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相對于高壓交流電纜，高壓直流電纜有輸電距離遠(yuǎn)、便于電網(wǎng)連接、對環(huán)境影響小等優(yōu)勢。作為海底輸電的最優(yōu)選擇，直流電纜有利于控制溫室氣體排放的環(huán)境目標(biāo)。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(xiàn)，其來源主要為兩個方面，即預(yù)先存在的缺陷和運行中新產(chǎn)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(nèi)部也并非是毫無缺陷的，由于出廠時這些缺陷經(jīng)檢測對電纜的影響符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(fā)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(chǎn)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(fā)生較大變化(如電壓極性反轉(zhuǎn)或出現(xiàn)故障) ，導(dǎo)致電纜內(nèi)部溫度尤其是靠近導(dǎo)體部分的溫度會發(fā)生較大變化時，根據(jù)熱脹冷縮原理，電纜內(nèi)部原有缺陷的形狀可能發(fā)生畸變，并會產(chǎn)生新的單個或多個缺陷，此外高場強(qiáng)也是在運行過程中導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的重要因素，對此文獻(xiàn)中給出了絕緣材料中產(chǎn)生缺陷的臨界電場強(qiáng)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(dǎo)致周圍絕緣體的電場分布發(fā)生畸變，進(jìn)而影響絕緣材料的老化狀況；另一方面，由于缺陷內(nèi)部材料的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率相對于周圍的絕緣材料都低，缺陷的出現(xiàn)會增強(qiáng)局部場強(qiáng)。同時，缺陷內(nèi)部材料的絕緣強(qiáng)度低于周圍的絕緣材料，因此缺陷有優(yōu)先被擊穿并發(fā)生局部放電的趨勢。在放電過程中缺陷電導(dǎo)率大大提高，并伴隨產(chǎn)生放電電流。
由于缺陷位于電纜內(nèi)部且尺寸很小，且由電纜運行中產(chǎn)生的缺陷位置難以確定，因而運用實驗方法很難對缺陷進(jìn)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(jìn)行合理分割，對每個部分根據(jù)適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行分析計算是目前進(jìn)行缺陷研究應(yīng)用最為廣泛且行之有效的手段。本文應(yīng)用有限元分析的方法研究缺陷對絕緣材料周圍電場強(qiáng)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(jié)果，給出兩種模型的適用范圍。此外，通過對缺陷周圍電場強(qiáng)度的詳細(xì)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(shè)備相比，高壓直流電纜等非純電阻性高壓直流設(shè)備，內(nèi)部的電場分布更加復(fù)雜。一方面，電容是決定交流設(shè)備電氣性能分布的決定性因素，而直流條件下電氣參數(shù)由電容和電阻共同決定；另一方面，材料的相對介電常數(shù)是不變的，而在直流條件下材料的電導(dǎo)率由局部的電場強(qiáng)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(fù)雜。
直流設(shè)備內(nèi)部電場的激發(fā)過程可以分為4個階段，如圖所示。高壓直流設(shè)備經(jīng)歷Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3 個階段達(dá)到穩(wěn)態(tài)。外施電壓在階段Ⅰ達(dá)到了峰值，但直流設(shè)備的內(nèi)部電場呈現(xiàn)純電容性分布的趨勢。在階段Ⅱ和Ⅲ，設(shè)備外加電壓是穩(wěn)定的，設(shè)備內(nèi)部電場在階段Ⅲ達(dá)到穩(wěn)態(tài)并在這個階段遵從純電阻性分布。階段Ⅱ是過渡階段，設(shè)備內(nèi)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(jīng)截止并歸零，空間電荷的存在使得高壓直流設(shè)備內(nèi)部依然有電場和電勢存在。隨著空間電荷的消散，設(shè)備內(nèi)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(guān)注于階段Ⅲ的情況，即穩(wěn)態(tài)下缺陷對于局部電場和溫度的影響。
從20 世紀(jì)40 年代起提出到現(xiàn)在，有限元分析( finite element analysis，F(xiàn)EA) 理論迅速發(fā)展，成為進(jìn)行科學(xué)研究，解決數(shù)學(xué)、物理、工程中復(fù)雜的非線性以及多物理場耦合問題的重要工具。如今，F(xiàn)EA 在科研領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，例如西門子公司研發(fā)的 PLM 軟件能夠利用有限元分析方法進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和物理場分析，并進(jìn)行產(chǎn)品生命周期的管理計算。
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