CN113567769A

CN113567769A - 基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法

Info

Publication number: CN113567769A
Application number: CN202110801488.8A
Authority: CN
Inventors: 苏芮; 陈亮; 余莉; 陈炜峰; 贾周
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2041-07-15
Also published as: CN113567769B

Abstract

本发明涉及一种基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，属于高压直流电缆绝缘领域。本发明通过实验设计和空间电荷测量，排除高压直流电缆绝缘层中杂质离子对空间电荷的贡献，获得不同半导电屏蔽材料注入电荷特性。对比不同半导电屏蔽材料注入体电流密度的电场和温度特性，选用相同条件下注入电流密度低且注入电流密度随电场强度和温度变化发生较小变化的材料作为高压直流电缆的半导电屏蔽材料。本发明可提高电缆的安全性和使用寿命，具有显著的安全效益和经济效益。

Description

基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法

技术领域

本发明涉及一种基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，属于高压直流电缆绝缘领域。

背景技术

为改善电缆绝缘层中电场分布并防止导体与绝缘层之间的气隙引发局部放电和电树枝生长，通常在电缆导体和绝缘层之间加入半导电屏蔽层。半导电屏蔽层需要与绝缘层介质的加工工艺参数相匹配，还需要具有高电导率、优良的力学性能和热延伸能力。与交流电缆不同，直流电缆绝缘层中容易积聚空间电荷，导致电场畸变，进一步地引发绝缘击穿、加速绝缘老化。半导电屏蔽层注入电荷是高压直流电缆绝缘层中空间电荷的重要来源，因此选用注入电荷量少的半导电屏蔽材料对高压直流电缆的长期安全稳定运行十分重要。

目前，半导电屏蔽层注入电荷特性的表征主要是通过测量高压直流电缆绝缘材料中空间电荷积聚特性实现的，它不仅有半导电屏蔽层注入电荷的贡献，还包含高压直流电缆绝缘材料中杂质离子以及电极抽出势垒对空间电荷的作用，因此不能准确地表征电缆半导电屏蔽材料注入电荷特性，作为高压直流电缆半导电屏蔽材料的选用依据也不够完善。

因此，有必要针对高压直流电缆的结构特点和运行条件，为高压直流电缆半导电屏蔽材料的选择提供一种导向性方法。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明提出了一种基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，包括以下步骤：

1)试样的准备与处理：采用同一种高压直流电缆绝缘材料，搭配三种不同的半导电屏蔽材料，制备试样并进行预处理；

2)电极单极性电荷注入实验：分别以三种半导电屏蔽材料作为上电极，对试样一进行空间电荷测量，获得电极注入电荷和杂质离子在高压直流电缆绝缘材料中共同迁移产生的体电流密度-电场特性；

3)电极注入双阻挡实验：分别以三种半导电屏蔽材料作为上电极，对试样二进行空间电荷测量，获得高压直流电缆绝缘材料内部杂质离子迁移产生的体电流密度-电场特性；

4)半导电屏蔽材料注入电荷特性表征：根据电极单极性电荷注入实验和电极注入双阻挡实验获得的体电流密度-电场特性，计算获得三种半导电屏蔽材料注入电荷特性；

5)半导电屏蔽材料的选择：对比三种半导电屏蔽材料注入电荷特性，选择注入电流密度低且注入电流密度随电场强度和温度变化发生较小变化的半导电屏蔽材料为最优材料。

其中，步骤2)所述的试样一为高压直流电缆绝缘材料与阻挡层材料热压后形成的双层介质试样，测试时阻挡层材料与下电极接触，高压直流电缆绝缘材料与半导电屏蔽材料电极接触。

其中，步骤3)所述的试样二为高压直流电缆绝缘材料与阻挡层材料热压后形成的三层介质试样，即阻挡层材料/高压直流电缆绝缘材料/阻挡层材料，其中两层阻挡层材料分别与上下电极接触。

进一步地，步骤2)和步骤3)所述的空间电荷测量采用电声脉冲法实现，将被测试样置于上下电极之间，在恒定温度下施加直流电场后测量试样体内空间电荷积聚特性。

其中，步骤2)和步骤3)所述的体电流密度-电场特性通过以下计算获得：首先，计算施加直流电场过程中直流电缆绝缘材料体内电荷量Q₂(t)和Q₃(t)以及电荷积聚速率dQ₂(t)/dt和dQ₃(t)/dt，然后利用泊松方程获得不同时刻高压直流电缆绝缘材料体内平均电场强度E(t)，最后利用加压时间为中间变量实现电荷积聚速率与电场强度的联系，即体电流密度-电场强度特性dQ₂(E)/dt(E)和dQ₃(E)/dt(E)。

进一步地，步骤4)所述的半导电屏蔽材料注入电荷特性通过以下计算获得：将步骤2)获得的电极注入电荷和杂质离子共同迁移产生的体电流密度-电场特性dQ₂(E)/dt(E)减去步骤3)获得的高压直流电缆绝缘材料内部杂质离子迁移产生的体电流密度-电场特性dQ₃(E)/dt(E)，即可获得半导电屏蔽材料注入电荷特性。

为选出适用于不同环境温度的半导电屏蔽材料，步骤4)和步骤5)之间还包括以下步骤：在不同的温度下重复步骤2)、3)和4)，获得不同温度下半导电屏蔽材料注入电荷特性。

由于绝缘材料中体电流密度J为电荷浓度ρ、电荷迁移率μ和电场强度E之积，即J＝ρμE。对于同一种高压直流电缆绝缘材料，相同条件下的电荷迁移率一定，因此在相同的电场强度下体电流密度与电荷浓度等效，用体电流密度表征电极注入电荷特性是有效的。

进一步地，通过对比不同半导电屏蔽材料作为电极的注入电荷特性，包括体电流密度的电场和温度特性，选用最优的采用作为适用于高压直流电缆的半导电屏蔽材料，即相同条件下注入电流密度低且注入电流密度随电场强度和温度变化发生较小变化的半导电屏蔽材料。

本发明的有益效果如下：

本发明针对高压直流电缆的结构特点和运行条件，为高压直流电缆半导电屏蔽材料的选择提供一种导向性方法，通过对比不同半导电屏蔽材料作为电极注入电荷的特性，选用注入电流密度低且注入电流密度随电场强度和温度变化发生较小变化的半导电屏蔽材料用于高压直流电缆，能够有效减少高压直流电缆绝缘层中积聚的空间电荷，进而降低绝缘层中电场畸变率，提高电缆的安全性和使用寿命，具有显著的安全效益和经济效益。

附图说明：

图1为本发明的基于电荷注入特性表征的高压直流电缆半导电屏蔽材料选用方法的流程示意图。

图2为本发明的电极单极性电荷注入实验原理示意图。

图3为本发明的电极注入双阻挡实验原理示意图。

图4为本发明的电声脉冲法空间电荷测量系统示意图。

具体实施方式：

下面结合本发明的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种基于电荷注入特性表征的高压直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，包括以下步骤：

1)试样的准备与处理：采用同一种高压直流电缆绝缘材料，如交联聚乙烯，搭配三种不同的半导电屏蔽材料，如添加不同炭黑含量的半导电屏蔽材料，制备试样并进行预处理；

其中，步骤2)所述的试样一具体为高压直流电缆绝缘材料与阻挡层材料热压后形成的双层介质试样，两层介质之间的气隙被消除，即空气层对界面电荷的影响被排除。测试时阻挡层材料与下电极接触，高压直流电缆绝缘材料与半导电屏蔽材料电极接触。

其中，步骤3)所述的试样二具体为高压直流电缆绝缘材料与阻挡层材料热压后形成的三层介质试样，即阻挡层材料/高压直流电缆绝缘材料/阻挡层材料，其中两层阻挡层材料分别与上下电极接触，两层介质界面处气隙对空间电荷积聚特性的影响也被排除。

根据空间电荷测量结果即可获得步骤2)和步骤3)所述的体电流密度-电场特性。计算方式如下：首先，计算施加直流电场过程中直流电缆绝缘材料体内电荷量Q₂(t)和Q₃(t)以及电荷积聚速率dQ₂(t)/dt和dQ₃(t)/dt，然后利用泊松方程获得不同时刻高压直流电缆绝缘材料体内平均电场强度E(t)，最后利用加压时间为中间变量实现电荷积聚速率与电场强度的联系，即体电流密度-电场强度特性dQ₂(E)/dt(E)和dQ₃(E)/dt(E)。

为获得半导电屏蔽材料注入电荷特性与温度的关系，步骤4)和步骤5)之间还包括以下步骤：在不同的温度下重复步骤2)、3)和4)，获得不同温度下半导电屏蔽材料注入电荷特性。最终获得不同温度和不同电场强度下半导电屏蔽材料的注入电荷特性。

最后，通过对比不同半导电屏蔽材料作为电极的注入电荷特性，包括体电流密度的电场和温度特性，选用最优的采用作为适用于高压直流电缆的半导电屏蔽材料，即相同条件下注入电流密度低且注入电流密度随电场强度和温度变化发生较小变化的半导电屏蔽材料。在此条件下，高压直流电缆绝缘层中注入和积聚的空间电荷减少，进而降低绝缘层中电场畸变率，减小击穿和电树枝发展等劣化概率，提高电缆的安全性和使用寿命，具有显著的安全效益和经济效益。

图2为电极单极性电荷注入实验原理示意图，其中阻挡层和绝缘材料组成的双层试样置于上下电极之间，上电极和绝缘材料之间插入半导电屏蔽层。在上下电极之间施加直流电压，在电场的作用下半导电屏蔽层向绝缘材料中注入电荷(图2以施加负极性电压为例)。在电场的作用下，电极注入的负极性载流子和负极性杂质离子向阻挡层方向迁移，由于阻挡层材料高的体电阻率而积聚在阻挡层和绝缘材料界面处。最终形成的空间电荷分布如图2下半部分所示，基于该空间电荷分布即可计算出绝缘材料体内电荷量和电荷积聚速度。

图3为本发明的电极注入双阻挡实验原理示意图，其中阻挡层/绝缘材料/阻挡层组成的三层试样置于上下电极之间。在上下电极之间施加直流电压(图3以施加负极性电压为例)，由于阻挡层材料电荷注入电场阈值高且体电阻率高，电极向阻挡层注入并迁移到绝缘材料的电荷浓度极小，可忽略不计。此时，绝缘材料内正负极性杂质离子在电场的作用下迁移，最终形成图3下半部分所示的空间电荷分布。基于该空间电荷分布即可计算出绝缘材料体内杂质离子浓度和积聚速率。

图4为本发明的电声脉冲法空间电荷测量系统示意图，该系统由电极系统、高压直流电源1、高压直流电源2、纳秒脉冲源、油浴循环系统、示波器和电脑组成。其中电极系统主要包括限流电阻R1、耦合电容C、匹配电阻R2、上电极、下电极、压电传稿器、吸收层和放大器；高压直流电源1提供直流电场；高压直流电源2为纳秒脉冲源提供电压；油浴循环系统用于测试温度的控制；示波器和电脑用于信号采集和处理。

Claims

1.一种基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，其特征在于，步骤2)所述的试样一为高压直流电缆绝缘材料与阻挡层材料热压后形成的双层介质试样，测试时阻挡层材料与下电极接触，高压直流电缆绝缘材料与半导电屏蔽材料电极接触。

3.根据权利要求1所述的基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，其特征在于，步骤3)所述的试样二为高压直流电缆绝缘材料与阻挡层材料热压后形成的三层介质试样，即阻挡层材料/高压直流电缆绝缘材料/阻挡层材料，其中两层阻挡层材料分别与上下电极接触。

4.根据权利要求1所述的基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，其特征在于，步骤2)和步骤3)所述的空间电荷测量采用电声脉冲法，将被测试样置于上下电极之间，在恒定温度下施加直流电场后测量试样体内空间电荷积聚特性。

5.根据权利要求1所述的基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，其特征在于，步骤2)和步骤3)所述的体电流密度-电场特性通过以下计算获得：首先，计算施加直流电场过程中直流电缆绝缘材料体内电荷量Q₂(t)和Q₃(t)以及电荷积聚速率dQ₂(t)/dt和dQ₃(t)/dt，然后利用泊松方程获得不同时刻高压直流电缆绝缘材料体内平均电场强度E(t)，最后利用加压时间为中间变量实现电荷积聚速率与电场强度的联系，即体电流密度-电场强度特性dQ₂(E)/dt(E)和dQ₃(E)/dt(E)。

6.根据权利要求5所述的基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，其特征在于，步骤4)所述的半导电屏蔽材料注入电荷特性表征通过以下计算获得：将步骤2)获得的电极注入电荷和杂质离子共同迁移产生的体电流密度-电场特性dQ₂(E)/dt(E)减去步骤3)获得的高压直流电缆绝缘材料内部杂质离子迁移产生的体电流密度-电场特性dQ₃(E)/dt(E)，即获得半导电屏蔽材料注入电荷特性。

7.根据权利要求1所述的基于电荷注入特性表征的直流电缆半导电屏蔽材料选用方法，其特征在于，步骤4)和步骤5)之间还包括以下步骤：在不同的温度下重复步骤2)、3)和4)，获得不同温度下半导电屏蔽材料注入电荷特性。