高压直流电缆绝缘寿命评估：从宏观到微观电荷传导模型的跨尺度研究

《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》：Life Estimation of HVDC Cable Insulation under Load Cycles: from Macroscopic to Microscopic Charge Conduction Modelling

本文针对高压直流(HVDC)电缆绝缘在负载循环下的寿命评估难题，研究人员首次将微观电荷传导模型——双极电荷传输(BCT)模型引入电场计算，通过脉冲电声法(PEA)空间电荷测量优化模型参数，在500 kV直流交联聚乙烯(DC-XLPE)电缆类型试验负载循环中实现寿命评估。结果表明微观模型能更精确表征电场反转特性，最大电场点稳定在绝缘厚度70%处，为HVDC电缆可靠性设计提供新视角。

　　

随着全球可再生能源并网需求的激增，高压直流(HVDC)电缆系统已成为跨区域电力传输的核心装备。然而，电缆绝缘在长期运行中需承受电-热-机械多应力耦合作用，其寿命评估始终是行业痛点。传统经验型电热寿命模型虽能直接估算绝缘寿命，但高度依赖绝缘层内温度与电场分布的精确计算——这恰如"黑箱"般难以直接观测。目前电场计算存在宏观与微观两种路径：宏观模型通过电导率与温度/电场的解析关系描述电荷行为，而微观模型则从物理本质刻画电荷注入、迁移、陷阱与复合等过程。尽管宏观模型已用于电缆寿命评估，但其忽略电荷动态记忆效应的缺陷可能影响评估精度。

为突破这一局限，博洛尼亚大学的Bassel Diban与Giovanni Mazzanti在《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》发表研究，首次将双极电荷传输(Bipolar Charge Transport, BCT)微观模型集成至HVDC电缆寿命评估流程。该研究通过四步构建新方法：首先基于文献案例开发BCT模型并验证其准确性；继而采用脉冲电声法(Pulsed Electro-Acoustic, PEA)对DC-XLPE薄片试样进行空间电荷测量，通过MATLAB优化算法匹配实验与仿真数据，获得优化模型参数；随后将模型应用于500 kV电缆在CIGRE TB 852标准类型试验负载循环中的电场计算；最后通过长时负载循环下的空间电荷实验验证模拟结果。

关键技术方法包括：1) 基于有限差分法(Finite Difference Method, FDM)的BCT模型数值求解，包含肖特基注入(式1)、跳跃式迁移(式2-3)及陷阱-复合动力学(式4-12)等物理过程；2) 结合电容电荷与镜像电荷修正的PEA数据预处理(式20-22)；3) 采用信赖域算法(trust-region algorithm)的多参数优化框架，以最小二乘法拟合实验与仿真电荷分布；4) 集成电热应力与 Miner累积损伤定律的寿命模型(式24-27)，计算负载循环下的寿命损失分布。

模型验证与参数优化方面，研究团队复现了文献中4.5 mm厚90 kV XLPE电缆的电场分布，最大电场误差仅2.5%。优化后的BCT参数显示电子与空穴的注入势垒(We_i=1.22 eV, Wh_i=1.20 eV)及迁移势垒(Wu_e=0.68 eV, Wu_h=0.68 eV)高度对称，与文献中非对称参数形成鲜明对比。这种对称性源于优化过程同时考虑了正负极性电压，减少了电极几何效应干扰。

电场分布特性研究发现，微观模型与宏观模型均呈现电场反转现象，但动态响应截然不同：在48小时负载循环中，宏观模型的电场分布在加热期(8 h)完全倒向外半导体层，冷却期(48 h)恢复内半导体层最大电场；而微观模型在首次加热后约7-9小时达到稳态，最大电场点稳定在绝缘半径70%位置，且冷却期几乎无变化。这种"记忆效应"源于BCT模型中的源项(式4-12)对电荷历史的记录，而宏观模型的电导率仅瞬时响应场强与温度。

寿命评估结果显示，基于BCT模型的电缆最小寿命点与最大电场点重合，位于绝缘厚度70%处，其类型试验期间寿命损失为13%，预期寿命远超试验时长。与宏观模型相比，微观模型更精确揭示了绝缘内部非线性空间电荷分布对寿命的影响机制，证实良好设计的HVDC电缆可通过类型试验考核。

讨论部分通过对比表III指出微观模型的核心优势：源项方程赋予电荷动态记忆能力，电导率取决于迁移率与电荷密度而非宏观经验公式，且能表征非线性空间电荷分布。实验验证表明，负载循环中扩散电流密度较漂移电流低3-9个数量级(图8)，证实漂移主导机制。作者强调，当前模型未考虑交联副产物离子电荷，未来需开发包含离子输运的扩展BCT模型，以适配实际电缆的复杂化学环境。

该研究首次实现微观电荷传导模型在全尺寸HVDC电缆寿命评估中的工程化应用，为绝缘材料设计、电场优化及可靠性评估提供了物理机理更清晰的仿真工具。其建立的"测量-优化-仿真-验证"技术路线，为新一代直流电缆绝缘系统的多物理场建模奠定方法论基础。