淺析溫度對(duì)高壓直流電纜中間接頭內(nèi)電場(chǎng)分布的影響

祝煒華

【摘要】隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，高壓直流電力電纜在輸配電工程中有著極為廣泛的應(yīng)用前景，而中間接頭作為高壓直流電纜必不可少的附件之一，其性能的好壞對(duì)直流輸配電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著極為重要的影響。相比于傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電中不要求直流電纜承受極性翻轉(zhuǎn)電壓，但直流疊加沖擊電壓對(duì)電纜絕緣的影響較大。如何設(shè)計(jì)并制造出滿足實(shí)際需要的高壓直流電纜中間接頭已成為目前的熱點(diǎn)研究課題。

【關(guān)鍵詞】溫度；接頭；電場(chǎng)分布；影響

一、引言

直流電纜接頭與交流電纜接頭在設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)上有很大相似性，但也存在較大的差異。交流電壓作用下，接頭絕緣中的電場(chǎng)呈容性分布，并且可以認(rèn)為材料的電容率是常數(shù)，即不隨電場(chǎng)強(qiáng)度 、溫度等外界因素的變化而變化。同時(shí)，電纜本體交聯(lián)聚乙烯絕緣與接頭硅橡膠增強(qiáng)絕緣的介電常數(shù)ε相差不大，一般可認(rèn)為εXLPE/εSR≈1，該雙層復(fù)合介質(zhì)中的電場(chǎng)分布比較均勻。直流電壓作用下，絕緣中的電場(chǎng)呈阻性分布，且絕緣材料的電導(dǎo)率 ? 受場(chǎng)強(qiáng)、溫度影響較大，表現(xiàn)出嚴(yán)重的非線性。同時(shí)，XLPE 與 SR 的電導(dǎo)率差別也很大，?XLPE/?SR≈1/100，雙層復(fù)合介質(zhì)中電場(chǎng)分布嚴(yán)重不均勻。更為重要的是在直流電壓作用下，聚合物絕緣以及電纜主絕緣和接頭增強(qiáng)絕緣交界面上會(huì)積累空間電荷，這些空間電荷會(huì)嚴(yán)重畸變絕緣中的電場(chǎng)分布，當(dāng)電壓發(fā)生突變時(shí)，空間電荷與突變電壓產(chǎn)生的疊加電場(chǎng)極易引起接頭絕緣的放電甚至擊穿。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高壓直流電纜中間接頭的研究主要集中在聚合物絕緣材料的空間電荷問(wèn)題上。許多學(xué)者開(kāi)展了聚合物絕緣內(nèi)空間電荷的形成和無(wú)機(jī)納米添加劑對(duì)空間電荷的抑制機(jī)理的研究，考慮到高壓直流電纜在運(yùn)行中可能承受的不同電壓形式及絕緣內(nèi)的溫度梯度分布，本文采用 COMSOL- Multiphysics 軟件仿真分析了不同溫度梯度作用時(shí)，直流電壓、直流疊加沖擊電壓下 250 kV 直流電纜接頭中的電場(chǎng)分布情況，以期為高壓直流電纜中間接頭的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

二、分析

（一）直流電壓下的電場(chǎng)仿真分析

直流電壓作用下，復(fù)合絕緣中的場(chǎng)強(qiáng)按照材料的電導(dǎo)率分布，考慮到 XLPE 與 SR 雙層介質(zhì)的電導(dǎo)率差異及其他條件對(duì) 2 者的影響，本文分析了 XLPE 與 SR 在不同電導(dǎo)率之比下的等位線分布，當(dāng)雙層介質(zhì)的電導(dǎo)率相差很大時(shí)，介質(zhì)中的直流電場(chǎng)分布極不均勻，且電場(chǎng)集中部位隨著絕緣材料參數(shù)的變化而變化。若 ?XLPE ?SR，高壓屏蔽端部電場(chǎng)嚴(yán)重集中，而應(yīng)力錐根部處的場(chǎng)強(qiáng)極低；若 ?XLPE?SR，應(yīng)力錐根部處的電場(chǎng)嚴(yán)重集中，而高壓屏蔽端部的場(chǎng)強(qiáng)較低；若?XLPE=?SR，高壓屏蔽端部的電場(chǎng)仍有集中現(xiàn)象，但相比于 ?XLPE/?SR=1/100 時(shí)的電場(chǎng)集中程度已有明顯改善，絕緣結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布較為均勻，因此，在設(shè)計(jì)高壓直流電纜接頭時(shí)，應(yīng)首先確保所用的 XLPE 與 SR 材料的電導(dǎo)率差異在允許范圍內(nèi)，然后再根據(jù) 2 者電導(dǎo)率比值確定接頭中可能出現(xiàn)的電場(chǎng)集中區(qū)域，并采取相應(yīng)措施來(lái)調(diào)整電場(chǎng)分布，使之盡可能均勻分布。

（二）溫度梯度對(duì)直流電壓下電場(chǎng)分布的影響

直流電纜在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，線芯發(fā)熱導(dǎo)致絕緣內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度。由于聚合物材料電導(dǎo)率受溫度和電場(chǎng)影響較大，因此會(huì)導(dǎo)致絕緣內(nèi)按電導(dǎo)率分布的場(chǎng)強(qiáng)也會(huì)隨著變化。在低溫、低場(chǎng)強(qiáng)情況下，XLPE 與 SR 材料的電導(dǎo)率差異不大，但隨著溫度和場(chǎng)強(qiáng)的增大，2 種材料的電導(dǎo)率差異最大可達(dá) 6～7倍。當(dāng)直流疊加沖擊電壓作用時(shí)，XLPE 和 SR 絕緣內(nèi)表面場(chǎng)強(qiáng)均大于外表面場(chǎng)強(qiáng)，且接頭內(nèi)會(huì)出現(xiàn)3個(gè)場(chǎng)強(qiáng)極大值點(diǎn)，分別是：壓接管端部高壓屏蔽內(nèi)側(cè)、壓接管端部 SR 內(nèi)側(cè)、應(yīng)力錐根部 XLPE 內(nèi)側(cè)。其中，壓接管端部高壓屏蔽內(nèi)側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)最大，且不隨沖擊電壓極性和線芯溫度的變化而變化?？紤]到第2.2節(jié)中直流電壓作用下并未出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，因此這可能是由于直流電壓下電場(chǎng)按照電導(dǎo)率分布，而沖擊電壓下電場(chǎng)按照電容率分布導(dǎo)致的。當(dāng)沖擊電壓為正極性時(shí)接頭絕緣內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)明顯高于負(fù)極性沖擊電壓時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)，且直流疊加正極性沖擊電壓作用時(shí)，絕緣內(nèi)側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的升高而降低，而直流疊加負(fù)極性沖擊電壓作用時(shí)，絕緣內(nèi)側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的升高而增大。沖擊電壓對(duì) XLPE/SR 的界面切向場(chǎng)強(qiáng)有較大影響。當(dāng) t=0μs（只有直流電壓作用）時(shí)，界面切向場(chǎng)強(qiáng)在高壓屏蔽端部附近的值較大，而其他部位的值都較小且分布較均勻。隨著時(shí)間的增加，沖擊電壓急劇增大，界面切向場(chǎng)強(qiáng)也明顯增大并在高壓屏蔽端部和應(yīng)力錐根部附近均發(fā)生畸變，當(dāng)沖擊電壓達(dá)到峰值（t=3.5μs）時(shí)，界面切向場(chǎng)強(qiáng)也達(dá)到峰值，隨后逐漸降低。同時(shí)還可以看出，直流疊加負(fù)極性沖擊電壓下的界面切向場(chǎng)強(qiáng)值低于直流疊加正極性沖擊電壓下的值，這是由于當(dāng)沖擊電壓為負(fù)極性時(shí)，其產(chǎn)生的切向場(chǎng)強(qiáng)被直流電壓產(chǎn) 只是在低溫、低場(chǎng)情況下能夠與 SR 材料的電導(dǎo)率良好配合，而高溫、高場(chǎng)時(shí)電纜接頭內(nèi)仍會(huì)出現(xiàn)局部電場(chǎng)畸變，因此在材料配方領(lǐng)域還應(yīng)做更多的研究工作。另一方面，直流電壓作用下絕緣中的空間電荷也對(duì)電纜系統(tǒng)的運(yùn)行構(gòu)成很大威脅，目前國(guó)內(nèi)對(duì)電纜絕緣系統(tǒng)中空間電荷的研究主要集中在聚乙烯材料，而對(duì)電纜附件用硅橡膠材料、三元乙丙橡膠材料中的空間電荷特性研究較少。因此，只有在綜合考慮不同溫度、不同電壓形式下空間電荷特性的基礎(chǔ)之上才能設(shè)計(jì)出性能更好的直流電纜附件。

三、結(jié)論

本文通過(guò)仿真分析手段，研究了不同溫度梯度作用時(shí)，直流電壓、直流疊加沖擊電壓下250 kV直流電纜接頭中的電場(chǎng)分布情況。通過(guò)研究得出如下結(jié)論：

絕緣材料電導(dǎo)率的差異直接影響直流電壓下電纜接頭中電場(chǎng)均勻程度及電場(chǎng)集中區(qū)域出現(xiàn)的部位。若 ?XLPE?SR，電場(chǎng)主要集中在高壓屏蔽端部；若?XLPE?SR，電場(chǎng)主要集中在應(yīng)力錐根部；若?XLPE=?SR，電場(chǎng)在高壓屏蔽端部附近有輕微集中，電場(chǎng)分布較均勻。電纜接頭絕緣內(nèi)的最大場(chǎng)強(qiáng)隨著溫度的升高而增大。當(dāng) T=298 K 時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在高壓屏蔽端部；當(dāng)T=333K和363K時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在應(yīng)力錐根部。隨著溫度的升高，XLPE/SR分界面上的切向場(chǎng)強(qiáng)在高壓屏蔽端部呈降低趨勢(shì)，而應(yīng)力錐根部附近的界面切向場(chǎng)強(qiáng)則明顯增大。當(dāng)直流疊加沖擊電壓作用時(shí)，電纜接頭內(nèi)會(huì)出現(xiàn)3個(gè)場(chǎng)強(qiáng)極大值點(diǎn)。其中，壓接管端部高壓屏蔽內(nèi)側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)最大，且不隨沖擊電壓極性和線芯溫度的變化而變化；直流疊加正極性沖擊電壓作用時(shí)，復(fù)合絕緣內(nèi)側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的升高而降低；直流疊加負(fù)極性沖擊電壓作用時(shí)，復(fù)合絕緣內(nèi)側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)隨溫度的升高而增大。

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