高壓電纜附件界面壓力的影響因素分析

楊耿 張翔 計志恒 王維孟

摘要：電場分布和界面壓力是現代高壓電纜附件的基本設計內容，其正確性和精確度會直接影響所設計的電纜附件的性能。高壓電纜附件中包含著很多界面，尤其是位于場強控制元件和電纜絕緣體之間的界面性能對電纜附件的品質起著決定性的作用。界面的性能不僅與材料品質、安裝條件以及表面的處理狀態(tài)有關，還受應力和溫度因素的影響，因此界面的設計是電-力-熱多場耦合的復雜過程。通過對一些高壓電纜附件的設計實際，論述了電場控制和界面壓力設計的基本理念、計算方法和結果處理。

關鍵詞：高壓電纜;附件界面壓力;電場設計

高壓電纜及其附件的故障可能源自設計、生產、安裝、使用不當（包括外力破壞）等多方面的原因，但是產品設計是最基本環(huán)節(jié)。嚴格地講，產品設計應該盡可能將生產、安裝和使用中可能發(fā)生的問題降低到最小。

1界面壓力與粗糙度

由于材料表面本身粗糙高低不平，當兩種材料直接接觸時，會形半實半空的接觸形態(tài)。空隙的存在會引起界面局部放電，導致電氣強度下降。當對界面逐漸施加壓力后，界面接觸面積增大，空隙缺陷減少，界面電氣強度逐漸提高。通過研究乙丙橡膠/硅橡膠夾層界面的擊穿強度和面壓的關系，發(fā)現界面電氣強度隨面壓呈線性增長。理想狀態(tài)下，當外界壓力增加到一定值時，界面接觸完好，無氣隙缺陷，此時界面電氣強度將趨近于材料本體擊穿場強。相反，界面壓力越低，材料表面粗糙度越高時，界面擊穿強度越小，接近空氣擊穿強度。

因此，在一定的界面壓力下，為提高界面的介電特性，通常在電纜附件安裝過程中對電纜表面用細砂打磨以提高其光滑度。電纜XLPE絕緣表面經不同目數砂紙打磨后與硅橡膠絕緣構成夾層介質的交流擊穿電壓特性，結果當界面經400目及以上砂紙打磨后，其擊穿電壓高于未打磨試樣。由此可知，在實際工程中可用400目及以上砂紙對電纜絕緣表面進行打磨。

由于絕對光滑平整的材料表面不可能實現，為進一步提高電纜附件界面擊穿強度，一般在材料表面涂覆硅脂以密封/填充界面空隙。將乙丙橡膠和硅橡膠夾層界面涂覆硅脂后，發(fā)現界面的擊穿強度大幅度上升，且隨壓力的增加呈指數增長，后逐漸趨于飽和。飽和現象的形成原因可解釋為附件絕緣與電纜絕緣界面在一定壓力下，硅脂填滿界面空隙，界面形成一層薄硅脂膜，此時界面的擊穿強度趨近于硅脂本體的擊穿強度，與面壓無關。

另外，在對實際電纜附件研究中發(fā)現，由于硅脂對有機絕緣的溶脹作用，在涂覆數周后硅脂會逐漸滲入附件絕緣或電纜絕緣內。隨著彈性材料分子鏈的蠕動，滲入的硅脂一方面有助于降低介質表面粗糙度，但另一方面界面硅脂的流失導致界面變干，界面性能劣化，從而降低界面電阻直至擊穿。隨著附件運行時間的延長，暫不考慮材料應力松弛對界面壓力的影響，在同一面壓下，乙丙橡膠/硅橡膠夾層界面擊穿強度介于直接接觸和表面涂覆硅脂之間。因此，為保證電纜附件運行的可靠性，電纜附件在設計過程中，切線/沿面場強一般要求小于1kV/mm，典型值為0.4——0.7kV/mm。

2界面壓力與溫度

電纜在運行中溫度升高，而溫升會造成電纜絕緣性能劣化。根據國際AEIC電纜應急運行規(guī)范，對于XLPE絕緣電纜，在負荷循環(huán)運行時允許短期（15min）運行溫升達130℃。已知XLPE材料的熔點約為108℃，而橡膠材料熔點超過200℃，這意味著電纜附件終端或接頭的運行溫度高于電纜的熔點。通過測量XLPE及乙丙橡膠材料在不同溫度下的彈性模量發(fā)現，隨著溫度的升高，乙丙橡膠的彈性模量幾乎不變，而XLPE的彈性模量逐漸下降。當溫度超過105℃時，XLPE的彈性模量低于乙丙橡膠的彈性模量。

對于冷縮或預制型電纜附件，一般與電纜過盈配合實現一定的界面壓力。當運行溫度高于電纜熔點時，由于XLPE的彈性模量低于乙丙橡膠的彈性模量，此時乙丙橡膠的硬度超過XLPE材料，電纜絕緣變?yōu)橐子谧冃蔚膹椥泽w。在電纜附件絕緣的過盈界面壓力下，將導致電纜XLPE絕緣壓縮形變，當溫度降低后，形變被固化，造成“竹節(jié)”現象，損壞電纜絕緣。由于高溫導致電纜絕緣厚度降低達10%。而高溫下絕緣厚度的減小必將導致附件絕緣過盈配合的界面壓力降低。因此，為避免出現明顯的“竹節(jié)”現象，通過高壓電纜附件的電場及界面壓力設計表明，界面最大壓力要求不高于0.3MPa。一般電纜的工作溫度低于70℃，70℃以下電纜XLPE絕緣的彈性模量遠高于附件絕緣的彈性模量。通過實際電纜的高溫熱循環(huán)實驗和面壓測量發(fā)現，當溫度高于75℃以上時，溫度越高，界面壓力損失率越大。由此可認為70℃以下電纜接頭界面壓力隨溫度變化基本保持不變。

3界面壓力與應力松弛

電纜附件與電纜絕緣間界面壓力的實現依賴于附件用高彈性硅橡膠或乙丙橡膠等材料處于高彈態(tài)所表現出來的力學特性。但是，此高彈性材料的發(fā)展具有時間依賴性，即松弛特性。當橡膠材料長期處于擴張狀態(tài)下，其內應力將隨時間延長出現由分子運動導致鏈段隨外力方向調整的逐漸衰減的現象，即應力松弛現象，且應力松弛隨溫度的升高而加快。針對附件硅橡膠絕緣安裝后的擴張率，根據時溫等效原理，反推出附件絕緣在40℃、70℃及90℃下的力學松弛特性（面壓下降率）。

4結語

電纜附件的可靠性是輸電線路安全運行的關鍵，而電纜附件和電纜絕緣間的界面壓力是附件可靠性的關鍵。因此，在確保附件安裝工藝可靠的基礎上，通過增加界面光滑度、嚴格檢測電纜運行溫升、選擇耐松弛性附件絕緣料等措施，可提高電纜附件的長期運行可靠性。

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