高压直流电缆附件绝缘老化与破坏机理及抑制方法研究

High Voltage Direct Current (HVDC) cables are often the best option for long-distance, high-power underground or underwater transmission. Space and interface charges accumulated in HVDC cable accessory insulation would lead to the ageing and breakdown of insulating materials. The mechanism of the inhibition of space charge and the breakdown of insulating materials under electric, magnetic, thermo and stress field is not clear yet. The purpose of this project is to research and make new cable accessory insulation materials. The behavior (repose) of space and interface charges in accessory insulation materials will be investigated under the effects of external perturbations, such as electric, magnetic, thermo and stress field alone or in combination, thus establishing the physical models of space and interface charges. Different kinds of nanoparticles with special surface treatments will be filled into the polymer matrix to improve the performance under the multi-field. The dependence of the space charge, the internal electric field distribution and the conductivity of the HVDC cable accessory insulation materials upon the nano-particles will be achieved. The mechanism of the ageing and breakdown of insulating materials under the multi-field is obtained, and the physical models of the insulation ageing and breakdown process is founded, which establish the theoretical base to study the new insulating material.

高压直流电缆附件绝缘在电、磁、热、机多场作用下容易产生空间、界面电荷而导致绝缘老化与破坏现象。目前，直流电缆附件界面、空间电荷产生、抑制以及绝缘老化、破坏机理尚不明确，无法满足高压直流电缆输送电能的迫切需要。本项目以电缆附件绝缘为对象，研究电、磁、热、机多场单独和共同作用下空间及界面电荷产生、输运、积累及消散规律，研究稳态、暂态条件下电缆附件绝缘空间及界面电荷产生机理和演变规律，建立多场共同作用下空间和界面电荷物理模型；研究不同纳米粒子种类、晶型、粒径和添加浓度对纳米复合绝缘空间电荷、热场、电场和力学性能协同调控，得到多场共同作用下纳米调控对直流电缆附件电导率、空间电荷以及电场分布的影响规律；研究多场作用下纳米复合附件绝缘老化规律、破坏机理、击穿过程特征量及可检测参量的变化规律，建立多场作用下电缆附件绝缘老化与破坏、影响因素以及发展过程的物理模型，为开发高压直流电缆附件绝缘奠定理论基础。

高压直流电缆输电是解决新能源并网、偏远地区供电、海上供电、城网增容改造和改善配网电能质量的最佳手段。电缆附件是直流电缆输电系统中的关键部件和绝缘薄弱环节。目前我国电缆附件生产设计水平尚不成熟，所有高压直流电缆附件产品长期被国外厂家所垄断，高压直流电缆附件设计与制造已经成为了制约我国直流电缆输电发展的“卡脖子”关键技术难题。在直流电场作用下，电缆附件绝缘空间及界面电荷的注入和积累会导致绝缘介质局部电场发生畸变，进而引发局部放电和电树枝等老化破坏现象。因此，研究电、磁、热、机多场共同作用下直流电缆附件绝缘空间电荷、界面电荷和老化击穿机理是亟需解决的关键问题。.本项目提出了高压直流电缆附件绝缘空间及界面电荷动态特性精确测量方法，掌握了空间及界面电荷产生机理与演变规律，建立了电、磁、热、机多场共同作用下空间及界面电荷输运物理模型；提出了基于无机纳米复合与有机小分子复配的聚合物改性方法，实现了多物理场作用下直流电缆附件绝缘介电、空间电荷与热学性能的协同调控；获得多场共同作用下电缆附件绝缘老化发展直至绝缘击穿的演变规律，基于量子化学计算和分子动力学仿真方法揭示了绝缘材料老化破坏发展过程中微观层面的变化机理。获得主要成果如下：提出基于非线性电导复合绝缘的电缆附件电场分布与电荷输运特性调控方法，获得硅橡胶/SiC微、纳复合材料配方体系；基于量子化学计算和双极性电荷输运模型的数值模拟，提出CB纳米复合的EPDM/LDPE绝缘界面结构设计；提出功能化OVPOSS/EPDM纳米复合绝缘，获得OVPOSS抑制聚合物电树枝劣化的最优配方。.通过本项目研究，掌握了电、磁、热、机多场作用下电缆附件绝缘空间及界面电荷的产生、输运、积累及消散规律，揭示了多场共同作用下电缆附件绝缘老化、击穿机理及影响因素，提出了基于纳米复合的绝缘空间电荷和老化击穿协同调控方法。项目成果推动了±500 kV“张北柔性直流工程”建设实施，为我国高压直流电缆的自主创新发展奠定了基础。