Life Estimation of HVDC Cable Insulation under Load Cycles: from Macroscopic to Microscopic Charge Conduction Modelling

📄 arXiv: 2510.02866v1 📥 PDF

作者: Bassel Diban, Giovanni Mazzanti

分类: eess.SY

发布日期: 2025-10-03

DOI: 10.1109/TDEI.2025.3645749

💡 一句话要点

首次引入微观电荷传导模型，提升HVDC电缆绝缘寿命评估精度

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: HVDC电缆 绝缘寿命评估 双极性电荷传输 微观模型 电场计算

📋 核心要点

  1. 现有HVDC电缆绝缘寿命评估方法依赖宏观模型，无法准确捕捉电荷行为的微观细节。
  2. 本文提出基于双极性电荷传输（BCT）的微观模型，更精细地模拟电荷传导和传输过程。
  3. 通过PEA测量优化模型参数，并集成到电场计算中，提升了寿命评估的准确性。

📝 摘要（中文）

本文在HVDC电缆绝缘寿命评估方面向前迈进了一步，首次引入了电荷传导和传输的微观模型，即双极性电荷传输（BCT）模型，用于计算绝缘层内的电场。首先，本文开发并验证了BCT模型，并与文献中的结果进行了比较。然后，利用脉冲静电声（PEA）空间电荷测量优化了所开发的BCT模型的参数。随后，将开发、验证和优化的模型集成到500 kV DC-XLPE绝缘电缆的电场计算中，该电缆根据Cigre技术手册852进行了型式试验负载循环。将开发的微观模型与文献中已有的宏观模型进行了比较。微观模型显示出与宏观模型相似的电场反转。然而，在加热和冷却负载循环下，微观模型的行为表现出不同。在热电缆中，两种模型中最大电场在绝缘层内的不同幅度和位置稳定。这项研究是在HEU-NEWGEN研究项目的框架内进行的。

🔬 方法详解

问题定义：HVDC电缆绝缘在负载循环下会受到电场和温度的双重影响，导致绝缘材料老化，最终影响电缆寿命。传统的寿命评估方法主要依赖宏观模型，这些模型简化了电荷的传导和传输过程，无法准确反映绝缘层内部电荷的微观行为，尤其是在温度变化剧烈的情况下。因此，需要更精细的模型来准确预测电缆绝缘的寿命。

核心思路：本文的核心思路是引入双极性电荷传输（BCT）的微观模型，该模型能够更详细地描述电荷在绝缘材料中的产生、迁移和复合过程。通过考虑电荷的极性、迁移率、陷阱能级等微观参数，BCT模型能够更准确地模拟电场分布，从而更精确地预测绝缘材料的老化速率和寿命。这种方法能够捕捉到宏观模型无法反映的电荷积累和电场畸变现象。

技术框架：整体流程包括以下几个主要阶段：1) BCT模型的开发和验证：基于物理原理构建BCT模型，并与已有的文献结果进行对比验证，确保模型的正确性。2) 模型参数优化：利用脉冲静电声（PEA）空间电荷测量技术获取实验数据，然后使用优化算法调整BCT模型的参数，使模型能够更好地拟合实验数据。3) 电场计算与寿命评估：将优化后的BCT模型集成到电场计算中，模拟500 kV DC-XLPE绝缘电缆在型式试验负载循环下的电场分布。4) 模型对比分析：将BCT模型的计算结果与宏观模型的结果进行对比，分析两种模型在不同负载条件下的差异。

关键创新：最重要的技术创新点在于首次将微观的BCT模型应用于HVDC电缆绝缘寿命的评估。与传统的宏观模型相比，BCT模型能够更精细地描述电荷的传导和传输过程，从而更准确地预测电场分布和绝缘材料的老化速率。这种方法能够捕捉到宏观模型无法反映的电荷积累和电场畸变现象，提高了寿命评估的准确性。

关键设计：BCT模型涉及多个关键参数，包括正负电荷的迁移率、陷阱能级、产生率和复合率等。这些参数的设置直接影响模型的计算结果。本文利用PEA测量数据，通过优化算法（具体算法未知）来调整这些参数，使模型能够更好地拟合实验数据。此外，电场计算采用有限元方法（具体实现未知），需要合理设置网格大小和边界条件，以保证计算的精度和效率。

📊 实验亮点

研究结果表明，微观BCT模型能够模拟出与宏观模型相似的电场反转现象。然而，在加热和冷却负载循环下，两种模型的行为表现出显著差异。在热电缆中，BCT模型显示最大电场在绝缘层内的幅度和位置与宏观模型不同，这表明BCT模型能够捕捉到宏观模型无法反映的电荷行为细节。具体的性能数据和提升幅度未知。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于HVDC电缆的设计、运行和维护。通过更准确地评估电缆绝缘寿命，可以优化电缆的设计参数，提高电缆的可靠性和安全性。此外，该模型还可以用于预测电缆在不同运行条件下的老化状态，为电缆的维护提供指导，降低电网的运行风险。

📄 摘要（原文）

This paper goes one step forward in the life estimation of HVDC cable insulation under load cycles by introducing for the first time a microscopic model of charge conduction and transport i.e., Bipolar Charge Transport BCT model for electric field calculation inside the insulation thickness. The paper firstly includes the development and the validation of BCT model with that found in literature. Then, the parameters of the developed BCT model are optimized using Pulsed Electro-Acoustic PEA space charge measurements. Followed by the integration of the developed, validated and optimized model into the electric field calculation for life estimation of a 500 kV DC-XLPE insulated cable subjected to Type Test load cycles according to Cigre Techical Brochure 852. The developed microscopic model is compared to the macroscopic models already found in the literature. The microscopic model shows a comparable electric field inversion similarly to macroscopic models. However, the behavior of the microscopic model is noticed to be different under heating and cooling load cycles. In hot cable, the maximum electric field stabilizes at different amplitude and position inside the insulation thickness in both models. This investigation has been carried out in the framework of the HEU-NEWGEN research project.