無界面的高壓直流交聯聚乙烯絕緣電力電纜附件

摘要：當直流電壓施加到直流電纜附件的聚合物絕緣層上時，電纜主絕緣和電纜附件增強絕緣的交界面上會積聚有空間電荷，畸變絕緣的電場分布，甚至導致電纜附件的擊穿。新開發的模注型終端和接頭是將應力錐和增強絕緣用與電纜絕緣相近的交聯聚乙烯料在電纜絕緣上模注成型，使附件增強絕緣與電纜絕緣交界面融成一體，消除了“界面”，空間電荷的積累情況得以根本的改善。上述兩款直流電纜附件成功地完成了±200kV直流電纜附件的型式試驗項目。

關鍵詞：直流；交聯聚乙烯絕緣；空間電荷；模注接頭；模注終端；界面；應力錐；

為探索交聯聚乙烯絕緣直流電纜附件的設計參數，筆者曾用交流110kV 和220kV 的預制型戶外終端和預制型中間接頭分別安裝在±200kV的交聯聚乙烯絕緣直流電纜上多次進行直流性能的摸底試驗。令人驚訝的不僅是這兩個電壓等級的交流電纜附件都不能通過±200kV直流電纜的熱循環試驗，在熱態（導體溫度70℃，電壓DC 1.85U0）下很快發生擊穿，而且交流110kV附件和交流220kV附件的擊穿水平無明顯差異。這一事實證明，盡管交、直流電纜附件在結構上很相似，但是簡單地用加大電纜附件的絕緣尺寸的辦法設計直流電纜附件，其結果是不理想的。眾所周知，這是由于交、直流電纜的工況有很大差異。交流電場是由介電常數ε控制，受電場和溫度的變化量較小。直流電場是由材料的電導率σ控制，σ隨電場和溫度影響很大甚至達到幾個數量級。因此，在直流電纜附件的絕緣內，電導率-溫度-電場相互交替影響，不斷地變化。絕緣內，特別是在不同絕緣材料組成的交界面（界面）上，會積聚空間電荷，導致局部電場畸變，甚至發生絕緣擊穿【1】。抑制絕緣界面的空間電荷是開發高壓直流電纜附件的關鍵技術。

1.絕緣界面空間電荷的抑制

和交流電纜附件的結構相似，直流電纜附件的絕緣往往也是由多種絕緣材料組合而成的。不同絕緣材料的交界面處（界面），由于材料性能的差異，會積聚空間電荷，導致局部電場畸變，甚至可以達到正常工作場強的 7～8倍，導致絕緣的擊穿。

直流電壓下，空間電荷的積聚情況與材料性能（導電率和介電常數）、所施加的電壓和測試的溫度有關，而且變化很大。作為一個概念性的說明，圖1 顯示一個模型電纜絕緣層內空間電荷的積聚的情況。圖1（A）顯示單一的電纜絕緣（XLPE）內，空間電荷主要積聚在電極（導體和屏蔽）上，絕緣層的中間部分較少。然而，電纜附件的絕緣層往往是由兩種或兩種以上的絕緣材料組成，例如圖1（B）示出由XLPE和EPR組成的組合絕緣，在XLPE和EPR的界面上積累大量的空間電荷。

目前普遍采用馬克斯韋爾-瓦格納（Maxwell-Wagner）的界面極化理論【2】【3】來解釋界面空間電荷的積累情況，認為如果能使附件的增強絕緣的材料性能，主要是在不同溫度和不同電場下材料的導電率和介電常數之比值與電纜的主絕緣相近，就能有效地抑制界面上的空間電荷，從而可以從根本上保證直流電纜附件的成功。這一理論也已被國內外大量學者在實驗室中反復證實。

根據上述原理，一些電纜附件制造商和材料供應商開始研究和開發能在不同溫度和不同電場下材料的導電率和介電常數之比值與電纜的主絕緣相近的新的直流電纜附件材料。從迄今所獲得的結果【4】-【9】來看，國內一般都是以乙丙橡膠（EPR/ EPDM）為基料作改性配方。雖然有些實驗室數據顯示了不錯的性能，但是迄今尚未見有商業化使用這類材料的報道。可見，對此種附件材料的開發難度相當大。

據介紹【10】ABB公司提出在電纜絕緣與附件增強絕緣之間加入了一層非線性過渡層，它能在不同溫度和不同電場下分別與兩側的絕緣（電纜絕緣與附件增強絕緣）材料的導電率和介電常數之比值接近，從而抑制界面上的空間電荷。當然，這是解決界面空間電荷的一種很理想的方案，然而也是難度極大的方案。

基于現實的條件，為了解決電纜附件絕緣界面空間電荷積聚的問題，本文提出一種新型直流電纜附件的設計----無界面交聯聚乙烯電纜附件。新的設計理念是將電纜附件的應力錐和接頭增強絕緣用與電纜絕緣相似的交聯聚乙烯料在電纜絕緣上模注成型。附件增的強絕緣與電纜絕緣交界面融成一體，皮之不存毛將焉附，消除了“界面”，空間電荷的積累情況得以根本的改善。

由此，筆者設計了直流模注型接頭和直流模注型終端。上述兩個模注型直流電纜附件試制樣品安裝在同一根±200kV/ 1000mm2的直流電纜上進行試驗，取得良好效果。

2.直流模注型接頭的設計

圖2 是直流模注型接頭的結構示意。導體連接采用等直徑焊接。導體屏蔽、接頭增強絕緣和絕緣屏蔽采用與電纜絕緣相似的交聯聚乙烯料模注成型，與電纜的絕緣和屏蔽熔融一體。

直流模注型接頭的絕緣外徑可以與電纜絕緣等直徑，也可以略大于電纜絕緣外徑。同時，接頭的結構上充分考慮了海底電纜的使用特點。因此，直流模注型也可以作為海底電纜的工廠軟接頭用。

3.直流模注型終端的設計

直流模注型終端的結構與預制型終端很相似，外絕緣是瓷套管或復合套管，油浸式，用應力錐控制終端內外電場分布。傳統預制型終端的應力錐是在工廠內用硅橡膠或乙丙橡膠預制成型，在現場擴張后套入經過處理后的電纜絕緣上。這樣，在電纜絕緣和應力錐之間形成了一個界面。如上所述，這層界面上在直流電場下會積聚空間電荷。直流模注型終端的應力錐用與電纜絕緣相似的交聯聚乙烯料在電纜絕緣上模注成型，應力錐與電纜絕緣交界面融成一體，消除了“界面”，空間電荷的積累情況得以根本的改善。圖3是直流模注型終端的結構示意和與傳統預制型終端的比較。

4.安裝工藝和質量檢測

直流模注型接頭和直流模注型終端的模注成型是在現場進行的。方法如圖4所示。圖5示出現場安裝工藝流程。全部工藝參數，包括注料量，注料溫度，真空度，注料壓力和交聯溫度等全過程用計算機控制。

5.樣品鑒定試驗

眾所周知，迄今還沒有相應的國家（GB）標準和國際（IEC）標準規范直流電纜及附件的試驗方法和要求。目前國際上大多數制造商都是參照國際大電力網會議第21工作組（CIGRE WG21-01）推薦的TB496【11】的試驗方法進行試驗。我國國家電線電纜質量監督檢測中心推薦的技術規范TICW7.1-2011【12】等同采用了CIGRE TB496 WG21-01的推薦方法，在國內普遍受到認同。

本次樣品鑒定試驗是參照上述CIGRE TB496 WG21-01和TICW7.1-2011推薦的方法進行的。在一根±200kV / 1000mm2的直流電纜上，安裝±200kV 直流模注型接頭和±200kV 直流模注型戶外終端組成試驗回路。在國家電線電纜質量監督檢驗中心通過了采用電壓源換流器（VSC）的±200kV直流系統的電纜附件型式試驗項目。表1列出主要試驗項目及試驗結果。

6.結言

直流電壓下，電纜絕緣與附件增強絕緣交界面上的空間電荷的積累會導致局部電場嚴重畸變，甚至發生擊穿。降低和控制電纜附件絕緣界面空間電荷的積聚是開發高壓直流電纜附件的關鍵技術。

直流模注型接頭和直流模注型戶外終端的應力錐和接頭的增強絕緣是用與電纜絕緣相似的交聯聚乙烯料模注在電纜絕緣上成型，消除了“界面”，空間電荷的積累情況得以根本的改善。已經成功地開發了±200kV電壓等級的直流電力電纜附件，在國家電線電纜質量監督檢驗中心按照國際大電網會議CIGRE TB496推薦的試驗方法和我國國家電線電纜質量監督檢測中心推薦的技術規范TICW7.1-2011通過了型式試驗。進一步的預鑒定試驗正在進行之中。

無界面高壓直流電纜附件的開發為今后的直流擠出絕緣電纜的附件發展提供了新的設計理念

參考文獻

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[11] CIGRE TB496 WG21-01 Recommendations for testing DC extruded cable systems for power transmission at a rated voltage up to 500kV.

[12]國家電線電纜質量監督檢驗中心技術規范 TICW7.1-2012額定電壓500kV及以下直流輸電用擠包絕緣電力電纜系統試驗規范，第四部分直流電纜附件