非线性阻容结构在改善电场分布中的应用

1、非线性阻容结构在改善电场分布中的应用刘英，宫瑞磊，杨娟娟，曹晓珑电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安交通大学，西安，陕西，710049张进特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司，山东，271200摘要：目前，在高压电力设备中已经大量应用非线性电阻涂层来均匀绝缘表面上的电位分布。如果在非线性电阻层上再包覆一层具有高介电常数的电容带，整个结构承受高压的能力大大提高。本文研究了该复合结构在改善电场分布中的应用，不仅从理论上作了大量的模拟计算，而试验结果也为模拟计算提供了有力支持。关键词：非线性电阻；高介电常数电容带；复合结构；均匀电场；模拟计算1 前言 图1 SiC复合材料表面电阻率随电场的变化在各种绝缘

2、结构中，通常都存在着电场集中的现象。在这些电场集中的位置，极易发生电晕放电或局部放电，引起温度升高和绝缘老化，持续一段时间后，绝缘往往在这些点上被击穿，从而导致整个设备的损坏。因此，应用有效手段来改善电场分布，延长绝缘运行寿命就成了一个重要的研究课题。正是在这种背景下，SiC复合物被大量应用到高压电机的定子线圈端部，改善该处的电场分布。由于其操作简单，维护方便的特点，SiC的应用正在向其它领域扩展。 随着电力行业的发展，电力设备的容量越来越大，电压等级也越来越高。尽管SiC非线性电阻涂层可以有效改善高压设备绝缘表面的电场分布，它能够承受的电压却不能过高。在电阻层上再包裹具有高介电常数的电容带后

3、，我们发现，整个结构承受电压的能力大大提高，也就是说，电场分布得到了更为有效的改善。2 SiC复合物的性能SiC是一种具有非线性导电机理的半导电材料，其电阻率与外施场强的关系为1 (1)其中，是外加电场；是无外场时的电阻率；为非线性系数，代表SiC的电阻率随场强增加而下降的速率。和是表征SiC材料性能的两个重要参数。在我们的实验中，将SiC与其它材料按照一定比例混合后，得到其表面电阻率随电场变化的曲线如图1所示。显然，曲线与方程（1）能够很好的吻合。3 电路模拟对电缆终端，当我们在聚乙烯（PE）绝缘层上涂敷SiC非线性电阻层并再包绕高介电常数电容带后，其靠近接地法兰附近的等效电路如图2所示2-

4、3。在等效电路中，和分别为电缆绝缘的体积电容和电阻，和分别为电缆绝缘的表面电容和电阻，和分别是SiC涂层与电缆绝缘之间的电容和电阻，为SiC涂层的非线性表面电阻，和分别是电容带与SiC涂层之间的电容和电阻，和分别是电容带的表面电容和电阻。高压加在电缆线芯上，法兰接地。图2 电缆终端等效电路图为了获得理论上的支持，我们首先对等效电路的电压分布作了大量的模拟计算。在图2中，我们仅给出了电路的三个单元，在实际模拟计算的时候，我们取了七个单元。如果单元数再增多，工作量增加，对模拟结果影响却不大，实验发现，七个单元的模拟精度就足够了。我们假设(i=17)为一个恒定值，即认为电阻涂层的电阻率不具有非线性特

5、性，此时，我们可以得到在节点(18)上的电压分布如图3(a)中由正方形标志的曲线所示。接下来，在保持其它参数不变的情况下，认为(i=17)为一个随电场变化的量，并且认为越靠近法兰，即场强越强的地方，(i=17)的值越小；而离法兰越远，其值越大。例如，我们可以设定(i=17)，从而得到节点(18)上的电压分布如图3(a)中由三角形标志的曲线所示。图3 有电容带时的电压和场强分布图4 无电容带时的电压和场强分布认为两个节点之间的电压差为该两节点之间单元上的场强，得到沿电缆终端的场强分布如图3(b)所示。为了与没有高介电常数电容带时的电压和场强分布做比较，我们同样给出了在其它参数不变，仅去除电容带时

6、的电压和场强分布如图4所示。在比较这些曲线后我们可以得到如下结论：应用非线性电阻层是改善电场分布的一个有效途径，而非线性电阻加电容的阻容复合结构可以使电场分布更加均匀，从而提高电力设备所能承受的电压。4 电场模拟在电路模拟中，由于我们无法实现电阻的非线性，假定了一个(i=17)的关系，这实际上还是相当粗糙的。因此，我们采用变分方法和后退欧拉法推导了非线性电场计算的时域有限元格式，并利用时域有限元法分析了电缆终端含有不同应力控制结构时的电场分布特性。模拟计算结果如图5所示。(a) 电位分布(b) 场强分布图5 电缆终端表面的电压和场强分布1-含线性电阻层；2-含非线性电阻层；3-含非线性电阻和电

7、容复合结构很明显，电场模拟和电路模拟的结果吻合得很好，充分证明了非线性电阻和电容复合结构可以极大的改善电缆表面的轴向电场分布。5 试验试样由不锈钢管及挤出聚乙烯绝缘构成。为了均匀电场并且保护绝缘，在聚乙烯和钢管之间还有一层半导电层。然后，我们将配制好的SiC漆刷在聚乙烯上，待漆层干透后，再包绕电容带。处理后的试样其外观如图6所示。图6 试样外观对各种试样，我们在其中部绕上导电带充当接地法兰。高压加在不锈钢管与导电带之间，测试不同试样承受电压的能力。局部放电起始电压的测试结果见表1。表1 不同试样的局部放电起始电压试样局部放电起始电压 (kV)未处理1015加SiC涂层4050加SiC涂层和电容

8、带80100从表中的数据可以看出，在绝缘上刷上非线性电阻层后，局部放电起始电压有所升高；如果再绕上高介电常数的电容带，局部放电起始电压变得更高。很明显，由于应用了非线性阻容复合结构，电场集中的现象得到了很好的改善。除了局部放电起始电压，我们还测试了试样的损耗。当使用两电极系统时，在10kV以上的电压下，试样的介质损耗角正切值大于1%，有无电容带对这个结果几乎没有影响。也就是说，这个损耗是由SiC涂层造成的。但当我们使用三电极系统时，下降到一个低得多的值。要解释这个现象，并把降到可接受的范围，还需要做进一步的研究工作。6 结论非线性电阻和电容复合结构可以有效改善电场的分布。只要我们将非线性电阻和电容的参数进一步优化，并解决损耗问题，那么，这种结构将有可能很快被应用到大量的高压电力设备上，象电缆终端、电流互感器、套管等等。参考文献1 陈寿田, 巫松桢