直流-脉冲复合场下高压直流电缆附件电树枝生长机理及抑制方法

High voltage direct current (HVDC) cable accessory is the weakness of HVDC cable system. The combined DC-pulse electric field generated by superposition of DC and overvoltage intensifies the electric field distortion in accessories, which can cause the electric tree and threaten the safety of DC cable. However, the aging mechanism and inhibition method of electrical tree under combined DC-pulse electric field are not clear. In this project, the characteristics and detectable parameters of the electrical tree in silicone rubber (SiR) under combined DC-pulse electric field will be studied to find the aging mechanism and key influencing parameters. Kinds of nanoparticles with different sizes and ratios will be filled into SiR. The effects of nanoparticles on the electric field and charge characteristics will be studied. The characteristics of electric tree in SiR nanocomposites under combined DC-pulse electric field will be studied. The mechanism of electrical tree inhibition will be revealed. The optimal parameters of SiR nanocomposites will be provided. The experimental and theoretical basis for the insulation design and operation of HVDC cable accessories will be established.

高压直流电缆附件是直流电缆系统的最薄弱环节，直流与过电压叠加产生的直流-脉冲复合场使附件内电场畸变加剧，易引发电树枝老化，严重威胁直流电缆的安全运行。而目前直流-脉冲复合场下电树枝老化机理及抑制方法尚不明确。本项目以直流电缆附件硅橡胶绝缘为对象，研究直流-脉冲复合场下硅橡胶电树枝老化过程的特征量及可检测参量的变化规律，获得电树枝老化机理及关键影响参数；研究不同纳米粒子种类、粒径及配比对硅橡胶纳米复合材料电场及电荷特性的影响规律，研究直流-脉冲复合场下硅橡胶纳米复合材料电树枝特性，揭示纳米填充对电树枝的抑制机理，获得可提高硅橡胶耐电树性能的纳米调控关键参数及最优参数配合，为直流电缆附件的绝缘设计及运行提供理论基础与实验依据。

电力作为关系国计民生的基础能源，是经济发展和社会进步的基础。基于高压直流电缆的新能源规模化接入和区域电网互联是电力系统发展的重要发展方向。其中，电缆附件是直流电缆系统的重要组成部分，也是其最薄弱环节，大部分电缆绝缘故障均发生于此。其原因在于电缆附件内部绝缘由多层固体复合介质组成，不同绝缘材料电导率的差异导致附件内部空间电荷积聚情况复杂且电场畸变严重，极易引发绝缘老化。研究电缆附件绝缘老化与击穿现象对保障高压直流电缆系统的安全稳定运行具有重要意义。.本项目针对以下内容展开了研究：.（1）直流-脉冲复合场下硅橡胶电树枝起始机理。以硅橡胶电树枝为研究对象，改变直流、脉冲复合电压参数（极性、幅值、波形等），分析了直流-脉冲复合电场下的电树枝起始规律及影响因素，研究发现空间电荷在暂态电场下的动态过程是引发电树枝的主要原因，且电树枝的起始特征存在明显的极性效应，直流预压时间的增长同样会导致同极性脉冲起始电压的降低，正极性脉冲电压将引发更为复杂的起始电树枝形态。.（2）直流脉冲复合场下电树枝生长特性研究。项目分析了硅橡胶及交联聚乙烯内的电树枝生长特性，发现了同极性直流与脉冲电场复合之后，任一组成部分的幅值增加都将增大电树枝生长速度和累积损伤，同时使击穿时间减小。对于异极性电场复合情况，随着直流幅值的增大，电树枝生长速度和累积损伤呈现增大后减小的非线性趋势。.（3）为实现对于硅橡胶内电树枝现象的有效抑制，项目组选用了具有较大比表面积的纳米颗粒，发现当在硅橡胶内添加较低浓度（0.003 wt%）石墨烯纳米片时，即可在复合材料内实现对于电树枝生长的有效抑制。.本项目研究成果有助于深入理解直流电缆绝缘内的电树枝生长特性及机理，同时可为直流电缆附件的绝缘设计及运行提供理论基础与实验依据。