高压直流电缆电热耦合场仿真软件开发

作     者：程逸飞 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田付强

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）] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 081202[工学-计算机软件与理论] 

主      题：高压直流电缆 空间电荷分布 电场分布 电荷输运模型 有限容积法 仿真软件开发 

摘      要：交联聚乙烯(Cross linked polyethylene,XLPE)电缆凭借其优异的性能在高压直流输电领域得到了广泛应用。在直流工作电场和导体发热的电热耦合作用下XLPE电缆绝缘内部极易积聚空间电荷,导致局部电场畸变,进而加速绝缘的老化和击穿。因此,研究电热耦合作用下高压直流电缆绝缘中的空间电荷及电场分布演化特性规律对直流电缆的设计及其运行状态监测具有重要意义。基于以上背景,本文建立了电热耦合场下高压直流电缆电荷输运特性的求解算法,利用该算法对电缆绝缘中空间电荷密度、电场强度、热场的时空分布规律进行了仿真研究,并开发了图形化显示的高压直流电缆电热耦合场数值仿真软件。具体研究内容如下:首先,本文基于直流电缆同轴圆柱结构的双极性载流子模型、杂质载流子模型与非稳态温度场模型,建立了描述聚合物内部电荷输运行为的数学模型,并采用有限容积法对模型中空间电荷密度、电场强度、温度的数值求解方法进行研究。其次,本文对直流电缆在单一极性电压、极性反转电压、冲击电压下绝缘中空间电荷及电场强度的时空演化特性展开了仿真分析,得到了如下结论:(1)当电缆在直流电压下运行时,无论电压极性为正或负,绝缘内外侧界面的同极性电荷量均会随时间呈“先增大后减小的变化趋势,且电缆在正极性或负极性直流电压下运行时绝缘中空间电荷与电场的分布规律具有一定对称性。二者的区别在于电缆在正极性直流电压下运行时绝缘中场强最大位置临近外侧界面,而电缆在负极性直流电压运行下时绝缘中场强最大位置更靠近中间区域。(2)当电缆在极性反转电压下运行时,反转时间的增大会减小绝缘中暂态最大场强,降低电场畸变率。当反转结束后电缆在直流电压下运行到稳态时,空间电荷和电场的分布会与反转前稳态时的分布形成明显的镜像对称。(3)当电缆承受直流叠加雷电冲击电压时,无论雷电过电压的极性为正或负,绝缘中暂态最大场强始终出现在内界面位置;而叠加操作冲击电压时达到暂态最大场强的位置则取决于操作冲击电压的极性。(4)冲击电压幅值增大会明显提升绝缘中的暂态最大场强值,而提升载流量后绝缘中暂态期间最大场强提升幅度则相对较小。仿真结果与现有理论及实验研究结果基本相符,验证了仿真模型及算法的有效性。最后,本文以MATLAB&.Net&SQL混合编程技术为核心,提出了软件的总体设计方案和各模块功能实现方法,在Visual Studio平台开发出了高压直流电缆的电热耦合场数值仿真软件。软件可通过图像和图表形式实时显示各种工况下电缆绝缘内部空间电荷密度、电场强度、温度随时间和空间位置变化的规律。并且通过软件测试,发现仿真软件满足计算准确性和快速性要求,可为后续进一步研究空间电荷畸变机理和抑制措施提供便利。