電除塵器用電力電纜的絕緣設計方法

湖南省電線電纜產品質量監督檢驗中心 黃 海

最初國內常用的電除塵電力電纜主要是油浸紙絕緣電纜，但這種電纜存在生產工藝復雜、敷設施工時接頭不便、受場地落差影響大、使用過程中容易產生漏油且受潮后會大幅降低絕緣電氣性能等不利因素。交聯聚乙烯絕緣高壓直流電纜與油浸紙絕緣電纜相比，具有線路損耗小、散熱性能好、制造工藝成熟、安裝敷設簡便、工作環境要求低等優勢。

1 電除塵電力電纜絕緣空間電荷特性

電除塵器通常需要使用正電荷或負電荷，電纜的交聯聚乙烯絕緣介質會長時間工作在固定的直流電壓環境下，正電荷或負電荷會不斷向絕緣介質內部注入，導致絕緣的導體屏蔽和絕緣屏蔽交界面以及絕緣介質內部都會產生空間電荷。交聯聚乙烯絕緣材料本身具有一定抑制產生空間電荷的能力，電纜運行初期產生的空間電荷數量并不多，但在電纜長時間運行后空間電荷會不斷的積聚，從而導致絕緣介質內出現畸變的局部場強，受到長時間作用的熱應力和電場應力，絕緣介質材料老化被加速，造成交聯聚乙烯絕緣材料內部缺陷增多，導致絕緣介質的擊穿和老化，使電纜的運行安全出現隱患。相關研究結果顯示，對直流電力電纜安全運行造成影響的主要因素就是絕緣介質內電場出現畸變而產生的電氣擊穿，這種絕緣介質內產生的畸變電場主要有以下兩個原因。

1.1 絕緣材料的電導率隨溫度和場強變化

當電纜工作在交流電場時，絕緣材料的介電常數ε通常不會因溫度或電場出現較明顯變化，可看做絕緣的介電常數保持恒定。但在直流電場下絕緣材料的電導率σ則直接影響了內部電場的分布。絕緣介質的電導率不同于介電常數，易受工作溫度和運行電場的影響。電纜空載時電場強度最高值出現在絕緣層內側；電纜負載時導體損耗發熱造成電纜的絕緣層內側和外側間產生溫度差，絕緣層內側的絕緣電阻遠低于絕緣層外側的絕緣電阻，電場強度最高值產生在絕緣層外側（圖1），這與交流工況下電纜絕緣導體屏蔽表面的電場強度分布最高、絕緣表面的電場強度分布最小的情況完全相反。

圖1 不同工況下絕緣層的電場強度

1.2 絕緣材料的空間電荷積聚

有文獻表明，長時間受到直流電場的作用時電力電纜的絕緣層中會積聚異質空間電荷，導體屏蔽層交界面的電場強度可增強到理論值的8倍[1]。在電壓極性逆相的瞬間，直流電力電纜上的電壓可增加到原始傳輸電壓的2.5倍，很易導致電纜擊穿[2]。這是因為交聯聚乙烯絕緣在生產過程中易出現大量空間電荷陷阱，受到直流電場的影響空間電荷積聚非常容易，導致電纜絕緣局部電場強度增加，使絕緣擊穿低于設計電場。

2 電除塵電力電纜絕緣的擊穿場強

在直流電壓工況下，絕緣材料的電阻系數是溫度和電場的函數，絕緣電阻系數隨溫度的升高呈指數下降，而電導則隨溫度的升高呈指數增長，通過大量的測試可推導出公式，式中ρ0為標準溫度下的電阻率；α為絕緣材料的溫度系數；β為絕緣材料的場強系數[3]。電場強度在絕緣層半徑上的分布則滿足下式，式中r1為導體屏蔽半徑；r2為絕緣層半徑；V為工作電壓；λ為絕緣材料的熱導率：

3 電除塵電力電纜絕緣的設計

3.1 絕緣材料的選擇

為了解交聯聚乙烯絕緣材料在直流工況下空間電荷積聚問題，研究人員對空間電荷抑制技術開展了大量研究，常用解決辦法一是提高交聯聚乙烯材料的純度、二是在交聯聚乙烯材料中增加適當濃度的無機填料或極性基團如納米SiO2、納米MgO等。試驗表明，絕緣材料中的無機填料或極性基團能有效捕集交聯劑分解殘渣、離子雜質等載流子，從而抑制電荷的運動，提高絕緣材料的體積電阻率。但考慮到納米材料的不同介電性能，最佳填充濃度將有所不同，具體填充參數應根據電纜絕緣的實際需要選擇[4]。

工程中常用的直流電纜材料通常使用以北歐化學工業為代表的超純交聯聚乙烯材料和以陶氏化學工業為代表的納米改性交聯聚乙烯材料。兩種材料的目的都是為了提高直流電力電纜抑制空間電荷產生的能力，并確保直流電纜的安全穩定運行。

3.2 絕緣層厚度的確定

電除塵電力電纜工作時承受電壓為Vdc=V0×K1×K2×K3，式中V0為額定工作電壓、K1為老化系數、K2為溫度系數、K3為不確定性的安全系數；需要耐受的雷電沖擊電壓為Vimp=[(P×M+K)×V0]×K1×K2×K3，式中V0為額定工作電壓、P為避雷器保護等級、M為避雷器保護等級容差、K為空間電荷對沖擊擊穿電壓的影響指數、K1為老化系數、K2為溫度系數、K3為不確定性的安全系數。

在實際使用中，電除塵電力電纜由于空間電荷特性，電纜工作時絕緣材料中儲存的空間電荷不能及時釋放，會與極性反轉時的沖擊電壓形成電場疊加的情況，此時的實際電場強度為工頻電場強度與沖擊電場強調之和，即V=Vimp'+k×Vdc，式中imp'為工頻電壓與沖擊電壓產生的疊加電壓、k為與疊加電壓相關的參數；絕緣厚度d選擇上述三種電壓下計算的最大值，即，式中Ed為工頻電壓電場強度、Eimp為沖擊電壓電場強度、E為疊加電壓電場強度。

3.3 絕緣層的脫氣處理

脫氣處理是將擠包的絕緣線芯放置在專門的脫氣房內，通過循環的熱空氣，經過一段時間后脫除絕緣層中交聯副產物的工藝過程。交聯聚乙烯在絕緣擠出過程中會產生交聯副產物，如α-甲基苯乙烯、枯基醇、苯乙酮、甲烷和水等[5]，在高電場下，交聯副產物電解產生的雜質離子將在絕緣層和半導體屏蔽層交界面間形成不均勻的空間電荷，增強局部電場，很容易在交界處造成擊穿[6]。為避免這一問題的產生，絕緣層擠包完成后一定要對絕緣線芯進行脫氣處理。相關研究表明，相同厚度的絕緣材料，隨著脫氣時間的增加擊穿場強明顯增大，厚度越厚脫氣對擊穿場強的增強作用越明顯，見圖2[7]。

圖2 不同脫氣時間后的擊穿場強比較

綜上，電除塵器用交聯聚乙烯絕緣電力電纜是一種特殊的中壓直流電纜，絕緣設計時需充分考慮空間電荷特性，選用具有空間電荷抑制能力和高純度的交聯聚乙烯材料，絕緣線芯必須進行脫氣工藝處理來保證電纜性能的穩定。