淺析溫度對高壓直流電纜中間接頭內電場分布的影響

祝煒華

【摘要】隨著柔性直流輸電技術的發(fā)展，高壓直流電力電纜在輸配電工程中有著極為廣泛的應用前景，而中間接頭作為高壓直流電纜必不可少的附件之一，其性能的好壞對直流輸配電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行有著極為重要的影響。相比于傳統(tǒng)直流輸電技術，柔性直流輸電中不要求直流電纜承受極性翻轉電壓，但直流疊加沖擊電壓對電纜絕緣的影響較大。如何設計并制造出滿足實際需要的高壓直流電纜中間接頭已成為目前的熱點研究課題。

【關鍵詞】溫度；接頭；電場分布；影響

一、引言

直流電纜接頭與交流電纜接頭在設計原理和結構上有很大相似性，但也存在較大的差異。交流電壓作用下，接頭絕緣中的電場呈容性分布，并且可以認為材料的電容率是常數(shù)，即不隨電場強度 、溫度等外界因素的變化而變化。同時，電纜本體交聯(lián)聚乙烯絕緣與接頭硅橡膠增強絕緣的介電常數(shù)ε相差不大，一般可認為εXLPE/εSR≈1，該雙層復合介質中的電場分布比較均勻。直流電壓作用下，絕緣中的電場呈阻性分布，且絕緣材料的電導率 ? 受場強、溫度影響較大，表現(xiàn)出嚴重的非線性。同時，XLPE 與 SR 的電導率差別也很大，?XLPE/?SR≈1/100，雙層復合介質中電場分布嚴重不均勻。更為重要的是在直流電壓作用下，聚合物絕緣以及電纜主絕緣和接頭增強絕緣交界面上會積累空間電荷，這些空間電荷會嚴重畸變絕緣中的電場分布，當電壓發(fā)生突變時，空間電荷與突變電壓產生的疊加電場極易引起接頭絕緣的放電甚至擊穿。

目前，國內外對高壓直流電纜中間接頭的研究主要集中在聚合物絕緣材料的空間電荷問題上。許多學者開展了聚合物絕緣內空間電荷的形成和無機納米添加劑對空間電荷的抑制機理的研究，考慮到高壓直流電纜在運行中可能承受的不同電壓形式及絕緣內的溫度梯度分布，本文采用 COMSOL- Multiphysics 軟件仿真分析了不同溫度梯度作用時，直流電壓、直流疊加沖擊電壓下 250 kV 直流電纜接頭中的電場分布情況，以期為高壓直流電纜中間接頭的設計提供指導。

二、分析

（一）直流電壓下的電場仿真分析

直流電壓作用下，復合絕緣中的場強按照材料的電導率分布，考慮到 XLPE 與 SR 雙層介質的電導率差異及其他條件對 2 者的影響，本文分析了 XLPE 與 SR 在不同電導率之比下的等位線分布，當雙層介質的電導率相差很大時，介質中的直流電場分布極不均勻，且電場集中部位隨著絕緣材料參數(shù)的變化而變化。若 ?XLPE ?SR，高壓屏蔽端部電場嚴重集中，而應力錐根部處的場強極低；若 ?XLPE?SR，應力錐根部處的電場嚴重集中，而高壓屏蔽端部的場強較低；若?XLPE=?SR，高壓屏蔽端部的電場仍有集中現(xiàn)象，但相比于 ?XLPE/?SR=1/100 時的電場集中程度已有明顯改善，絕緣結構中的電場分布較為均勻，因此，在設計高壓直流電纜接頭時，應首先確保所用的 XLPE 與 SR 材料的電導率差異在允許范圍內，然后再根據(jù) 2 者電導率比值確定接頭中可能出現(xiàn)的電場集中區(qū)域，并采取相應措施來調整電場分布，使之盡可能均勻分布。

（二）溫度梯度對直流電壓下電場分布的影響

直流電纜在帶負荷運行時，線芯發(fā)熱導致絕緣內產生溫度梯度。由于聚合物材料電導率受溫度和電場影響較大，因此會導致絕緣內按電導率分布的場強也會隨著變化。在低溫、低場強情況下，XLPE 與 SR 材料的電導率差異不大，但隨著溫度和場強的增大，2 種材料的電導率差異最大可達 6～7倍。當直流疊加沖擊電壓作用時，XLPE 和 SR 絕緣內表面場強均大于外表面場強，且接頭內會出現(xiàn)3個場強極大值點，分別是：壓接管端部高壓屏蔽內側、壓接管端部 SR 內側、應力錐根部 XLPE 內側。其中，壓接管端部高壓屏蔽內側的場強最大，且不隨沖擊電壓極性和線芯溫度的變化而變化。考慮到第2.2節(jié)中直流電壓作用下并未出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，因此這可能是由于直流電壓下電場按照電導率分布，而沖擊電壓下電場按照電容率分布導致的。當沖擊電壓為正極性時接頭絕緣內的場強明顯高于負極性沖擊電壓時的場強，且直流疊加正極性沖擊電壓作用時，絕緣內側的場強隨溫度的升高而降低，而直流疊加負極性沖擊電壓作用時，絕緣內側的場強隨溫度的升高而增大。沖擊電壓對 XLPE/SR 的界面切向場強有較大影響。當 t=0μs（只有直流電壓作用）時，界面切向場強在高壓屏蔽端部附近的值較大，而其他部位的值都較小且分布較均勻。隨著時間的增加，沖擊電壓急劇增大，界面切向場強也明顯增大并在高壓屏蔽端部和應力錐根部附近均發(fā)生畸變，當沖擊電壓達到峰值（t=3.5μs）時，界面切向場強也達到峰值，隨后逐漸降低。同時還可以看出，直流疊加負極性沖擊電壓下的界面切向場強值低于直流疊加正極性沖擊電壓下的值，這是由于當沖擊電壓為負極性時，其產生的切向場強被直流電壓產 只是在低溫、低場情況下能夠與 SR 材料的電導率良好配合，而高溫、高場時電纜接頭內仍會出現(xiàn)局部電場畸變，因此在材料配方領域還應做更多的研究工作。另一方面，直流電壓作用下絕緣中的空間電荷也對電纜系統(tǒng)的運行構成很大威脅，目前國內對電纜絕緣系統(tǒng)中空間電荷的研究主要集中在聚乙烯材料，而對電纜附件用硅橡膠材料、三元乙丙橡膠材料中的空間電荷特性研究較少。因此，只有在綜合考慮不同溫度、不同電壓形式下空間電荷特性的基礎之上才能設計出性能更好的直流電纜附件。

三、結論

本文通過仿真分析手段，研究了不同溫度梯度作用時，直流電壓、直流疊加沖擊電壓下250 kV直流電纜接頭中的電場分布情況。通過研究得出如下結論：

絕緣材料電導率的差異直接影響直流電壓下電纜接頭中電場均勻程度及電場集中區(qū)域出現(xiàn)的部位。若 ?XLPE?SR，電場主要集中在高壓屏蔽端部；若?XLPE?SR，電場主要集中在應力錐根部；若?XLPE=?SR，電場在高壓屏蔽端部附近有輕微集中，電場分布較均勻。電纜接頭絕緣內的最大場強隨著溫度的升高而增大。當 T=298 K 時，最大場強出現(xiàn)在高壓屏蔽端部；當T=333K和363K時，最大場強出現(xiàn)在應力錐根部。隨著溫度的升高，XLPE/SR分界面上的切向場強在高壓屏蔽端部呈降低趨勢，而應力錐根部附近的界面切向場強則明顯增大。當直流疊加沖擊電壓作用時，電纜接頭內會出現(xiàn)3個場強極大值點。其中，壓接管端部高壓屏蔽內側的場強最大，且不隨沖擊電壓極性和線芯溫度的變化而變化；直流疊加正極性沖擊電壓作用時，復合絕緣內側的場強隨溫度的升高而降低；直流疊加負極性沖擊電壓作用時，復合絕緣內側的場強隨溫度的升高而增大。

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