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直流電纜電場分布的有限元分析

發布于:2023-06-06 19:16
有限元分析

      相對于高壓交流電纜,高壓直流電纜有輸電距離遠、便于電網連接、對環境影響小等優勢。作為海底輸電的最優選擇,直流電纜有利于控制溫室氣體排放的環境目標。因此,近年來研究人員對于高壓直流電纜的興趣越來越大。
      實際運行過程中,高壓直流電纜的絕緣層可能會有缺陷出現,其來源主要為兩個方面,即預先存在的缺陷和運行中新產生的缺陷。一方面,即使是剛剛出廠即將投入使用的高壓直流電纜,其內部也并非是毫無缺陷的,由于出廠時這些缺陷經檢測對電纜的影響符合工業標準要求,因而將其視為合格,但在運行過程中受到電場、溫度以及實際工作條件的影響,這些微小的缺陷可能慢慢發展成對電纜具有老化作用甚至破壞作用的缺陷;另一方面,在正常運行中可能產生新的缺陷,如對于油紙絕緣的高壓直流電纜在外施電壓發生較大變化(如電壓極性反轉或出現故障) ,導致電纜內部溫度尤其是靠近導體部分的溫度會發生較大變化時,根據熱脹冷縮原理,電纜內部原有缺陷的形狀可能發生畸變,并會產生新的單個或多個缺陷,此外高場強也是在運行過程中導致缺陷產生的重要因素,對此文獻中給出了絕緣材料中產生缺陷的臨界電場強度以及破壞性缺陷的尺寸。
      缺陷對于高壓直流電纜的影響分為兩個方面:一方面缺陷可能導致周圍絕緣體的電場分布發生畸變,進而影響絕緣材料的老化狀況;另一方面,由于缺陷內部材料的相對介電常數和電導率相對于周圍的絕緣材料都低,缺陷的出現會增強局部場強。同時,缺陷內部材料的絕緣強度低于周圍的絕緣材料,因此缺陷有優先被擊穿并發生局部放電的趨勢。在放電過程中缺陷電導率大大提高,并伴隨產生放電電流。               
      由于缺陷位于電纜內部且尺寸很小,且由電纜運行中產生的缺陷位置難以確定,因而運用實驗方法很難對缺陷進行研究。運用有限元仿真分析的方法,建立與實際情況相同的物理模型,對研究對象進行合理分割,對每個部分根據適當的算法進行分析計算是目前進行缺陷研究應用最為廣泛且行之有效的手段。本文應用有限元分析的方法研究缺陷對絕緣材料周圍電場強度的影響,并通過研究絕緣層溫差、缺陷位置以及尺寸等因素,得到了較為通用的直流電纜缺陷對電場畸變的計算公式。通過比較二維與三維建模結果,給出兩種模型的適用范圍。此外,通過對缺陷周圍電場強度的詳細研究,給出了電場線的分布情況以及缺陷的畸變范圍。              
      與交流設備相比,高壓直流電纜等非純電阻性高壓直流設備,內部的電場分布更加復雜。一方面,電容是決定交流設備電氣性能分布的決定性因素,而直流條件下電氣參數由電容和電阻共同決定;另一方面,材料的相對介電常數是不變的,而在直流條件下材料的電導率由局部的電場強度與溫度值所決定的,相對于電容值的計算,材料電阻值的計算更加復雜。                
      直流設備內部電場的激發過程可以分為4個階段,如圖所示。高壓直流設備經歷Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3 個階段達到穩態。外施電壓在階段Ⅰ達到了峰值,但直流設備的內部電場呈現純電容性分布的趨勢。在階段Ⅱ和Ⅲ,設備外加電壓是穩定的,設備內部電場在階段Ⅲ達到穩態并在這個階段遵從純電阻性分布。階段Ⅱ是過渡階段,設備內部電場分布由電容和電阻值共同決定。階段Ⅳ表示了直流電壓截止后的電壓過渡過程。外部電壓雖然已經截止并歸零,空間電荷的存在使得高壓直流設備內部依然有電場和電勢存在。隨著空間電荷的消散,設備內部電場減小,并在一段時間之后消失。
      本文對于缺陷的研究只關注于階段Ⅲ的情況,即穩態下缺陷對于局部電場和溫度的影響。                 
      從20 世紀40 年代起提出到現在,有限元分析( finite element analysis,FEA) 理論迅速發展,成為進行科學研究,解決數學、物理、工程中復雜的非線性以及多物理場耦合問題的重要工具。如今,FEA 在科研領域和工業生產領域已經得到了廣泛的應用,例如西門子公司研發的 PLM 軟件能夠利用有限元分析方法進行復雜的結構和物理場分析,并進行產品生命周期的管理計算。


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