关于HVDC电缆绝缘中的空间电荷问题，有限元分析方法用于模拟绝缘材料的非线性特性对极化动态过程的影响。压直流电缆绝缘中非线性导电性引起的空间电荷去极化。过修改电导的激活能和对电场的依赖系数，可以获得在极化和去极化过程中空间电荷密度随时间变化的变化。析结果表明，降低电导的激活能或增加对电场的依赖系数可以减少电缆绝缘中非线性电导率产生的空间电荷。HVDC并消除极化和去极化过程中空间电荷的“过载”和“反转”。性过冲现象将极化和去极化过程加速到稳定状态，同时增加电介质中的电流密度。线性电导;高压直流电缆;空间费用;极化;动态过程中图分类号：TM 854文档编号：A产品号：1007-449X（2019）07-0027-11摘要：研究空间电荷问题模式和极化中的非线性负载性能表明，电导率的激活能量的减小或场依赖系数的增加减少了空间电荷的量和极化和去极化期间的“过冲”。均由非线性电导率和极化和去极化诱导，更快地实现稳定性。价格上涨总电缆绝缘。键词：非线性电导率，高压直流电缆，空间电荷，极化，动态过程引言直流输电技术比传输技术有许多优点高容量，高压和长距离传输中的交流电[1-2]。为直流输电系统的关键部件，高压聚合物绝缘（HVDC）高压电缆，如交联聚乙烯（XLPE）高压直流电缆，已被广泛使用[3]。
HVDC XLPE电缆中的空间电荷问题受到了很多关注[4-6]。据空间电荷源[7]，它可以分为两类：一类是在强电场下根据绝缘材料的微观特征产生的（例如介质中杂质的热电离）绝缘，极性分子极化，电极）由于注入和陷阱等因素造成的空间电荷，由空间宏观介电参数引起的慢极化引起的其他类型的空间电荷，其产生绝缘材料的非线性特性，结构参数，温度梯度与施加电压等各种因素有关。于第一种类型的空间电荷，许多国内外研究人员进行了广泛的研究[8-13]。于第二类空间电荷，现有的空间电荷测试技术不区分两者[14-16]，第二类空间电荷具有相对较低的值[17-]。18]，经常被忽略，因此对它的研究相对较少。而，后者可以存在于任何场级，这也影响在操作期间HVDC电缆的绝缘中的电场分布。证据表明，绝缘材料的非线性特性对空间电荷极化动态过程和HVDC电缆去极化的影响对于新绝缘材料的开发至关重要。文采用Comsol Multiphysics多物理耦合软件模拟不同非线性电导特性对HVDC电缆绝缘中空间电荷极化和去极化动态过程的影响。真模型建立模型为了研究介质电导的非线性特性对空间电荷极化动力学和电缆HVDC绝缘中的消偏振的影响，参考典型结构320 kV，500 MW直流电缆[19]，简化了。
立了HVDC电缆的仿真模型，如图1所示：模型的内部电极半径为26 mm，绝缘支撑的厚度为24 mm，外部电极的半径52毫米材料特性，边界条件和加载方法材料特性模型各部分的材料特性如表1所示。度场的确定将导致电缆绝缘层的温度梯度在实际的HVDC电缆操作中加热导体芯。了使模拟条件更接近实际情况，模型中的温度边界条件定义如表2所示。中：Rin Rout分别是内电极和外电极的半径; r是绝缘介质中任何点的半径。该文章中，ΔT= 30K，绝缘介质中相应温度的分布曲线示于图3中。1.通过将外电极接地来确定电场的边界条件，并且通过由以下等式确定的激励电压施加内电极。值分辨率方法使用COMSOL Multiphysics软件中的瞬态解算器，有限元软件来求解模型，主要是用数值求解泊松方程。数字解决方案过程中，空间网格单元的大小和时间步长是影响解决方案准确性的关键因素。在计算区域上执行三角测量时，划分单元的最大尺寸设置为0.2mm。于极化和去极化达到其稳定状态的过程，计算时间为1，400，000，其中前400，000是极化过程，最后1，000，000是去极化过程。了保证计算的准确性并减少计算时间，计算步骤由时间的划分来定义。体参数如表3所示。间电荷的计算COMSOL Multiphysics的有限元软件可以直接提供空间电荷密度ρ的时空分布，但由于模型误差（由极限网格的细度决定），电极极限处电荷密度ρ的分布明显不符合物理事实。此，根据电位移D的全球时空分布，通过线性插值和电荷密度的时空分布来计算受模型误差影响的电极附近的电位移D.然后计算空间ρ。体关系是空间电荷极化设定过程。导激活能对空间电荷极化过程的影响电导率方程（1）的各种参数在文献[20]中给出：A = 3.2788 1 V / （Ω·m2），B = 2.77×10-7 m / V.在ΔT= 30 K和U0 = 300 kV的条件下，只有电导的活化能φe变为0.5，分别为0.52，0.54，0.56，0.58和0.6eV，因此在不同的电导率激活能量下模拟介电常数。此过程中电场密度和空间电荷的空间和时间分布，典型结果如图3和图4所示。相似的温度和场条件下，电荷密度值空间与文献[21-22]中测量的空间大小相同。3和图4示出了由于在极化过程期间存在温度梯度，电场在稳态下反转（电缆绝缘中的电场具有低且高的内部外部分布。久模式）和空间电荷随时间而变化。淀现象，即空间电荷密度首先随极化时间增加，然后减小，变成趋于稳定状态值的非单调现象。
化过程中空间电荷的产生是空间中介电常数梯度分布的结果。同位置的电荷密度随时间变化的变化由下式确定[ 20]：空间电荷的动态行为在很大程度上取决于弛豫时间的时空。布图5显示了根据计算的弛豫时间τ（t，r）的典型时空分布。图5中可以看出，介质的动态弛豫时间在径向的任何时刻都具有低和高的内部外部分布;施加电压的初始动态弛豫时间的空间分布梯度大于静止状态下动态弛豫的动态时间空间分布梯度。正极性电压施加到内部电极时，带正电的载流子从内部电极迁移到外部电极。内部导体的弛豫时间小于内部电极的弛豫时间时 Δr，r处的电荷转移率大于r Δr。荷转移率，从而形成正空间电荷累积，而正电荷累积又降低r处的电场，并且电导率降低，载流子迁移率降低这是一个负反馈过程，所以最终达到平衡状态。间电荷密度“溢出”行为的整体表现[24]。同电导激活能量下相应绝缘介质中稳定空间电荷密度的平均值如图4所示。
图6中可知，随着电导的激活能量增加，绝缘介质中静止状态下的空间电荷累积量线性增加。了清楚地反映不同电导激活能量对电介质中空间电荷极化过程的影响，在绝缘介质水平上提取空间电荷密度r = 26.2 ，38，49.8毫米，空间电荷密度随时间变化。图7和7所示，图6和图7显示激活能量越高，“空间电荷”溢出现象越慢，“峰值”峰值越大。“溢出”很重要，稳定的空间电荷密度越重要。自跳跃电导模型的电导率公式（1）的活化能φe直接影响μ载流子的迁移率[25]。相同的激发条件下，活化能越高，迁移率和外界越低。发响应越慢，空间电荷“溢出负载”越慢，激活能越大，电导率受温度影响越大，电导率梯度越高。相同的温度梯度下形成。过等式（5）获得的极化空间电荷的大和平衡值：从等式（7），稳态下的空间电荷密度与时间梯度成比例放松，电导率梯度越高，弛豫时间梯度越重要。
此，活化能越高，电介质中的空间电荷密度越高。极化过程中提取绝缘介质的每单位长度的吸收电流（总极化电流减去导电电流），并获得作为时间和半衰期（所需时间）的函数的吸收电流曲线这样吸收电流减小了初始值的一半，如图4所示。8.显示。前的半衰期可以反映极化过程（去极化）达到平衡的速率。在图7中可以看到的，激活能量增加，吸收电流减小并且极化达到稳定状态所需的时间增加。也是由于以下事实：电导的活化能增加以降低佩戴者的移动性，在相同外部条件下的导电性降低，电流密度降低并且佩戴者的移动性是也减少了，所以极化达到稳定状态所需的时间增加了。ΔT= 30 K，U0 = 300 kV，A = 3，278的前提下，电场依赖系数对空间电荷极化过程的影响由电场依赖系数B修正。1 V /（Ω·m2），e = 0.56 eV。拟在以下条件下进行：1.27×10-7，1.77×10-7，2.27×10-7，2.77×10-7，3.27×10-7和3.77×10-7（单位：m / V）。获得不同的电场依赖系数时，获得电场的空间和时间分布以及相应绝缘介质中的空间电荷密度（典型结果显示在图9和10中）。较图9与图3，图10和图4，可以看出，电场依赖系数B的增加缓和了由温度梯度引起的电场反转程度。缘介质并降低绝缘中的总空间电荷密度。可以通过图2的稳态平均空间电荷密度和电场依赖系数之间的关系更清楚地反映出来。12是当空间电荷密度在r = 26.2mm，r = 38mm和r = 49时被提取时空间电荷密度与时间的关系图， 8毫米。图12中可以看出，电场依赖系数的增加抑制了空间电荷的“溢出”行为，减少了绝缘介质中的总空间电荷累积并减少了极化达到稳定状态所需的时间。依赖系数的电场的增加有助于电场在绝缘介质[26-27]的均匀分布，从而在绝缘介质中的电场模式的斜率在径向方向上，这允许减小缓和空间电荷密度的动态变化。
13是表示在不同的电场依赖性系数下，
矿用电缆 绝缘介质中吸收电流随时间的变化及其半衰期的曲线图。图13中可以看出，电场依赖系数越大，相应的偏置电流越大，并且极化达到稳态所需的时间越短。际上，当对电场的依赖系数增加时，对应于绝缘介质的电导率在相同的外部条件下增加[26-27]。间电荷去极化耗散过程电导激活能量对空间电荷去极化过程的影响将脚趾电导的激活能量改变为0，分别为5，0.52，0.54，0.56，0.58和0.6eV，其他条件与极化过程相同。不同的电导激活能量下，在绝缘介质的去极化过程中获得电场的时空分布和空间电荷密度（图14和15中所示的典型结果）。
去极化过程中，发生空间电荷现象“反极性超限”，即内部电极附近的空间电荷不随时间单调减小到零，但反极性的峰值出现然后降低到零。极化过程的“反极性超限”回应极化过程的“溢出”，并且“反极性超限”总是由动态弛豫时间的时空分布决定。于去极化过程中电极附近的反向电场，发生“反极性超限”。16显示了不同激活能量对不同位置的空间电荷去极化动态特性的影响。图中可以看出，在去极化过程中，电导率的激活能对空间电荷中“反极性超限”现象的影响与极化过程相容;也就是说，激活能越高，空间电荷现象就越反转。速越大，“反极性超限”的峰值越大。极化电流密度曲线与时间的关系以及去极化电流半衰期和激活能量也可从图17中得知。间电荷的去极化过程的激活与极化过程的激活相同。场依赖系数对空间电荷去极化过程的影响改变了电场B的依赖系数，即1.27×10-7，1.77×10-7 ，分别为2.27×10-7，2.77×10-7，3.27×10-。
图7和3.77×10-7（单位：m / V）中，其他条件对应于相同的极化过程。这些条件下，模拟显示电场密度和空间电荷的典型的时空分布在图4中示出。照图18和图18。图显示了20个不同的电场依赖系数对不同位置的空间电荷去极化的动态特性的影响。图20中可以看出，改变电场依赖系数对空间电荷的“反极性超限”现象的影响与极化过程兼容，即，也就是说，电场依赖系数的增加抑制了空间电荷的“反极性超限”行为，并且缩短了去极化达到稳定状态所需的时间。图21中不同电场依赖系数的去极化电流及其半衰期曲线可以看出，电场依赖系数对电场的极化和去极化具有相同的影响。间费用。论利用COMSOL软件模拟给定结构下HVDC电缆中电缆绝缘空间电荷的极化和消极化动力学，应用激励形状和绝缘温度梯度，得出以下结论：降低绝缘材料电导率的激活能量可以减少极化期间介质介质中非线性电导引起的空间电荷累积，并抑制其行为在极化和去极化期间超过“和”反转空间电荷的极性“。少去极化达到平衡所需的时间;）增加电场依赖系数也可以减少空间电荷累积并抑制“溢出”和“反极性” “在空间电荷的极化和去极化过程中。“打孔”，缩短极化和去极化达到稳定状态所需的时间。考文献：[1]在中国电机工程学报，2012，32中国[J]论文集直流电网（13）的应用前景的文佳良吴瑞鹏昌等人分析：7.WEN佳良武瑞，在中国电机工程学报，2012，32中国分析[J]论文集彭长DC网络前景（13）：7。2]张炜，茶君威汪司朕和其他材料的发展直流高压绝缘透视[J]。缘材料，2016，49（2）：1。冲，朱俊伟，王思娇等，高压直流电缆绝缘子的发展与展望[J]。缘子，2016，49（2）：1。3]何金良，党斌，周伟等，高压挤压直流电缆的研究进展与关键技术[J]。电压技术，2015年，41（5）：1417 SE金良，党斌，周尧和研究，并在高压直流输电[J]挤压电缆关键技术进展等研究。压工程，2015，41（5）：1417。4]吴浩，陈浩，王霞及其同事，梯度下电缆绝缘空间电荷特性研究现状温度[J]。缘材料，2012，
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