油紙絕緣介質(zhì)的直流空間電荷特性研究.pdf

1、伴隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力消耗增長率連續(xù)3年超過14％，輸電線路總長度和輸送容量均居世界前列。與此同時，我國超高壓直流輸電工程的設(shè)計建設(shè)、運行管理水平也得到很大提升。到2020年，中國將建成15個特高壓直流輸電工程，并成為世界上擁有直流輸電工程數(shù)量最多、輸送線路最長、容量最大的國家。高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展不斷在提升著對直流電力設(shè)備運行安全的要求。油紙混合絕緣介質(zhì)作為許多關(guān)鍵直流輸電設(shè)備的主要絕緣材料，其空間電荷特性既影響材料的介

2、電強度，誘發(fā)局部放電通道的形成，是制約電介質(zhì)材料絕緣介電強度的主要因素，又關(guān)系著直流輸電設(shè)備運行穩(wěn)定性和可靠性。因此，油紙絕緣介質(zhì)空間電荷特性的研究對提高絕緣材料的物理化學性能及其電氣性能，提高直流輸電設(shè)備運行可靠性，保證整個直流輸電網(wǎng)絡(luò)安全運行都有著十分重要的意義。
　　 為此，本文在分析借鑒國內(nèi)外對聚合物材料空間電荷特性研究的基礎(chǔ)上，充分考慮油紙絕緣材料的實際運行條件，基于電聲脈沖法測量空間電荷的原理，較為系統(tǒng)地研究了油紙混

3、合絕緣材料的直流空間電荷特性。深入分析了不同外加直流電壓、不同測試溫度、不同絕緣紙層數(shù)、不同熱老化程度等條件下，油紙介質(zhì)的空間電荷注入、遷移、匯聚規(guī)律；對比分析了不同情況下油紙介質(zhì)內(nèi)部注入空間電荷量、電荷遷移運動速率以及空間電荷分布位置等參量的變化規(guī)律及影響機制；基于等溫衰減電流原理，根據(jù)電聲脈沖法測得的空間電荷密度衰減特性，計算了油紙介質(zhì)內(nèi)部陷阱能級分布；基于從頭算分子動力學算法，根據(jù)水、酸對絕緣紙纖維素影響機制的模擬結(jié)果建立六種纖維

4、素缺陷模型，并根據(jù)量子化學的密度泛函理論，采用分子模擬軟件(Material Studio)模擬計算了帶有化學結(jié)構(gòu)缺陷的纖維素空間電荷陷阱深度。本論文取得的主要研究成果有：
　　 ①首次得到了在不同外加直流電場、不同測試溫度、不同絕緣紙層數(shù)、不同熱老化程度等多種條件下，油紙介質(zhì)的空間電荷注入、遷移、匯聚規(guī)律，以及上述條件對油紙介質(zhì)內(nèi)部空間電荷特性的影響機制。
　　 在多種不同情況下，油紙介質(zhì)內(nèi)部均會發(fā)生明顯的同極性電荷注

5、入現(xiàn)象；多層油紙介質(zhì)的層間交界面處易匯聚正電荷，其具體匯聚的部位受溫度、熱老化程度的影響；油紙介質(zhì)內(nèi)部注入空間電荷量、電荷運動速率以及空間電荷分布位置受到外加直流電場、測試溫度、油紙老化程度等因素的影響，外加直流電壓主要影響注入及匯聚的空間電荷量，而測試溫度則影響電荷遷移運動速率及空間電荷分布位置，熱老化能夠明顯加速正電荷的初始注入量、注入深度、局部匯聚量；油紙介質(zhì)的空間電荷消散過程呈現(xiàn)明顯的指數(shù)衰減規(guī)律。
　　 ②油紙絕緣介質(zhì)

6、在不同老化程度下的微區(qū)形貌特性研究表明，油紙絕緣纖維表面的粗糙度在熱老化后有明顯的增大趨勢，固體絕緣表面的帶電程度增大，紙板聚集電荷的能力提高。
　　 ③首次得到了油紙混合絕緣介質(zhì)在加壓(去壓)過程中總電荷量隨時間變化的指數(shù)增加(衰減)公式，y=±A·e(-t/τ)+B，為實現(xiàn)對油紙介質(zhì)內(nèi)部空間電荷特性的預測和模擬奠定了基礎(chǔ)。
　　 ④通過對直流條件下油浸絕緣紙空間電荷的特征量提取和相關(guān)機理分析，得到了在不同外界條件下的

7、總電荷量、電荷視在遷移率、陷阱能級分布等重要特征參數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，通過電聲脈沖法測得油紙介質(zhì)內(nèi)部電荷衰減曲線，并獲得其衰減時間常數(shù)，便可求得其內(nèi)部陷阱能級分布。
　　 ⑤采用分子模擬技術(shù)，基于從頭算分子動力學算法，首次在水、酸對絕緣紙纖維素影響機制模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了六種缺陷纖維素模型。根據(jù)量子化學的密度泛函理論模擬計算了這些帶有化學結(jié)構(gòu)缺陷的纖維素空間電荷陷阱深度。提出絕緣紙的改性建議：加強對纖維素葡萄糖單體上