高壓直流輸電線路可能因各種因素比如換流變壓器中晶閘管的關(guān)斷和極性翻轉(zhuǎn)等原因而存在脈沖過(guò)電壓的威脅。交聯(lián)聚乙烯(XLPE)作為電力電纜的主絕緣在這種脈沖沖擊過(guò)電壓的工作環(huán)境下進(jìn)一步惡化，易造成電樹枝老化現(xiàn)象。由于中國(guó)最北部地區(qū)最低溫度可達(dá)到−52.3℃，而在南極等地區(qū)最低溫度可達(dá)到−89.2 ℃，所以為保證電氣設(shè)備安全可靠的運(yùn)行，研究低溫環(huán)境下重復(fù)脈沖電壓對(duì)XLPE的作用具有重要意義。高溫超導(dǎo)(HTS)電纜具有體積小、質(zhì)量小、大容量、低損耗的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在輸電領(lǐng)域備受重視，應(yīng)用日益廣泛。XLPE在HTS電纜中作為電氣絕緣層，可能會(huì)面臨低溫環(huán)境，同時(shí)，高壓直流輸電系統(tǒng)的雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和高壓直流系統(tǒng)換相失敗經(jīng)常產(chǎn)生重復(fù)的脈沖電壓，研究低溫環(huán)境下重復(fù)脈沖電壓對(duì)XLPE的作用有深刻意義。電老化和熱老化是絕緣物質(zhì)老化的兩種主要方式，影響XLPE和HTS電纜操作的安全，而電樹枝的引發(fā)和生長(zhǎng)是絕緣老化的主要原因。電纜在制造過(guò)程中，可能會(huì)在XLPE絕緣材料內(nèi)部引入氣泡和雜質(zhì)等其他形式缺陷，造成局部電場(chǎng)集中，引起局部放電和電荷注入，進(jìn)而導(dǎo)致電樹枝通道的形成。在強(qiáng)電場(chǎng)的持續(xù)作用下，電樹枝快速發(fā)展，最終導(dǎo)致絕緣擊穿，嚴(yán)重威脅到電纜輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究重復(fù)脈沖電壓下XLPE電樹枝在低溫環(huán)境的生長(zhǎng)特性具有深刻意義。
重點(diǎn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以下為一套低溫杜瓦系統(tǒng)，以模擬特殊的低溫工作環(huán)境。搭建了電樹枝生長(zhǎng)電光聯(lián)合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了4種形狀的典型樹，分別為叢林狀、樹枝狀、停滯型和樹枝−藤枝狀。電樹枝的形狀隨著溫度變化而變化。
不同溫度下的典型電樹枝形態(tài)(12kV/300Hz)
對(duì)XLPE在不同低溫環(huán)境下的電樹枝發(fā)展過(guò)程的生長(zhǎng)速率、累積損傷進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不同溫度和不同形狀電樹枝的生長(zhǎng)過(guò)程也不同，使XLPE內(nèi)部電樹枝的生長(zhǎng)規(guī)律更加直觀。
研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，電樹枝的生長(zhǎng)速率明顯降低。不同溫度和不同形狀電樹枝的生長(zhǎng)過(guò)程也不同。根據(jù)生長(zhǎng)速率，將30℃溫度下的叢林狀、-90℃溫度下的樹枝﹣藤枝狀和﹣196℃溫度下的樹枝狀電樹枝生長(zhǎng)過(guò)程分為3個(gè)階段。而同為樹枝狀電樹枝，-30℃溫度下引發(fā)的樹枝狀電樹枝只有2個(gè)階段。-90℃溫度下引發(fā)的停滯型電樹枝也只有2個(gè)階段。
目前為止，對(duì)低溫環(huán)境下的聚合物絕緣電樹枝特性鮮有研究。本文通過(guò)對(duì)XLPE在低溫環(huán)境下的電樹枝生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行分析，研究低溫溫度梯度下絕緣本體老化特性。分析低溫環(huán)境對(duì)老化發(fā)展過(guò)程的影響作用，研究低溫環(huán)境對(duì)電纜本體絕緣擊穿特性的影響，量化造成絕緣破壞的原因。為揭示絕緣材料老化破壞發(fā)展過(guò)程中微觀層面的變化機(jī)理和規(guī)律打下基礎(chǔ)。
（一）高壓直流電纜在運(yùn)行過(guò)程中在導(dǎo)線周圍會(huì)存在一個(gè)恒定方向磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的存在會(huì)影響絕緣材料的擊穿特性。研究電場(chǎng)、磁場(chǎng)共同作用下聚合物中電樹枝生長(zhǎng)特性。
（二）納米填充是提高絕緣材料電氣性能的有效途徑，研究如何實(shí)現(xiàn)通過(guò)納米復(fù)合技術(shù)改善直流高壓下電纜絕緣內(nèi)部的老化和破壞特性，建立納米無(wú)機(jī)粒子對(duì)固體絕緣老化擊穿等的調(diào)控理論。
（三）傳統(tǒng)XLPE電纜在運(yùn)行過(guò)程中由于交聯(lián)劑和抗氧化劑的分解會(huì)在XLPE中產(chǎn)生缺陷，這些缺陷不斷捕獲空間電荷，從而造成更多的電荷累積和更嚴(yán)重的電場(chǎng)畸變?？臻g電荷的累積加速了絕緣材料的老化和電樹枝的引發(fā)和生長(zhǎng)。還需進(jìn)一步開發(fā)適合于高壓直流電纜的新型絕緣材料。高壓直流輸電線路可能因各種因素比如換流變壓器中晶閘管的關(guān)斷和極性翻轉(zhuǎn)等原因而存在脈沖過(guò)電壓的威脅。交聯(lián)聚乙烯(XLPE)作為電力電纜的主絕緣在這種脈沖沖擊過(guò)電壓的工作環(huán)境下進(jìn)一步惡化，易造成電樹枝老化現(xiàn)象。
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