1、本科毕业论文(20 届)直流电缆中的空间电荷和抑制问题所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -直流电缆中的空间电荷和抑制问题摘要直流输电技术由于其在稳定性与经济性等方面的诸多优点,成为目前电气工程领域内研究的热点。高压直流塑料电缆是直流输电的关键设备之一,相对于油纸绝缘直流电缆,具有体积小、输送容量高和免维护等优势,因此研究和开发绝缘直流电缆对直流输电至关重要。然而在电缆绝缘中,由于空间电荷分布不均匀会造成电缆绝缘内电场畸变影响其绝缘强度以及加速绝缘的老化,因此研制直流电缆绝缘的关键问题是解决绝缘内空间电荷积
2、聚的问题。我综述的是采用电声脉冲法(PEA)研究聚乙烯及其复合介质内空间电荷分布发现:聚乙烯生产工艺的不同,造成了其内部空间电荷分布的差异。复合介质的结晶行为影响其内部空间电荷分布,但其对空间电荷的影响小于杂质离子浓度等因素的影响。XLPE 内交联副产物含量对其空间电荷分布影响较大;研究还发现电极材料也是影响 XLPE 及其复合介质内空间电荷分布的重要因素之一。空间电荷对绝缘材料的影响主要是对电介质内的电场分布造成畸变。在高压直流电场的作用下,会导致传输电缆的绝缘损伤,从而造成一定的绝缘缺陷。在长期高场强的作用下,还有可能导致高压直流电缆的绝缘失效。添加适量的纳米 MgO 粉末可以有效的改善复
3、合介质内空间电荷的分布、击穿特性、电导率和机械性能。关键词 空间电荷;抑制;直流电缆;电声脉冲系统; MgO哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The space charge of dc cable and the problem of inhibitionAbstractDirect current transmission technology has been a hot topic in the electrical engineering domain, on account of the considerably numerous advantages of it. The h
4、igh voltage direct current plastic insulated cable is one of the most important equipments in DC transmission technology. Compared with paper insulated DC cables, there are many excellent characteristics of the HVDC plastic insulated cable, such as, relatively small volume, great transmission capabi
5、lity and maintenance-free. So it is crucial to research and develop HVDC plastic insulated cables. The non-homogenous distribution of space charge in the cable insulation may distort the distribution of electric field which will reduce the dielectric strength and accelerate the deterioration of the
6、insulation. As a result, solving the problem of the space charge accumulation in dielectrics is the indispensable and first step to develop HVDC plastic insulated cables.The pulsed electro-acoustic method is utilized to investigate the space charge distribution in polyethylene and its composites and
7、 some conclusions can be drawn. The crystallization behavior of composites may also affect the space charge distribution in them. However, this affection is less effective than those of other factors, such as, the concentration of impurities. The cross-linking by-products impose great effect on spac
8、e charge distribution in XLPE. The research results also show that the material of electrodes is also one of important factors which affect the space charge distribution.Space charge has an influence on the insulating material,especially for the distribution of the electricfield and it is distorted
9、as a result.The transmission cables will be damaged by the high voltage direct current field,futhermore,some insulation flaws might emerge.Under the long-term high electric field intensity,it can eliminates the ability of the high voltage direct current cables insulation.Loading proper quantity of n
10、ano-MgO can effectively improve the space charge distribution, the breakdown characteristics, conductivity and mechanical performances of composites.Keywords space charge;inhibition ;dc cable;pulsed electroacoustic system; MgO 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题的背景及意义 .11.2 课题国内外
11、研究现状与趋势 .21.3 课题的研究内容 .4第 2 章 直流电缆中空间电荷产生的机理 .52.1 直流电缆中空间电荷产生的原因 .52.1.1 电荷注入 .62.1.2 杂质的热电离 .62.1.3 极化空间电荷 .72.1.4 介电常数与电导不均性引起的空间电荷 .92.2 本章小结 .11第 3 章 空间电荷对直流电缆的危害 .123.1 空间电荷效应 .123.2 实验与试样选择 .123.3 实验结果和分析 .133.4 结果与讨论 .223.5 本章小结 .23第 4 章 空间电荷的测量方法 .244.1 电声脉冲系统(PEA) .244.2 空间电荷的测量装置 .244.3 空
12、间电荷测量结果与讨论 .254.4 本章小结 .31第 5 章 直流电缆中空间电荷的预防措施 .325.1 实验研究的目的 .325.2 试样和实验过程 .325.3 实验结果和分析 .345.4 不同种类填料对复合介质内空间电荷分布的影响 .395.4.1 有机非极性材料/LDPE 复合介质内空间电荷分布 .395.4.2 有机极性材料/LDPE 复合介质内空间电荷分布 .405.4.3 无机纳米陶瓷材料/LDPE 复合介质内空间电荷分布 .415.4.4 无机纳米氧化物材料/LDPE 复合介质内空间电荷分布 .42哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -5.5 本章小结 .43结论 .45致
13、谢 .46参考文献 .47附录 .49哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论目前,国民经济的发展导致能源紧缺、环境污染等问题日益突出。而另一方面,可用于发电的资源分布和用电负荷的分布又极不均衡。一方面,全国可开发的水电资源有近 2/3 分布在西南地区,全国煤炭储量的 2/3 分布在山西、陕西、内蒙古三省区;另一方面,东部沿海地区经济发达,用电负荷约占全国的 2/3,发电能源资源却严重不足。今后我国水能和煤炭资源的开发将逐步西移和北移,而东部沿海和京广铁路沿线以东地区国民经济持续快速发展,将导致能源产地与能源消费地区之间的距离越来越远,使得我国能源配置的距离、特点和方式都发生了巨大
14、变化,因此必然引起电力的跨区域大规模流动 1。1.1 课题的背景及意义直流输电已有百余年的历史,在输电技术发展初期曾发挥重要作用,但到了 20 世纪初,由于直流电机串接运行复杂,而高电压大容量直流电机存在换向困难等技术问题,使直流输电在技术和经济上都不能与交流输电相竞争,因此进展缓慢。20 世纪 50 年代后,电力需求日益增长,远距离大容量输电线路不断增加,直流输电重新被人们所重视。1950 年苏联建成一条长 43km、电压 200kV、输送功率为 30000kW 的直流试验线路。1954 年,瑞典把高压直流输电技术应用于高特兰岛到瑞典本土的海底电缆,总长 96km,电压 100kV,送电容量
15、 20000kW。1961 年,英法两国采用海底电缆,建成 100kV、160MW、总长 65km 的直流输电线路,把两国交流电力系统连接了起来,再次推动了直流输电的发展。到 60 年代,海底电缆的输电工程几乎都采用直流输电,直流输电方式在跨越宽阔海峡的特殊自然条件下,优点更为突出。80 年代,可控硅换流器在大型直流输电工程中崭露头角,巴西的伊泰普直流输电工程,直流输电压达到600kV,输电功率达到 6300MW,输送距离 806km。直流输电的再次兴起并迅速发展,说明它在输电技术领域中确有交流输电不可替代的优势。尤其在电网的稳定与互联方面的应用更具优势:直流输电不受同步运行稳定性问题的制约,
16、对保证两端交流电网的稳定运行起了很大作用;利用直流输电可实现国内区网或国际间的非同步互联,把大系统分割为几个既可获得联网效益,又可相对独立的交流系统,避免了总容量过大的交流电力系统所带来的问题;交流电力系统互联或配电网增容时,直流输电可以作为限制短路电流的措施,这是由于它的控制系统具有调节快、控制性能好的特点,可以有效地限制短路电流,使其基本保持哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -稳定 2。从经济方面考虑,直流输电与交流输电的主要区别为:(1) 直流架空线路投资省。直流输电一般采用双极中性点接地方式,直流线路仅需两根导线,三相交流线路则需三根导线,但两者输送的功率几乎相等,因此可减轻杆塔的荷重
17、,减少线路走廊的宽度和占地面积。在输送相同功率和距离的条件下,直流架空线路的投资一般为交流架空线路投资的三分之二。(2) 直流电缆线路的投资少。相同的电缆绝缘用于直流时其允许工作电压比用于交流时高两倍,所以在电压相同时,直流电缆的造价远低于交流电缆。(3) 换流站比变电站投资大。换流站的设备比交流变电站复杂,它除了必须有换流变压器外,还要有目前价格比较昂贵的可控硅换流器,以及换流器的其它附属设备,因此换流站的投资高于同等容量和相应电压的交流变电站。(4) 在相同的可比条件下,当输电线路长度大于等价距离时,采用直流输电所需的建设费用比交流输电省。(5) 运行费用较省。根据国外的运行经验,线路和站
18、内设备的年折旧维护费用占工程建设费用的百分数,交流与直流大体相近。但直流输电电能损耗在导线截面相同、输送有功功率相等的条件下,是交流输电的三分之二 2,3。我国关于直流输电技术的研究工作,50 年代就开始起步。目前,我国已经有多条高压直流输电工程投入运行,分别是:浙江舟山直流输电工程,葛洲坝上海南桥直流输电工程,天生桥广州直流输电工程,三峡常州直流输电工程,三峡惠州直流输电工程,贵州肇庆直流输电工程。这些直流输电工程的投运标志着我国的直流输电技术有了显著的提高和发展。随着三峡工程的兴建和贯彻中央“西电东送”的发展战略,我国将陆续兴建一批超高压、大容量、远距离直流输电工程和交直流并联输电工程。随
19、着我国直流输电技术的日益完善,输电设备价格的下降和可靠性的提高,以及运行管理经验的不断积累,直流输电得到了更快的发展和大量的应用,这标志着我国的直流输电将进入一个新的发展时期 3。1.2 课题国内外研究现状与趋势在电力传输过程中,采用电缆具有下列优点:(1)线间绝缘距离小,占地小,电缆地下敷设不占地面上空间。(2)不受周围环境污染影响,送电可靠性高。(3)地下敷设电缆对人身安全可靠,不暴露目标,适于战备。因此,在大城市人口稠密区的输配电网络,城市郊区的输配电网络,大型工厂、发电厂、交通拥挤区、电网交叉区要求占地小、安全,减少电网对交通、哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -城市建设的影响,宜采用
20、电缆;在严重污染区,为了提高送电的可靠性,宜采用电缆;对于过江、过河、过海等跨度较大的输电线路,或为了避免架空线对船舶通航或无线电干扰,宜采用电缆 4。直流电缆与交流电缆在输电能量损失特性方面有本质区别,后者除芯线电阻损耗外,还有绝缘介质损耗及铅包、铠装的磁感应损耗,而前者基本上只有芯线电阻损耗。目前主要有三种形式的直流电缆:(1) 高粘度油浸纸绝缘直流电缆(MI),最常用的高压直流电力电缆,使用的历史已经超过 40 年,并被证实具有很高的可靠性,目前其使用的电压可达500kV,导体的截面可达 2500mm2;(2)低粘度油浸纸绝缘直流电缆(SCFF),用于特高压直流输电,可达到 600 KV
21、,用于短程连接,目前的使用电压 500kV,导体截面达到 3000mm2;(3)塑料绝缘直流电缆(Extruded),目前还在发展中,最高的使用电压 250kV,主要用于与电源转换器的连接。在不改变电缆输送极性时,允许功率反向输送。尽管从目前的情况来看,油纸绝缘高压直流电缆还是高压直流输电采用的主要设备 5,但是油纸绝缘电缆的制造工艺比较复杂,相对塑料(XLPE)电缆的成本要高,而塑料绝缘电缆由于材料和结构等特点,使其有许多油纸绝缘电缆无法比拟的优点:(1) XLPE 绝缘电缆软化点高,热畸变小,在高温下机械强度大,抗热老化性能好。它的导体最高允许运行温度可达 90C,而短路时的允许温度则可达
22、 250C,相应的油浸纸绝缘电力电缆的导体正常最大允许温度仅为 60C65C,短路时的最大允许温度也只有 220C。因此在相同截面积的条件下,它的载流量要比油纸电缆增大 30%40%。在同一输电容量下XLPE 绝缘电缆所用的导体截面比油浸纸电缆小。(2) 由于 XLPE 材料本身较油浸纸轻,加之同等载流量的截面积减小,使 XLPE 电缆的总体重量减轻,因重量减轻带来的制造和敷设方面的轻便也是显而易见的。(3) 由于 XLPE 绝缘电力电缆可以采用现有预制的热缩方式的电缆头和中间接头,比起油浸纸绝缘电力电缆的原有电缆头连接方式在安装上大大地方便了。而且,交联电缆本体发生故障后能及时修理恢复送电。
23、(4) XLPE 绝缘电力电缆在敷设过程中,为了不弯伤电缆,它的弯曲半径需不少于电缆外径的 8 倍(多芯)到 l0 倍(单芯)即可。而油浸纸绝缘电力电缆的弯曲半径却至少需要 15 倍(多芯)到 20 倍(单芯)。这显然使前者在制造、安装、设计和敷设中要方便得多。(5) XLPE 绝缘电缆耐酸、碱,抗腐蚀,几乎没有环境龟裂现象,是它的重要优点。(6) 从最重要的安全可靠性指标来看,XLPE 绝缘电缆的事故发生率要比油浸纸绝缘电缆小得多 6。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -另外油浸纸绝缘电缆使用中需要对其进行诸如补油等维护工作,增加了设备运行维护的成本。同时由于采用油纸复合绝缘,在电缆温升较高
24、的情况下,油的粘度降低,向低地势位的迁移,一方面降低了少油部分的绝缘强度,另一方面还会导致多油部位的压力增大,导致电缆局部受压膨胀变形,甚至损坏。而 XLPE 电缆不存在上述缺点,亦不存在充油电缆由于漏油而导致的对环境的长期危害的缺点。另外,塑料电缆的连接相对更简单,不需要特殊的连接技巧 7。因此从长远来看,油纸绝缘直流电缆必然被塑料绝缘所取代。电压极性反转是直流输电中的一个关键问题,电压极性反转时,绝缘的击穿阻抗将会降低 10%。近年来,由于电力电子的发展,在高压直流输电中,可以采用 IGBT 作为直流输电的逆变转换器,因此就可以避免电压极性反转问题,这将在很大程度上促进高压塑料直流电缆的发
25、展 8。尽管日本已生产出用于500KV 塑料绝缘直流电缆及附件,但是一直没有商业应用的报导。由此分析可见,高压直流电力电缆的发展(尤其是研制) 远远滞后于交流电缆,这与直流电缆的特性,尤其是绝缘中空间电荷问题有很大关系。1.3 课题的研究内容高压直流输电已经成为当前研究的重点,高压直流塑料电缆由于自身的众多优势,必将取代油纸绝缘电缆。为解决直流塑料电缆中关键问题空间电荷,本文主要在以下几个方面做出研究:1) 明确本文研究意义,分析相关研究现状并确立本文研究内容;2) 综述 XLPE 直流电缆中空间电荷的产生机理;3) 综述空间电荷对 XLPE 直流电缆的危害;4) 综述利用电声脉冲法(PEA)
26、检测空间电荷;5) 综述 MgO 及其它填充材料对 LDPE 绝缘材料中空间电荷分布的影响。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -第 2 章 直流电缆中空间电荷产生的机理2.1 直流电缆中空间电荷产生的原因空间电荷这个词最开始被用于描述电荷在真空二极管阳极与阴极间的空间积累,结果电子从阴极发射 9。电荷使二极管内电场畸变,如图 2-1 所示,并且影响着阴极与阳极间的稳态电流。当直流电压施加在固体介质上时,空间电荷也可能在固体介质中积累。电场再一次畸变,并且空间电荷密度足够的高,局部电场强度可能超过电场的击穿强度,导致绝缘失效。数量上,泊松方程表明在平面 XLPE 试样中空间电荷密度 1C/cm3,将引起电场改变为 50 kV/mm 超过 1mm 的距离。图 2-1 真空二极管中电场分布下空间电荷的影响