图1 电导率测量装置
Fig.1 Device of conductivity measurement
摘要 相比于单一介质的电缆绝缘，高压直流电缆附件复合绝缘因介质不连续性更易在界面处积聚空间电荷。在基于电网换相器的高压直流（LCC-HVDC）输电系统中，进行潮流反转调整时需改变电压极性，高压直流电缆附件将会承受极性反转电场，尽管是短时的，但由于空间电荷的累积效应也会在局部产生极高的电场，严重影响绝缘性能。为此，该文利用实验获得交联聚乙烯（XLPE）与硅橡胶（SR）电导率与电场强度的变化关系，基于Maxwell-Wagner（M-W）极化模型仿真研究了低电场极性反转下XLPE/SR双层介质中空间电荷与电场的分布特性。结果表明：室温下，SR的低电场电导率要高于XLPE，且SR电导率受电场强度的影响相对较小而XLPE则较大。由于界面电荷极性变化滞后于电压极性变化，极性反转期间界面处残留的负极性电荷造成SR中出现最大瞬态电场；电压极性反转越快，XLPE/SR界面残留的负极性电荷越多，SR中的最大瞬态电场强度越高；外施电压越高，由于SR与XLPE的电导率比值降低，SR中的最大瞬态电场畸变率越小。
关键词：直流电缆附件 极性反转 电导率 空间电荷 电场畸变 Maxwell-Wagner极化模型
近年来，随着我国经济的快速发展，电力需求不断增加，而我国电力能源与负荷中心呈现逆向分布，同时“双碳”战略大力发展可再生能源，如戈壁、荒漠地区风电光伏基地的快速建设等[1-2]。因此，在当前大背景下，具有输电距离更远、传输容量更大、线路损耗更低、运行稳定性更高等优势的高压直流输电得到越来越广泛的应用[3-4]。高压直流电缆作为构建高压直流输电线路的关键“纽带”，被认为是智能电网与未来全球能源互联网的重要组成部分[5]。高压直流电缆附件作为连接电缆系统的关键装备，是由不同电介质层组成的复合绝缘结构。电缆主绝缘多采用交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE），附件绝缘则采用硅橡胶（Silicone Rubber, SR）。在长期单极性直流电场作用下，因两者电导特性存在差异，容易在复合绝缘界面处产生空间电荷，造成电场畸变，加速绝缘老化甚至击穿，使之成为电力电缆系统中的薄弱环节，影响着电力系统供电可靠性[6-9]。
在长期直流电场下，高压直流电缆附件复合绝缘界面处产生电荷积聚是难以避免的，而基于电网换相器的高压直流（Line Commutated Converter High Voltage Direct Current, LCC-HVDC）输电系统进行潮流反转调整时需反转电压极性，电缆附件还会承受短时的极性反转电场[10-11]。由于电压极性反转时间远远小于空间电荷的消散时间，导致极性反转完成后，残留的空间电荷产生的电场将会与反转后的外加电场相互叠加，造成局部电场严重畸变，极易诱导绝缘击穿[12-13]。随着新能源发电技术的快速发展以及大电网的互联，高压直流电缆系统的运行工况将更加复杂严酷。由此，由暂态过程引发的电缆绝缘局部电场畸变成为一个亟待解决的问题。
目前，对绝缘介质中空间电荷的研究主要是以实验测量为主，电声脉冲法（Pulsed Electro-Acoustic, PEA）因结构简单、硬件要求低得到广泛应用，其得到的测试信号需经算法恢复处理[14]。针对双层复合绝缘介质空间电荷特性的实验研究，主要包括温度[9]、界面涂层[15-16]、拉伸状态[17]、纳米掺杂[18]等因素的影响。而对于复合绝缘界面空间电荷积聚的原因，最早由Maxwell-Wagner（M-W）界面极化理论给出解释[19]。T. T. N. Vu等[20]通过实验获得了不同温度和电场下XLPE/三元乙丙橡胶（Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM）双层介质界面电荷极性的变化规律，实验结果与M-W界面极化理论的预测结果相一致，验证了M-W极化模型的正确性。随着对界面电荷的深入研究，越来越多的学者发现高场高温下的界面电荷特性偏离了M-W极化模型。兰莉[21]通过实验和仿真研究了XLPE/ EPDM双层介质的界面电荷特性，结果发现M-W极化模型只适用于分析低温低场下的界面电荷特性，无法模拟更高温度或电场下的界面电荷。王霞等[22]测量了不同电场下XLPE/SR双层介质的空间电荷分布，结果表明在低电场强度下界面电荷极性与SR侧电极极性相同，但在高电场强度下界面电荷极性发生反转，电荷分布不再遵循M-W极化理论。
然而上述研究仅分析了单极性直流电场下的双层介质界面电荷特性，未涉及极性反转电压对复合绝缘界面空间电荷的影响。同时，双层介质空间电荷的测量因介质的不连续性变得更为复杂，测试结果容易受到物理界面影响，难以准确地反映双层介质界面电荷的分布[9,14]。为此，本文首先通过实验测得不同电场下XLPE与SR的电导率；然后利用所测电导率与电场的变化关系，基于Maxwell-Wagner极化模型，借助COMSOL Multiphysics有限元仿真软件研究了低电场极性反转下XLPE/SR双层介质的空间电荷与电场分布特性，并进一步讨论分析了极性反转时间、电压幅值对界面电荷与最大瞬态电场的影响。
使用如图1所示的电导率测量装置测量XLPE和SR薄片试样的电导率，该测量装置主要包括三个部分。
1）直流电压源：电压调节范围1～10 kV，通过改变电压大小可以测量不同电场强度下的电导率。
2）静电计：测量流过绝缘试样的体电流，仪器准确度可达10-17 A。
3）三电极系统：由高压电极、保护电极、测量电极组成。其中测量电极连接静电计，屏蔽箱接地。
图1 电导率测量装置
Fig.1 Device of conductivity measurement
XLPE试样：XLPE粒料采用北欧化工生产的直流电缆绝缘所用原料，使用平板硫化机先在0 MPa、140℃下预热，随后在180℃、15 MPa下压制成长宽均为12 cm，厚度为0.22 mm的薄片试样，冷却后装袋保存。
SR试样：使用青岛汉缆公司提供的A/B双组分液体硅橡胶，等质量混合均匀，脱气后使用平板硫化机先在145℃、5 MPa下预热，随后在145℃、10 MPa下压制成长宽均为12 cm，厚度为0.30 mm的薄片试样，冷却后装袋保存。
实验前将试样裁剪成长宽均为4 cm的小试样，并在真空烘箱中静置24 h，以消除多余水分和机械应力。在室温25℃下，将试样放置于三电极系统上，改变直流电压的大小，测量加压20 min时试样在不同电场强度（2～14 kV/mm）下的极化电流值，并通过计算得到XLPE和SR试样在不同直流电场下的电导率。
XLPE和SR试样在不同直流电场强度下的电导率测试结果如图2所示。由图2可知，在所研究的电场强度范围内，SR的电导率要高于XLPE；随着电场强度的增大，XLPE的电导率呈现指数增长趋势，变化较为明显；而SR的电导率受电场强度的影响较小，增加相对缓慢。
图2 XLPE/SR电导率与电场强度的关系
Fig.2 Electric field dependence of conductivity of XLPE/SR
为获得Maxwell-Wagner极化模型中所需要的电导率模型参数，采用经验公式（1）对图2中的实验数据进行拟合[23]，分别得到XLPE和SR的电导率模型参数，见表1。
（1）
式中，
为电导率，为电场强度E和温度T的函数；A和B为常数；φ为活化能；k为玻耳兹曼常数。
表1 XLPE与SR电导率模型参数
Tab.1 Conductivity model parameters of XLPE and SR
参数XLPESR A/(A/m2)B/(m/V)φ/eV3.681.15×10-70.923.026×10-80.38
XLPE/SR双层介质Maxwell-Wagner极化模型如图3所示，图中Udc为外加直流电压；σ1和σ2、
和
分别为XLPE和SR的电导率和相对介电常数。由于XLPE与SR的电导率和介电常数在界面处不连续，导致双层介质中的电流密度不相等。电流不等，就将有电荷在界面处积聚，这部分电荷又将使双层介质中的电场发生变化，电场的改变又会引起电流的改变，直到两介质中的传导电流相等，界面上电荷的积聚才结束，最终达到稳定状态[24]。
图3 XLPE/SR双层介质Maxwell-Wagner极化模型
Fig.3 Maxwell-Wagner model of XLPE/SR
基于电流守恒定律，可得到Maxwell-Wagner极化模型中空间电荷行为的控制方程组[25]，即
电荷连续性方程
（2）
欧姆定律
（3）
高斯定理
（4）
电势梯度
（5）
式中，j为电流密度；
为空间电荷密度；
为真空介电常数；V为电势。
在COMSOL Multiphysics软件的“定义子节点”中定义如图4所示的极性反转电压计算波形函数，正负极性电压幅值均为Udc，极性反转时间为∆t，Udc和∆t的大小可以改变。
图4 电压波形
Fig.4 Waveform of voltage
M-W极化模型可以准确地模拟低温低电场强度下的双层介质界面电荷，但无法模拟出高温高电场强度下注入电荷在界面积聚的动态特性[21-22,26]。一般来说，电缆附件在实际工况下的工作场强较低[22]，低电场强度极性反转下的界面电荷特性与电场畸变更应值得关注。因此，施加直流电压（Udc=2.6 kV）产生5 kV/mm的低电场强度，设置温度为25℃，极性反转时间∆t=30 s。极性反转前空间电荷与电场分布随时间变化的仿真结果如图5所示。
图5 极性反转前的空间电荷与电场分布
Fig.5 Space charge and electric field distribution before voltage polarity reversal
从图5可以看出，随着时间的推移，SR侧电极表面附近积聚的电子减少，而XLPE侧电极表面附近积聚的空穴增多。XLPE/SR界面电荷极性在电压极性反转前始终为负极性，与SR侧的电极极性一致且界面电荷量不断增大。继续加压极化，空间电荷分布达到动态平衡，最终趋于稳定。电场分布与空间电荷积聚密切相关，由于XLPE/SR界面电荷极性与SR侧的电荷极性相同，削弱了SR中的电场强度，增强了XLPE中的电场强度。1 h后电场分布趋于稳定，SR中的最大电场强度约降低至平均电场强度的1/5，而XLPE中的最大电场强度增加了约一倍。
根据M-W界面极化理论，界面电荷极性主要取决于介电常数和电导率相对较大的介质所在的电极极性。在当前研究条件下，SR的电导率高于XLPE，导致界面电荷极性与SR侧的电极极性一致。由于双层介质内部的电场强度在稳态直流电场下按电导率成反比分配，最终造成XLPE中的电场强度高于SR中的电场强度。在电压极性反转前，双层介质内部的空间电荷和电场分布规律均与文献[27-28]中的实验结果基本相符，在一定程度上证明了仿真结果的正确性，验证了仿真模型的可行性。
极性反转中和极性反转后的空间电荷与电场分布如图6所示。
图6 极性反转中、后的空间电荷与电场分布
Fig.6 Space charge and electric field distribution during and after voltage polarity reversal
由图6a可见，正极性电压下降过程中，XLPE侧电极表面电荷、XLPE/SR界面电荷均在减少，而SR侧电极表面负极性电荷减少到零后，电荷极性发生反转，正极性电荷开始增多。在电压过零升至负极性幅值电压过程中，XLPE侧电极表面电荷逐渐减少至零，同时电荷极性由正变负，且电荷量不断增加，而XLPE/SR界面电荷仍在减少，但电荷极性未发生转变，SR侧电极表面正极性电荷一直增多。从而造成XLPE与SR体内电场强度不断减小，至零后开始反向增大。
从图6b可以发现，当电压极性反转完成并达到幅值电压后，随着时间的推移，XLPE侧电极表面负电荷量不断增大至稳态值；XLPE/SR界面电荷逐渐减少，在某一时刻电荷极性发生反转并且电荷量不断增大；而电压过零时，SR侧电极表面电荷的极性早已反转，并且正极性电荷在电压极性反转完成时达到了最大值，随后逐渐降低至稳态值。最终极性反转前、后的稳态空间电荷呈现“镜像”分布。
XLPE、SR中最大电场强度与平均电场强度随时间变化曲线如图7所示。由图6和图7可知，电压极性反转完成时，由于XLPE/SR界面电荷极性的变化滞后于电压极性的变化，即迟滞效应，界面处的负极性电荷增强了SR中的电场，最大瞬态电场强度达到8.06 kV/mm，同时削弱了XLPE中的电场，瞬态电场强度达到-1.14 kV/mm。随着界面处负极性电荷的减少以及电荷极性的反转，界面处开始积聚起正极性电荷，不断削弱SR中的电场，增强XLPE中的电场，最终双层介质中反转前、后的稳态电场也呈现出“镜像”分布。
图7 XLPE、SR中最大电场强度与平均电场强度随时间变化曲线
Fig.7 Variation of maximal electric field and the average electric fieldof XLPE/SR with time
仿真中发现，虽然反转前后的稳态最大电场强度均出现在XLPE侧，但在电压极性反转完成时，最大瞬态电场强度始终出现在SR侧，因此本文将更多地关注SR体内的电场畸变。为此引入最大电场畸变率R来表征介质体内电场强度相对于平均电场强度增加或减小的程度，即
（6）
式中，
为介质内部出现的最大电场强度值；
为平均电场强度。
图8给出了电压极性反转前、后稳态时以及反转完成时的XLPE/SR双层介质空间电荷与电场分布仿真结果，而图9给出了它们的电荷与电场变化模型示意图。
图8 不同特殊时刻下XLPE/SR空间电荷与电场分布
Fig.8 Space charge and electric field distribution in XLPE/SR at different special moments
图9 不同特殊时刻下XLPE/SR电荷与电场变化示意图
Fig.9 Schematic diagram of space charge and electric field change in XLPE/SR at different special moments
如图9a所示，极性反转前稳态时，XLPE/SR界面积聚大量负极性电荷，导致SR中的电场减小，XLPE中的电场增大。由于SR的介电常数与电导率均大于XLPE，使得界面电荷极性与SR侧电极所施加的电压极性相同。电压极性反转完成时，如图9b所示，XLPE/SR界面电荷极性本应已由负变正，但由于反转前XLPE/SR界面已积聚一定量的负极性电荷，在电压过零后需要一定的时间与新产生的正极性电荷复合，直到消散完才会开始对外表现出界面电荷极性发生反转。可见，界面电荷极性的变化滞后于电压极性的变化。因此电压极性反转完成时界面处依然积聚着负极性电荷，同时大量的正极性电荷从SR侧电极注入，导致SR中的电场大幅度增强。电压反转后达到稳态时，如图9c所示，XLPE/SR界面电荷极性已经反转，积聚起正极性电荷，削弱了SR中的电场，增强了XLPE中的电场，使得反转前、后稳态时的空间电荷与电场分布呈现“镜像”分布。
可见，由不同介质组成的复合绝缘因界面的不连续性以及介质的介电性能和导电性能存在差异等原因会在界面处产生电荷堆积，造成电场发生严重畸变。当电压极性发生反转时，尽管电压过渡时间是短暂的，但依然会在局部产生极高的畸变电场。
为了研究极性反转时间对双层介质界面电荷积聚与最大瞬态电场的影响，保持其他条件不变，依据GB/T 31489.1—2015《额定电压500kV及以下直流输电用挤包绝缘电力电缆系统第1部分：试验方法和要求》中推荐的极性反转时间不超过2 min，设置了不同的电压极性反转时间（∆t为5 s和90 s）。XLPE/SR双层介质空间电荷分布与其体内最大电场强度随时间的变化曲线如图10所示。
图10 不同极性反转时间下空间电荷与最大电场强度
Fig.10 Variation of space charge and maximal field with respect to time under different reversal time
从图6和图10可以看出，电压极性反转时间越短，反转后XLPE/SR界面处残留的负极性电荷越多，导致SR中出现的最大瞬态电场强度越大，电场畸变越严重。这是由于正极性电压作用下，即使反转时间不同，反转前的稳态空间电荷分布基本是相同的，XLPE/SR界面负极性电荷量也是相同的。电压反转过程中，极性反转时间越长，界面处产生的正极性电荷与反转前残留的负极性电荷发生复合的机会越多，使得界面处残留的负极性电荷减少，导致SR中的电场畸变程度也随之减小。而电压极性反转时间越短，则减小了新产生的正极性电荷与反转前剩余的负极性电荷的复合概率，使得残留的负极性电荷增多，导致SR中的电场畸变更严重。不同极性反转时间下的电场畸变率见表2。由表2也可知，电压极性反转时间越短，SR中的最大瞬态电场畸变率也越大。
表2 不同极性反转时间下的电场畸变率
Tab.2 Electric field distortion rate under different polarity reversal times
反转时间/sSR中最大瞬态电场畸变率(%) 563.82 3061.30 9055.18
由于M-W极化模型仅考虑了电导率等宏观参数，没有考虑高场下电荷的注入以及输运过程，只能准确地模拟低电场强度（10 kV/mm）下的双层介质界面电荷特性，故仿真研究低电压下极性反转对双层介质界面电荷与最大瞬态电场强度的影响，设置极性反转时间∆t=30 s，并施加不同的直流电压，仿真结果如图11所示。
图11 不同电压幅值下空间电荷与最大电场强度变化
Fig.11 Variation of space charge and maximal field with respect to time under different voltage amplitudes
由图6和图11可以看出，电压极性反转前，随着电压幅值的增大，两电极表面与XLPE/SR界面电荷密度均逐渐增大。不同电压幅值下的电场畸变率见表3。由表3可知，稳态时两介质体内的电场畸变率均随外施电压的增大而减小。这是由于SR的电导率始终比XLPE高，而且XLPE电导率随电场升高而增加的速率要比SR快，导致SR与XLPE的电导率比值随电场强度的增加而降低。
表3 不同电压幅值下的电场畸变率
Tab.3 Electric field distortion rate under different voltage amplitudes
电压幅值/kVXLPE反转前稳态电场畸变率(%)SR反转前稳态电场畸变率(%)SR中最大瞬态电场畸变率(%) 1.56125.55-85.4071.78 2.60110.38-74.2861.29 3.6490.31-59.5646.59
从图6和图11还可以看出，电压极性反转完成时，随着电压的升高，两电极表面电荷密度与XLPE/SR界面电荷密度一直增加，但界面电荷极性均未发生反转。即使在不同的外施电场下，此时的空间电荷分布也足以造成SR侧的电场发生最严重的畸变。而随着电压的增大，XLPE/SR界面负极性电荷量相对于SR侧电极表面电荷量是不断减少的，同时SR与XLPE的电导率比值也随之降低，导致电压极性反转完成时，SR中最大瞬态电场畸变率随外施电压的增大而减小，见表3。从图11中也可以发现，电压越高，反转后两介质体内电场达到稳态的时间越短。
本文研究了XLPE/SR双层介质在低电场极性反转作用下的空间电荷与电场分布特性。通过实验测得了XLPE与SR的低电场电导率，建立了考虑电压极性反转过程的Maxwell-Wagner极化模型，得到以下结论：
1）室温下，在所研究的电场强度范围（2～ 14 kV/mm）内，SR的电导率高于XLPE的。随着电场强度的增大，XLPE电导率呈现指数增长的趋势，且变化较为明显；而SR电导率受电场的影响相对较小，增加相对缓慢。两者电导特性的差异，导致XLPE/SR双层介质界面处会产生电荷堆积，形成空间电荷的局部积累。
2）施加极性反转电压，由于界面电荷极性的变化滞后于电压极性的变化，极性反转完成时界面处仍残留着反转前的负极性电荷，导致SR中出现最大瞬态电场强度；而电压反转前、后稳态时的空间电荷与电场分布呈现“镜像”分布。
3）电压极性反转时间越短，因电荷来不及消散，导致界面处残留的负极性电荷越多，使得SR中的最大瞬态电场强度越高。
4）随着电压升高，SR与XLPE的电导率比值逐渐降低，使得XLPE和SR中反转前的稳态电场畸变率均随之减小，SR中的最大瞬态电场畸变率也随之减小。
参考文献
[1] 杜伯学, 韩晨磊, 李进, 等. 高压直流电缆聚乙烯绝缘材料研究现状[J]. 电工技术学报, 2019, 34(1): 179-191. Du Boxue, Han Chenlei, Li Jin, et al. Research status of polyethylene insulation for high voltage direct current cables[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(1): 179-191.
[2] 李晖, 刘栋, 姚丹阳. 面向碳达峰碳中和目标的我国电力系统发展研判[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(18): 6245-6259. Li Hui, Liu Dong, Yao Danyang. Analysis and reflection on the development of power system towards the goal of carbon emission peak and carbon neutrality[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(18): 6245-6259.
[3] 赵健康, 赵鹏, 陈铮铮, 等. 高压直流电缆绝缘材料研究进展评述[J]. 高电压技术, 2017, 43(11): 3490-3503. Zhao Jiankang, Zhao Peng, Chen Zhengzheng, et al. Review on progress of HVDC cables insulation materials[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(11): 3490-3503.
[4] 何金良, 党斌, 周垚, 等. 挤压型高压直流电缆研究进展及关键技术述评[J]. 高电压技术, 2015, 41(5): 1417-1429. He Jinliang, Dang Bin, Zhou Yao, et al. Reviews on research progress and key technology in extruded cables for HVDC transmission[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(5): 1417-1429.
[5] 李进. 高压直流电缆附件绝缘EPDM/LDPE界面电荷调控方法与抑制机理研究[D]. 天津: 天津大学, 2017.
[6] 罗兵, 孟繁博, 王婷婷, 等. 脱气处理对高压直流电缆绝缘特性的影响[J]. 电工技术学报, 2021, 36(增刊2): 730-735. Luo Bing, Meng Fanbo, Wang Tingting, et al. Effect of degassing treatments on insulation characteristics of high voltage DC cables[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(S2): 730-735.
[7] 李国倡, 梁箫剑, 魏艳慧, 等. 配电电缆附件复合绝缘界面缺陷类型和位置对电场分布的影响研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(11): 2707-2715. Li Guochang, Liang Xiaojian, Wei Yanhui, et al. Influence of composite insulation interface defect types and position on electric field distribution of distribution cable accessories[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(11): 2707-2715.
[8] Li Jin, Du Boxue, Xu Hang. Suppressing interface charge between LDPE and EPDM for HVDC cable accessory insulation[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2017, 24(3): 1331-1339.
[9] 李国倡, 王家兴, 魏艳慧, 等. 高压直流电缆附件XLPE/SIR材料特性及界面电荷积聚对电场分布的影响[J]. 电工技术学报, 2021, 36(14): 3081-3089.Li Guochang, Wang Jiaxing, Wei Yanhui, et al. Effect of material properties of XLPE/SIR and interface charge accumulation on electric field distribution of HVDC cable accessory[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(14): 3081-3089.
[10] Li Gen, An Ting, Liang Jun, et al. Power reversal strategies for hybrid LCC/MMC HVDC systems[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2020, 6(1): 203-212.
[11] Chen Xi, Wang Xia, Wu Kai, et al. Effect of voltage reversal on space charge and transient field in LDPE films under temperature gradient[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2012, 19(1): 140-149.
[12] 罗山. 极性反转下炭黑/聚乙烯复合材料空间电荷的研究[D]. 北京: 华北电力大学(北京), 2017.
[13] Fu M, Dissado L A, Chen G, et al. Space charge formation and its modified electric field under applied voltage reversal and temperature gradient in XLPE cable[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, 15(3): 851-860.
[14] 兰莉, 尹毅, 吴建东. 双层介质的电声脉冲法空间电荷波形恢复[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(2): 570-576. Lan Li, Yin Yi, Wu Jiandong. Recovery of space charge waveform in multi-layer dielectrics by means of the pulsed electro-acoustic method[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(2): 570-576.
[15] 王霞, 姚航, 吴锴, 等. 交联聚乙烯与硅橡胶界面涂抹不同硅脂对其电荷特性的影响[J]. 高电压技术, 2014, 40(1): 74-79. Wang Xia, Yao Hang, Wu Kai, et al. Effect of different coating silicone grease on space charge characteristics at XLPE/SR interface[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(1): 74-79.
[16] 郭高飞, 李文鹏, 王亚林, 等. 不同涂层对XLPE和EPDM双层绝缘介质空间电荷特性的影响[J]. 绝缘材料, 2019, 52(7): 80-85. Guo Gaofei, Li Wenpeng, Wang Yalin, et al. Effect of coating material on space charge characteristics of XLPE and EPDM double-layer insulation medium[J]. Insulating Materials, 2019, 52(7): 80-85.
[17] 杨毅伟, 柳松, 彭嘉康, 等. 拉伸状态下硅橡胶/交联聚乙烯双层介质界面的空间电荷特性[J]. 绝缘材料, 2014, 47(5): 106-109. Yang Yiwei, Liu Song, Peng Jiakang, et al. Space charge characteristics of cross-linked polyethylene and silicone rubber interface under different tensile rate[J]. Insulating Materials, 2014, 47(5): 106-109.
[18] Du Boxue, Li Jin. Interface charge behaviors between LDPE and EPDM filled with carbon black nanoparticles[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2016, 23(6): 3696-3703.
[19] 冯慈璋, 马西奎. 工程电磁场导论[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000.
[20] Vu T T N, Teyssedre G, Vissouvanadin B, et al. Correlating conductivity and space charge measurements in multi-dielectrics under various electrical and thermal stresses[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, 22(1): 117-127.
[21] 兰莉. 温度对聚合物绝缘中空间电荷行为的影响[D]. 上海: 上海交通大学, 2015.
[22] 王霞, 刘霞, 郑明波, 等. 温度梯度场下硅橡胶与交联聚乙烯界面上空间电荷的形成机理[J]. 高电压技术, 2011, 37(10): 2424-2430. Wang Xia, Liu Xia, Zheng Mingbo, et al. Formation mechanism of space charge accumulation at SR and XLPE interface under temperature gradient[J]. High Voltage Engineering, 2011, 37(10): 2424-2430.
[23] Boggs S, Damon D H, Hjerrild J, et al. Effect of insulation properties on the field grading of solid dielectric DC cable[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2001, 16(4): 456-461.
[24] 孙目珍. 电介质物理基础[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 2000.
[25] Morshuis P H F, Bodega R, Fabiani D, et al. Calculation and measurement of space charge in MV-size extruded cables systems under load conditions[C]//2007 IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Winchester, UK, 2007: 502-505.
[26] 齐佳乐. 电缆绝缘介质界面空间电荷的特性研究[D]. 北京: 华北电力大学(北京), 2020.
[27] 王霞, 朱有玉, 王陈诚, 等. 空间电荷效应对直流电缆及附件绝缘界面电场分布的影响[J]. 高电压技术, 2015, 41(8): 2681-2688. Wang Xia, Zhu Youyu, Wang Chencheng, et al. Effect of space charge on electric field distribution at the insulating interface between DC cable and accessory[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(8): 2681-2688.
[28] Vu T T N, Teyssedre G, Vissouvanadin B, et al. Electric field profile measurement and modeling in multi-dielectrics for HVDC application[C]//2013 IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Bologna, Italy, 2013: 413-416.
Abstract As the key equipment of connecting the cable system, high voltage direct current (HVDC) cable accessory has become the weakest insulation point of the cable system due to the composite insulation composed of different dielectrics. Compared with cable body insulation of a single dielectric, the HVDC cable accessory of composite insulation is more easily to accumulate space charges at the interface due to the discontinuity of dielectric. In the line commutated converter high voltage direct current (LCC-HVDC) transmission system, the voltage polarity needs to be reversed when performing the power flow reversal adjustment, and cable accessories will withstand polarity reversal electric field. Although it is temporary, an extremely high electric field would be applied locally due to the cumulative effect of space charge, which threatens the safety of cable system.
Firstly, the conductivities of cross-linked polyethylene (XLPE) and silicone rubber (SR) under different electric fields were measured at room temperature. Then, fitting these experimental data, the conductivity model parameters of XLPE and SR could be obtained. Finally, the finite element method was used to study the space charge and electric field distribution characteristics of XLPE/SR under polarity reversal voltage based on the Maxwell-Wagner model. Furthermore, the effects of voltage reversal time and voltage amplitude on the interface charges and the maximal transient electric field were discussed.
The conductivity test results show that, the conductivity of SR is higher than XLPE within 14 kV/mm. As the field increases, the conductivity of XLPE shows an exponential growth trend and its change is obvious, while that of SR changes less and increases relatively slowly. Simulation results show that: Firstly, set the field to 5 kV/mm, voltage reversal time to 30 s and temperature to 25℃. When voltage reversal is completed, the residual negative charges at the interface enhance the field in the SR, which causes the maximal transient field reaches 8.06 kV/mm, and weaken the field in the XLPE, which reaches -1.14 kV/mm. The space charge and field distributions in the steady state before and after voltage inversion show a "mirror" distribution. Secondly, keep the temperature and field unchanged, when voltage reversal time is 5 s, 30 s, 90 s, the maximal transient field distortion rate in the SR is 63.82%, 61.30%, 55.18%, respectively. Thirdly, hold voltage reversal time and temperature unchanged, When voltage amplitude is 1.56 kV, 2.60 kV, 3.64 kV, the XLPE steady-state electric field distortion rate before voltage inversion is 125.55%, 110.38%, 90.31%, and that of SR is -85.40%, -74.28%, -59.56%，while the maximal transient field distortion rate in the SR is 71.78%, 61.29%, 46.59%, respectively.
The results show that: (1) The conductivity of SR is higher than XLPE. There is a clear difference in the conductivity properties of XLPE and SR as a function of electric field, which is one reason for the accumulation of interface charges. (2) Since interface charge polarity change lags voltage polarity change, the residual negative charge at the interface would cause the maximal transient field in the SR. (3) The shorter the reverse period, the more residual negative charge at the XLPE/SR interface, resulting in a higher maximal transient field in the SR. (4) As the applied voltage increases, The conductivity ratio of SR to XLPE decreases gradually, so the maximal transient field distortion rate in SR decreases with increasing electric filed.
keywords: DC cable accessory, polarity reversal, conductivity, space charge, electric field distortion, Maxwell-Wagner model
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221231
中图分类号：TM85
国家自然科学基金资助项目（51377056）。
收稿日期 2022-06-28
改稿日期 2022-07-14
宋 柯 男，1996年生，硕士研究生，研究方向为高压直流电缆绝缘空间电荷。E-mail：songke0513@163.com
王 伟 男，1960年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压绝缘技术、电气设备在线监测与故障诊断等。E-mail：wwei@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）