試論空間電荷效應對直流電纜及附件絕緣界面電場分布的影響

劉菲

摘要：設備的元件、終端與接頭等通常都會帶有絕緣界面，但這一絕緣界面通常為絕緣的薄弱環節。受到直流電壓的影響，絕緣界面會產生溫度梯度效應，進而導致空間電荷數量的增加。因此，本文將探析空間電荷效應對直流電纜及附件絕緣界面電場分布的影響，旨在實現高壓直流輸電在各領域的適用。

關鍵詞：空間電荷效應；直流電纜；電場分布

隨著科學技術的發展，大功率設備逐漸被運用到工業生產中，高壓直流輸電技術也逐漸的取代傳統電力運輸，成為推動現代生產的重要能源，但受到技術條件的影響，與高壓直流輸電配套的電纜附件發展卻相對落后，為此需要加強對高壓直流輸電的特性研究，進而推理出空間電荷對電纜內電場分布的影響。

一、直流電纜及附件相關內容綜述

（一）運行特點

與交流電纜不同，直流電纜的運行與材料介電常數和材料電導率有關。在電纜運行過程中，受到電荷的影響，電纜線芯發熱，并與外側的絕緣層產生溫差，致使溫差呈現梯度分布，而電纜內部的電場強度也會隨著溫度的變化而發生改變。在直流電壓的環境下，空間電荷的注入、遷移、復合等都會對電場產生畸變的作用。此外，夾層介質界面極化也會影響到電纜及附件的長期穩定運行。

（二）溫差分布

對于直流電纜及附件溫差的計算，可運用以下公式。其中U為外加直流電壓；θ1與θ2分別為正負電極的溫度，在正常條件下，符合界面的接觸熱阻Rth，c約為0.2mK/W，通過這些已知條件，最終算出流過SR/XLPE雙層介質的熱流量：

Φ=T1-T2dXLPEλS+Rth，c+dSRλS

在公式中，正電極的熱力學溫度為T1=θ1+273.15，負電極的熱力學溫度為T2=θ2+273.15。為了保證試驗結果的有效性，筆者將電極間溫差設定為Δθ=40℃，XLPE溫度值為θ1=60℃，SR電極溫度為θ2=20℃，最終得出實驗結果為：

TXLPE（χ）=T1-ΦχλS

0<χ

而橡膠層內部溫度分布為：

TSRy=T2+ΦyλS

0

在公式中，XLPF的內部熱力學溫度為TXLPEx=θXLPEx+273.15，SR的內部熱力學溫度為TSRy=θSRy+273.15。通過兩次公式的計算可以得出外部溫度為40℃時，SR與XLPE內部溫度的分布，受到兩者間接觸熱阻的影響，電纜界面也會出現溫度不連續的現象。

二、空間電荷效應對直流電纜及附件絕緣界面電場分布的影響

（1）空間電荷特性。

想要了解空間電荷的特性，就要了解其測量方法。圖中為SR與XLPE雙層介質在經過兩小時電場強度平均加強6MV/m的條件下，再經歷十分鐘短路后的空間電荷體密度變化特性。在此實驗中，SC電極的溫差Δθ分別為0℃、20℃、40℃，而AI電極溫度分別為20℃、40℃與60℃。從圖中我們發現，隨著介質試樣的內部溫度梯度增加，SR與XLPE的側電極都出現空間電荷大量注入的現象。溫度梯度越高，其內部的殘余電荷消散越快，致使硅橡膠絕緣電導率不斷增大。由此得出電纜界面隨著電極溫差的變化，界面電荷的密度也會產生變化。

SR、XLPE試樣電導率與溫度的關系圖

（2）溫度梯度場協同空間電荷效應下電纜附件界面電場分布。

筆者對SR與XLPE在溫差與空間電荷協同作用下的電場分布情況進行試驗，并取得以下信息：受到附件內外溫差的影響，SR側徑向電場強度也會發生改變，且越靠近應力錐側的電場強度出現的數值越大。而隨著溫度的變化，SR靠近高壓屏蔽管的軸向電場強與總電場強度都有所降低，但靠近應力錐側的電場強度卻隨溫度的增加而變大。總結起來一共分為以下幾點：

①SR側徑向電場強度受到負極性空間電荷的影響，當Δθ為0℃、20℃、40℃時，在沒有空間電荷的作用下，其徑向電場強度的最大值分別減小了9.4%、8.3%、7.6%。

②界面應力錐側的軸向電場強度與總電場強度受到負極空間電荷的影響，當Δθ為0℃、20℃、40℃時，在沒有空間電荷的作用下，靠近應力錐側的軸向電場強度分別減小了3.6%、3.4%、2.6%。其總電場強度分別減小了6.2%、6.3%、5.3%。

③高壓屏蔽管側的軸向電場強度的最大值與總電場強度受到負極性空間電荷的影響，當Δθ為0℃、20℃、40℃時，在沒有空間電荷的作用下，靠近高壓屏蔽管側的軸向電場強度與總電場強度的最大值分別增加了0.68%、1.2%、1.6%。

（3）實驗結果分析。

在上述的實驗中，筆者采用硅橡膠質地的電纜附件，由于它為無定型聚合物，因此對于外界有很大的彈性。橡膠分子進行無規則的排列方式，這種排列有利于電荷在附件內部的運輸。實驗結果從多個角度反映出了硅橡膠附件的特質，它的導電率遠遠大于交聯聚乙烯，且對于溫度的依賴性也遠遠低于交聯聚乙烯。通常情況下，多層介質的符合截面通常都采用不均勻的介質，以滿足電荷的自由移動，正因如此，硅橡膠介質在交流或直流電場下能夠產生一種不連續性，更利于介質中的缺陷捕獲自由電荷，進而形成自由電荷的堆積。

三、結語

綜上所述，本文通過對SR與XLPE介質試樣進行模擬實驗，獲取到電纜附件的運行狀況，并了解到了在不同溫度下附件空間電荷的分布情況，得出溫差增大會加劇界面空間電荷積累的結果。

參考文獻：

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