经过转折点B进入Part 3区域,此时电极的电荷注入量完全受XLPE内部的空间电荷控制;随着电场强度的进一步升高,电极的电荷注入强度升高,离子密度减少带来的影响减弱,电导曲线经过转折点C进入Part 4区域。升高温度,电导电流大幅度升高,转折点A、B、C对应的场强均变小。增大陷阱深度和陷阱密度,能有效抑制电导电流,转折点A、B、C对应的场强均变大,Part 4区斜率明显下降;减小电极注入势垒,电导电流得到有效抑制,转折点A对应的场强变大,转折点B对应的场强减小,转折点C消失,Part 3区斜率明显下降。分别运用宏观电导率模型和双极性载流子输运模型,对同轴结构全尺寸电缆绝缘的电场与空间电荷分布进行了数值模拟,对比两者的结果。结果表明,基于宏观电导率模型得到的仿真结果不够准确,电荷分布为单极性电荷分布,只存在正电荷,对拉普拉斯场的抵消作用有限。最后基于双极性载流子输运模型,研究了结构效应、载流量和复合系数对高压直流电缆绝缘中电场与空间电荷时空演化过程的影响。结果表明,绝缘中积累的空间电荷能够平抑由几何结构形成的场强不均匀性;电缆载流量越大,电缆绝缘中空间电荷与电场分布越快到达稳态,同时电场反转的情况越严重,且电场强度的最大值不断增大;复合过程对电荷输运过程有着很大的调控作用。降低复合系数,减弱复合作用,能够有效降低绝缘中电场强度的最大值,抑制电场畸变。