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HVDC电缆电场分布影响因素的仿真研究

中国电机工程学报 2016年第9期36卷 2563-2571页

作者：李忠华刘乐乐郑欢梁斯婷工程电介质及其应用技术教育部重点实验室(哈尔滨理工大学) 黑龙江省哈尔滨市150080

电场分布是决定电缆绝缘短时耐压能力和长期运行可靠性的关键因素。HVDC电缆稳定运行时,绝缘材料的电导率决定电场分布,在较高温度梯度分布下有可能出现电场分布翻转现象。由于电缆绝缘材料的非线性电导率是温度及电场的函数,在投入运... 详细信息

电场分布是决定电缆绝缘短时耐压能力和长期运行可靠性的关键因素。HVDC电缆稳定运行时,绝缘材料的电导率决定电场分布,在较高温度梯度分布下有可能出现电场分布翻转现象。由于电缆绝缘材料的非线性电导率是温度及电场的函数,在投入运行和电压极性反转时HVDC电缆暂态电场分布更为复杂。为此,采用多物理场耦合软件仿真研究了绝缘材料非线性电导属性对不同温度梯度、不同施压方式下电缆绝缘稳态和暂态电场的影响规律。仿真结果发现:当绝缘材料非线性属性确定,绝缘内温度梯度越高,稳态时电场分布翻转现象越严重;电压反转过程暂态电场最大值与电压极性反转时间密切相关,反转时间越短暂态最大电场越高,且暂态最大电场的位置越靠近导体屏蔽。仿真结果同时表明:降低材料电导活化能和提高材料电导率对电场依赖性有利于在温度梯度下对电缆绝缘稳态和暂态电场分布的控制。根据仿真研究结果,建议在HVDC电缆料研发时应采取有效的调控手段降低材料电导活化能和提高场致增强型电导的场强依赖系数;而在HVDC电缆设计时,要特别关注温度梯度效应和极性反转过程中的暂态电场分布问题。

关键词： HVDC电缆温度梯度暂态电场非线性电导率

直流叠加冲击电压下HVDC电缆暂态电场分布特性研究

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中国电机工程学报 2016年第24期36卷 6682-6692页

作者：郑欢刘乐乐李忠华工程电介质及其应用技术教育部重点实验室(哈尔滨理工大学) 黑龙江省哈尔滨市150080 北京市电力公司北京市西城区100031

运行中的HVDC电缆除了承受正常工作电压作用外,同时可能承受雷电和操作冲击电压的作用,因此在进行电缆绝缘结构设计时既要考虑稳态直流电场分布又要考虑冲击电压下暂态电场分布。由于HVDC电缆绝缘的电导率是电场及温度的函数,使得HVDC... 详细信息

运行中的HVDC电缆除了承受正常工作电压作用外,同时可能承受雷电和操作冲击电压的作用,因此在进行电缆绝缘结构设计时既要考虑稳态直流电场分布又要考虑冲击电压下暂态电场分布。由于HVDC电缆绝缘的电导率是电场及温度的函数,使得HVDC电缆在遭受雷电、操作冲击电压冲击时暂态电场分布更为复杂。为此,该文采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics仿真研究了温度梯度、施压方式以及绝缘材料非线性电导属性对直流叠加冲击电压下电缆绝缘中暂态电场的影响规律。研究结果表明:直流叠加冲击电压时,暂态最大场强始终出现在电缆绝缘内屏蔽表面;当电缆结构、绝缘材料非线性属性和外加冲击电压幅值确定时,随绝缘内温度梯度的提高,直流叠加同极性冲击电压时暂态最大场强减小,而叠加反极性冲击电压时暂态最大场强却逐渐增大;降低材料电导活化能和提高电场依赖系数可有效改善暂态电场分布,降低暂态最大电场波的幅值并缩短波头和波尾时间。

关键词： HVDC电缆温度梯度冲击电压暂态电场非线性电导率

非线性复合材料对不均匀电场的改善效果仿真分析

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高电压技术 2014年第3期40卷 741-750页

作者：谢竟成胡军何金良郭志冲殷禹清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点试验室北京100084 中国电力科学研究院北京100192

为改善绝缘介质空间电场的分布,针对实际运行中高压试验所采用的针-板电极以及330 kV电力系统中复合绝缘子的不均匀电场,建立其仿真模型,分析探讨了非线性复合材料对不均匀电场的改善效果及其内在作用机制。在直流和交流电压作用下,采... 详细信息

为改善绝缘介质空间电场的分布,针对实际运行中高压试验所采用的针-板电极以及330 kV电力系统中复合绝缘子的不均匀电场,建立其仿真模型,分析探讨了非线性复合材料对不均匀电场的改善效果及其内在作用机制。在直流和交流电压作用下,采用非线性复合材料局部替换高电场强度区域的绝缘材料,则其轴向电场强度最大值与平均值之比分别从9.06和5.22降为1.03和1.77。仿真分析结果表明,非线性复合材料可以有效改善绝缘介质空间电场分布;采用局部替换的方法可以使得绝缘材料的介质损耗和泄漏电流相对较小。

关键词：绝缘介质不均匀电场复合材料非线性电导率非线性介电常数泄漏电流

钛酸铜钙-氮化硼掺杂EPDM复合介质的电学和力学性能研究

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高电压技术 2021年第1期47卷 223-230页

作者：迟庆国杨蒙张天栋张昌海陈庆国哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点试验室哈尔滨150080

非线性电导材料的应用是解决高压直流电缆附件内部电场集中问题的一种有效方案。因此,通过掺杂钛酸铜钙(calcium copper titanate,CCTO)纳米填料对三元乙丙橡胶(ethylene-propylene-diene monomer,EPDM)进行改性,在较低的掺杂体积分数(2... 详细信息

非线性电导材料的应用是解决高压直流电缆附件内部电场集中问题的一种有效方案。因此,通过掺杂钛酸铜钙(calcium copper titanate,CCTO)纳米填料对三元乙丙橡胶(ethylene-propylene-diene monomer,EPDM)进行改性,在较低的掺杂体积分数(2%CCTO)下,复合介质展现出较好的非线性电导率;当掺杂10%CCTO时,非线性系数可达到5.40。但同时发现,高掺杂含量复合介质的击穿场强劣化严重。基于此,选择具有良好绝缘及导热特性的六方氮化硼(boronnitride,BN)与CCTO共同掺杂至EPDM中,研究发现,共掺杂复合介质的击穿场强有明显改善,φ=10%CCTO/ω=9%BN/EPDM的特征击穿场强为90.1 kV/mm(φ为体积分数,ω为质量分数),相比10%CCTO/EPDM(66.3 kV/mm)提高了35.9%,此时,共掺杂复合介质仍然表现出明显的非线性电导特征。此外,探讨了温度对复合介质非线性电导和击穿特性的影响,并对掺杂复合介质的力学性能进行测试分析,研究发现,2种无机填料的掺杂对EPDM力学性能的改善效果较为显著,随着CCTO掺杂含量增加,复合介质的拉伸强度以及断裂伸长率逐渐增加。

关键词：三元乙丙橡胶电缆附件非线性电导率击穿场强力学性能

500kV直流XLPE海缆的热场及电场仿真研究

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高压电器 2020年第12期56卷 7-15页

作者：刘英张申冬曹俊平王少华西安交通大学电气工程学院西安710049 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院杭州310014

由于交联聚乙烯的电导率受温度和场强的影响,计算高压直流电缆绝缘在实际工况下的电场分布时,需要综合考虑热场与电场。另外,在实际运行中,电缆绝缘不仅需要耐受稳态直流电压,还需要经受连续升压、极性反转及叠加操作冲击等暂态电压的... 详细信息

由于交联聚乙烯的电导率受温度和场强的影响,计算高压直流电缆绝缘在实际工况下的电场分布时,需要综合考虑热场与电场。另外,在实际运行中,电缆绝缘不仅需要耐受稳态直流电压,还需要经受连续升压、极性反转及叠加操作冲击等暂态电压的作用。文中采用有限元计算软件Comsol Multi-physics,首先对500 kV直流海缆XLPE绝缘中的稳态温度分布进行计算;然后通过对XLPE绝缘电导率实测数据进行拟合,获得电导率随温度及场强的变化公式,并在此基础上,仿真研究了绝缘中的稳态及暂态电场分布。研究结果表明:绝缘介质发热功率远小于线芯焦耳损耗功率;海底电缆的载流量瓶颈为其登陆段,可能导致线路允许载流量达不到设计要求;XLPE绝缘的稳态场强沿径向近似呈线性分布,且在额定负载下电场分布较为均匀;连续升压下绝缘内侧会产生较高的暂态电场,该值与电压上升速率以及绝缘的松弛时间常数有关;极性反转直流电压下的场强分布可根据叠加原理,采用阻性及容性场强叠加的方式进行估计;在相同的复合电压幅值下,直流叠加异极性操作冲击相比于叠加同极性冲击在绝缘内侧引发的暂态场强幅值更高。

关键词：直流XLPE海底电缆温度分布非线性电导率稳态及暂态电场

高温超导体指数损耗的有限元数值分析及相关问题讨论

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低温物理学报 2010年第3期32卷 235-240页

作者：张泉王秋良赵尚武王春忠中国科学院研究生院中国科学院电工研究所

本文从高温超导体的非线性E～J指数关系式出发,分析了热致磁通蠕动模型下其等效电导率的特性,讨论如何建立针对这种非线性电导率的有限元计算模型,然后分别给出计算交流磁化损耗和传输损耗的二维数值仿真模型,模型针对银基Bi-2223带材,... 详细信息

本文从高温超导体的非线性E～J指数关系式出发,分析了热致磁通蠕动模型下其等效电导率的特性,讨论如何建立针对这种非线性电导率的有限元计算模型,然后分别给出计算交流磁化损耗和传输损耗的二维数值仿真模型,模型针对银基Bi-2223带材,施加相应的边界条件可以计算不同物理条件下的交流损耗.分析此数值模型所得到的带材横截面中电流密度分布特点以及交流损耗热功率的值,并与利用相关解析式得到的结果作对比,证明此二维模型完全适用于分析多种复杂物理条件下超导体的交流损耗问题.

关键词：指数损耗非线性电导率有限元数值方法

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不同截面几何形状超导带材的磁化损耗

低温与超导 2009年第10期37卷 1-3,7页

作者：张泉王秋良陈鹏中国科学院电工研究所中国科学院应用超导重点实验室北京100080 中国科学院研究生院北京100039

针对不同截面几何形状带材,基于高温超导体非线性特性,假设超导体处于横向交变磁场作用下,研究其截面上磁化电流密度的分布,以及磁场穿透超导体过程的特征。结果显示同样面积大小时,椭圆矩形较之圆形方形更易穿透,电流密度分布更加不均... 详细信息

针对不同截面几何形状带材,基于高温超导体非线性特性,假设超导体处于横向交变磁场作用下,研究其截面上磁化电流密度的分布,以及磁场穿透超导体过程的特征。结果显示同样面积大小时,椭圆矩形较之圆形方形更易穿透,电流密度分布更加不均,交流损耗的值也随之增大。

关键词：磁化损耗几何形状非线性电导率

非线性非一致介质二维Maxwell方程leap-frogCrank-Nicolson多区域Legendre-tau配置谱方法

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数学物理学报（A辑） 2023年第3期43卷 808-828页

作者：牛翠霞马和平山东工商学院计算机科学与技术学院山东烟台264000 上海大学理学院上海200444

该文研究了具有非线性电导率的非一致介质二维Maxwell方程的数值求解方法,提出了多区域Legendre-tau配置谱方法.该数值方法空间上达到谱精度,时间上是二阶精度.时间方向采用leap-frog Crank-Nicolson三层格式进行离散.非线性项放在中间... 详细信息

该文研究了具有非线性电导率的非一致介质二维Maxwell方程的数值求解方法,提出了多区域Legendre-tau配置谱方法.该数值方法空间上达到谱精度,时间上是二阶精度.时间方向采用leap-frog Crank-Nicolson三层格式进行离散.非线性项放在中间已知层采用谱配置法显式处理,线性项采用Legendre谱方法隐式处理.利用显隐数值格式,既有较好的稳定性又方便算法实施.基于合理的弱形式,不需要使用额外附加的连接条件,以自然边界条件的方式处理交界面条件.定义不同次数多项式逼近空间,构建一致的数值格式.详细证明了半离散和全离散数值格式的稳定性和收敛性,并得到L^(2)-范数的最优误差估计.算例中,利用快速Legendre变换在Chebyshev点上计算非线性项,提高算法效率.数值结果证实了该数值方法求解此类非线性问题的有效性,并且没有因为解的间断而损失谱精度.

关键词：二维Maxwell方程非线性电导率非一致介质多区域Legendre-tau谱方法 leap-frog Crank-Nicolson 方法最优误差估计

三元乙丙橡胶基复合介质的非线性电导和力学性能研究

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三元乙丙橡胶基复合介质的非线性电导和力学性能研究

作者：张帅哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

高压直流电缆附件是输变电系统连接的关键核心部件,但其在运行时往往会产生电场集中,因此故障率也最高。目前较为常见的解决办法是采用具有非线性电导特性的橡胶基聚合物材料作为电缆附件的增强绝缘。为了获得良好的非线性电导特性,通... 详细信息

高压直流电缆附件是输变电系统连接的关键核心部件,但其在运行时往往会产生电场集中,因此故障率也最高。目前较为常见的解决办法是采用具有非线性电导特性的橡胶基聚合物材料作为电缆附件的增强绝缘。为了获得良好的非线性电导特性,通常要在聚合物中掺杂大量的半导电填料,导致复合介质的击穿场强与力学性能下降。如何兼顾其非线性电导与击穿场强、力学性能就成为一个热点研究方向,相关研究对指导电缆附件工程应用具有重要价值。本文采用三元乙丙橡胶(EPDM)作为基体,将碳化硅颗粒(Si Cp)、碳化硅晶须(Si Cw)、碳化硅晶须/六方氮化硼(Si Cw/h-BN)分别作为功能填料。通过共混制备得到掺杂不同质量分数填料的Si Cp/EPDM、Si Cw/EPDM及Si Cw/h-BN/EPDM复合介质。系统研究填料形状、共掺杂等对复合介质的电学性能与力学性能的影响规律与机制。通过建立电缆附件中间接头模型,采用COMSOL Multiohyscis软件对其内部电场分布进行稳态与暂态电场条件下的仿真分析。研究结果表明,随着填料质量分数或测试温度的不断增加,Si Cp/EPDM、Si Cw/EPDM及Si Cw/h-BN/EPDM复合介质的电导率均随之升高,并且非线性电导阈值场强逐渐降低。电导非线性系数则随着填料质量分数的升高而升高,而随着温度的升高而下降。对比Si Cp/EPDM和Si Cw/EPDM复合介质的性能发现,在相同的填料掺杂含量时,Si Cw/EPDM复合介质兼具良好的非线性电导特性以及力学性能,但是在高填料掺杂含量时复合介质的击穿场强会严重劣化;对比Si Cw/EPDM和Si Cw/h-BN/EPDM复合介质发现,引入h-BN绝缘填料之后,复合介质的直流电导率略有下降,但仍然呈现出非线性电导特性,特别是击穿场强和力学性能均有改善。仿真研究结果表明,当选择经掺杂改性的三元乙丙基橡胶复合介质作为电缆附件的增强绝缘时,能够均化电缆附件空间电场分布,并且电场均化效果随电导非线性特性增强而更加显著。

关键词：电缆附件 EPDM 非线性电导率击穿场强力学性能