温度梯度对直流绝缘破坏机理的影响及材料改性的研究

1、研究意义：随着我国直流输电的发展，研制国产超高压直流电缆势在必行，制造超高压直流电缆的主要困难是空间电荷效应。虽然国内外对绝缘中的空间电荷进行了大量研究，但几乎没有考虑电缆中温度梯度场对直流绝缘破坏机理的影响，温度梯度的存在必然影响电荷的注入和迁移，影响空间电荷的分布。因此，研究温度梯度场下直流绝缘中空间电荷分布及场强畸变特性，考虑绝缘的破坏机理，通过材料改性，消除空间电荷对绝缘破坏的影响，具有重大的工程应用价值和较高的学术水平。.2、研究内容：(1)在广宽的直流电场强度范围内研究电荷注入阈值与温度梯度的关系。(2)在温度梯度下研究绝缘中空间电荷自身反电场击穿机理。(3)通过材料改性，消除或削弱温度梯度下材料中电荷积聚和场强畸变。(4)进行不同温度下聚合物材料及改性材料的电老化实验，验证改性方法提高材料长期老化寿命的可行性。

随着我国直流输电的发展，研制国产超高压直流电缆势在必行。制造超高压直流塑料电缆的主要困难是消除体内的空间电荷效应，虽然国内外对绝缘中的空间电荷进行了大量研究，但几乎没有考虑实际电缆运行中温度梯度场对直流绝缘破坏机理的影响。温度梯度的存在必然影响电荷的注入和迁移，影响空间电荷的分布。.本项目的研究内容是针对高压直流电缆运行中温度梯度效应引起的空间电荷积聚对绝缘的老化破坏作用，测量了不同温度梯度、不同直流电场下聚合物绝缘材料内部空间电荷积聚和场强畸变特性；研究了温度梯度场下电压极性反转过程中聚合物绝缘材料内部空间电荷对电场分布的影响；及合理选用纳米粒子改性聚乙烯绝缘，消弱温度梯度场下聚合物材料中电荷积聚和场强畸变特性。同时进行温度梯度下聚合物材料及改性材料的长期电老化实验，验证改性方法提高材料长期老化寿命的可行性，使改性材料在高压直流电缆绝缘方面具有实用价值。.本项目取得的成果主要有：(1) 完善了高直流电场－高温度梯度场协同下电声脉冲（PEA）法空间电荷测量设备，最高外施直流电压达40kV，上下电极最高温差达70Cº。该温度梯度用PEA测量系统已经申请了国家发明专利；(2) 根据温度梯度场导致声波梯度场对电荷分布的畸变特性，提出了温度梯度场下聚合物中空间电荷测量波形的校正方法；(3) 温度梯度场－直流电场协同作用下聚乙烯中空间电荷测量结果表明：试样两侧温度差或场强越高，低温侧场强畸变越严重。当试样两侧温差为40Cº，直流电场70kV/mm场强作用时，低温测最大场强达252 kV/mm，超过平均场强3倍。(4)揭示了温度梯度场下极性反转过程中最大场强对电压极性的依赖性；另外，室温下电压极性反转越慢，聚乙烯体内出现的最大畸变场强越小；而温差下电压极性反转越慢，聚乙烯体内出现的最大畸变场强越大。(5)寻找到适用于高压直流电缆用纳米粒子添加剂，该纳米粒子能有效抑制温度梯度场下聚乙烯绝缘中空间电荷积聚和电场畸变特性，降低了聚乙烯电阻率对温度的依赖性。该改性配方有望用于国产高压直流电缆绝缘料的研发。