高壓直流交聯聚乙烯電纜接頭界面絕緣性能研究

丁曼

摘要：使用多物理場耦合仿真軟件COMSOL Multiphysics對高壓直流交聯聚乙烯電纜接頭進行建模，仿真分析接頭絕緣與電纜主絕緣界面在不同缺陷情況下的電場分布情況，最終得到界面的絕緣性能，為增強絕緣層的絕緣性能提供參考。

關鍵詞：高壓直流;交聯聚乙烯;電纜接頭;界面;絕緣性能

0 引言

高壓直流輸電相較于交流輸電具有傳輸容量大、可靠性更高、適合長距離傳輸、功率和能量損耗小、能夠限制系統短路電流等顯著優點，已經逐漸成為遠距離輸電的主流形式。截至2016年，我國共建設1 000 kV特高壓輸電網絡共計7 366 km，建設±800 kV特高壓直流電網共計12 300 km，可滿足整個華中、華東電力高負荷地區對電能的需求。高壓直流電纜作為直流輸電系統的重要組成部分，其可靠、安全地運行對高壓直流輸電網絡的穩定性極為重要。交聯聚乙烯（XLPE）電力電纜憑借其優異的熱/機械特性、電氣性能及易安裝維護、介質損耗低等優點，被廣泛應用于城市配電網中[1]。在電纜帶電運行過程中，會受到電、熱、水分和運行環境等各種因素影響，絕緣性能劣化，引發放電事故，嚴重影響電網的可靠供電[2-4]。研究表明，運行高壓電纜故障很大比例來自于電纜接頭故障，因此，研究高壓直流電纜接頭的絕緣性能對提高高壓直流輸電系統的可靠性具有重要意義。

國內外對于高壓直流輸電電纜終端電場研究較為廣泛，劉禹成以110 kV HVDC電纜復合終端為研究對象，以應力錐曲率和不同增強絕緣材料為變量因素，分別建立了不同應力錐曲率半徑和不同增強絕緣材料的電纜終端模型，利用COMSOL軟件分析平臺，分別對極性反轉電壓與雷電沖擊電壓作用下，應力錐曲面、增強絕緣層、XLPE絕緣層中的電場強度及XLPE絕緣與增強絕緣交界面的電場強度進行了仿真分析[5];曹雯等利用COMSOL Multiphysics有限元仿真計算軟件建立了電纜接頭模型，研究表明，界面粗糙顆粒、劃痕和濕度都會使附近的區域局部電場強度發生畸變，進而改變電纜接頭復合界面電場的分布，影響沿面放電的進程[6];張軒等基于電場數值分析的理論基礎，以COMSOL軟件為求解工具，建立工頻電壓下的35 kV電纜模型，針對電纜中最常見且危害性較高的外半導電屏蔽內陷、外半導電屏蔽與主絕緣破損、電屏蔽主絕緣中導電性雜質球這3種缺陷進行電場仿真分析，得到了最大電場強度與電纜絕緣材料損壞程度的關系[7]。

本文采用仿真建模的方法，使用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件對高壓直流電纜接頭進行建模，分析計算高壓直流電纜主絕緣和接頭絕緣界面處的電場分布，研究界面處不同缺陷情況下的電場變化，探討界面絕緣劣化的機理。

1 高壓直流電纜接頭的模型建立

電纜主要是由銅芯導體、半導電屏蔽層、交聯聚乙烯主絕緣構成，接頭絕緣使用硅橡膠材料，最外層是聚乙烯護套。

在仿真軟件中對電纜接頭各部分的材料進行定義與賦值，本文中所使用到材料、參數如表1所示。

本文引入電流和固體傳熱兩個物理場進行多物理場耦合分析計算，通過控制變量的方法獲取在多種因素條件下電纜接頭的電場分布。

2 高壓直流電纜接頭電場仿真分析

對電纜接頭施加±320 kV直流電壓，可以得到電纜接頭各部分軸向電場分布，如圖1所示。

由1可知，當電纜運行在穩態情況下，在電纜接頭軸向硅橡膠處靠近銅芯內層的電場強度為6 kV/mm，遠離銅芯處的外層電場強度為4 kV/mm;交聯聚乙烯處的內層電場強度為14 kV/mm，外層電場強度為7 kV/mm?？梢娫诮宦摼垡蚁┨帟霈F較為明顯的電場畸變，可能是因為高壓電纜在直流電壓作用下的空間電荷積聚，空間電荷會直接影響電場的變化，電荷密度越大，電場的畸變程度越大。

研究表明，電纜長期運行過程中電纜主絕緣及接頭絕緣界面處產生的缺陷會導致界面電場畸變，從而導致電纜接頭發生故障，因此本文在電纜主絕緣和接頭絕緣界面處引入缺陷，研究缺陷對界面電場分布的影響。

在電纜主絕緣交聯聚乙烯材料與接頭絕緣硅橡膠材料的界面處設置水滴缺陷，界面電場分布如2所示。由圖2可知，水滴正中心的軸線上位于電纜兩頭電場強度改變最明顯，場強為12 kV/mm，而在電纜分接頭的兩端電場強度為26 kV/mm，從數值上與不含缺陷的運行電纜比較就可以看出，水滴使得電纜兩頭的電場畸變程度要高于電纜中間部分，這就需要加強電纜接頭的絕緣性能，防止電壓畸變程度過大引發絕緣介質被擊穿。

3 結語

本文使用COMSOL Multiphysics軟件對電纜接頭進行建模，并計算得到電纜主絕緣與接頭絕緣界面處的電場分布情況，研究了缺陷對界面電場分布的影響。結果表明，界面缺陷會使該處的電場發生畸變，使得電場強度在缺陷處突然增加。在實際運行中，需要對高壓直流電纜絕緣材料進行復合加工，以增強絕緣層的絕緣性能。

[參考文獻]

[1] 李忠磊，杜伯學.高壓直流交聯聚乙烯電纜運行與研究現狀[J].絕緣材料，2016，49（11）：9-14.

[2] 王洪新，程樹康，文習山，等.XLPE老化過程中交流絕緣參數特性[J].高電壓技術，2005，31（3）：7-9.

[3] 陳廣輝，王安妮，李云強，等.交流電場下XLPE絕緣空間電荷研究綜述[J].電網與清潔能源，2012，28（7）：31-35.

[4] 張運周，馮冰，李明，等.退役110 kV XLPE電纜絕緣材料聚集態結構分析[J].絕緣材料，2016，49（7）：20-26.

[5] 劉禹成.XLPE絕緣直流電纜終端場強分布的仿真分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2019.

[6] 曹雯，張云娟，麻煥成，等.缺陷對電纜接頭復合界面電場分布影響的仿真分析[J].電網與清潔能源，2016，32（11）：31-36.

[7] 張軒，萬書亭，劉榮海，等.電纜主絕緣缺陷電場數值分析[J].云南電力技術，2015（3）：105-109.