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高压直流塑料电缆与附件双层绝缘界面空间电荷特性的研究

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ExtrudedHVDCCableandits

Accessory

上海交通大学电子信息与电气工程学院

兰莉，尹毅，钟琼霞，李淑琦

摘要：高压直流塑料电缆的主绝缘和附件绝缘之间的界面容易积累空间电荷，造成局部电场畸变，

层绝缘介质，用电声脉冲法测量了界面空间电荷随温度和电场的变化特性。结果发现，XLPE／EPDM

组成的双层介质，其界面积累的空间电荷量小于XLPE／SR双层介质；随着外施电压的升高，双层介

质的界面空间电荷幅值增大。随着温度的升高，界面电荷幅值先增大，而后基本不交；两种试样内

部均出现了由XLPE表面向橡胶内部注入电荷的现象。由于SR内部的杂质解离比较活跃，使得

XLPE／SR双层介质的电荷分布更为复杂。

关键词；界面空间电荷，双层绝缘，交联聚乙烯，三元乙丙橡胶，硅橡胶

1．引言

随着聚合物绝缘材料的发展和新型电力电子器件(IGBT、IGCT)的出现，高压直

流塑料电缆被广泛应用于风能，太阳能等可再生分布式能源，以及其他长距离的电力输

送【1，21。直流塑料电缆的一个关键问题是绝缘材料当中的空间电荷积累，因而空间电荷的

产生和抑制在长时间以来得到了很多专家和学者的关注【3巧】。然而直流塑料电缆附件的

发展相比于电缆本身要滞后得多，对于附件绝缘以及附件绝缘与电缆本体绝缘之间的绝

缘配合等问题的研究还比较少。

在高压直流塑料电缆和附件中，电缆绝缘和附件绝缘组成双层复合介质，它们之间

存在一个物理界面。根据描述双层介质极化的Maxwell．Wagner模型，如果电缆绝缘和

附件绝缘的介电常数之比与电导率之比不相等，那么在界面处将存在极化空间电荷。空

间电荷一方面畸变界面处的电场，同时由于电缆绝缘和附件绝缘之间的界面中可能因工

-294．

艺等原因而形成气隙，因此在较低电场下容易发生沿面闪络，导致附件的击穿；另一方

面，空间电荷也将导致局部区域的加速老化，降低界面处的绝缘寿命。同时，电缆在运

行过程中承受负载电流，其主绝缘和附件绝缘处于一定的温度梯度下，并且这一温度随

着负载的变化而变化。固体介质的介电常数随温度和电场的变化比较小，而电导率强烈

的依赖于温度和电场强度。当双层绝缘处在不同的温度和场强下时，介电常数之比与电

导率之比的关系可能存在很大差别，从而造成界面空间电荷特性的变化。另外，实际当

模型。因此，电缆在实际运行过程中的界面空间电荷问题是非常复杂的。

目前国内外高压直流电缆预制型附件所采用的绝缘材料主要有硅橡胶(silicone

diene

rubber，SR)和三元乙丙橡胶(ethylenepropylene

文以交联聚乙烯(cross．1inked

质为对象，采用电声脉冲法研究不同参数配合的双层绝缘介质在不同温度和场强下的界

面空间电荷特性。

2．实验方法

2．1样品制备

下密炼10

min。随后在平板硫化机上成型和交联，交联温度和时间分别是185℃和15

rain，交联时平板硫化机的压力为25MPa。随后试样在保持压力的条件下自然冷却至室

温，试样的厚度为150pan左右。

将质量分数为2．0％的纳米A1203(南京纳米高科技有限公司生产，粒径30nm)与

140C，硫化时间为20

别是80C和150C，时间为24

为300“m左右。

待测的双层介质样品有两种，一种是XLPE和EPDM组成，称为试样A；一种是

·295．

在80℃下短路24h。

2．2空间电荷测试

本文采用电声脉冲法(PEA)研究双层介质在不同温度和场强下的空间电荷分布情

况，测量系统的原理示意图如图1所示。系统采用了耐高温的压电传感器，使用热电偶

测温进行温度控制。测试样品的上电极采用半导电电极，下电极采用铝电极。实验分别

在30。C、504C和80