整體預(yù)制式和繞包式XLPE高壓直流電纜接頭電場分布研究及接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳振新 俞恩科 汪洋 周則威 段然 闕善庭 樂彥杰 陳國志

摘?要：整體預(yù)制式和繞包式接頭是兩種較為常見的電纜接頭，由于它們的結(jié)構(gòu)及絕緣的電導(dǎo)率各不同，接頭中的電場分布存在較大差異。以50kV交聯(lián)聚乙烯高壓直流電纜接頭為研究對象，分別建立了整體預(yù)制式接頭模型（增厚絕緣材料硅橡膠）和繞包式接頭模型（增繞絕緣材料為油浸紙），應(yīng)用有限元軟件計算了溫度梯度下兩種接頭中電場分布。研究發(fā)現(xiàn)對于整體預(yù)制式接頭，當(dāng)導(dǎo)體與環(huán)境溫差達到40℃時，應(yīng)力錐根部的電場強度可達到45kV/mm，存在擊穿危險;而對于繞包式接頭，同樣溫差下，應(yīng)力錐根部的電場強度幾乎為0，但反應(yīng)力錐頂部的電場強度達到30kV/mm。通過對繞包式電纜接頭的反應(yīng)力錐頂部進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，可使最大電場強度降低至7kV/mm;通過采用聚四氟乙烯繞包的方式可使反應(yīng)力錐頂部最大電場強度降低至3kV/mm。以上研究可供高壓直流電纜接頭設(shè)計時參考。

關(guān)鍵詞：直流電纜;接頭;有限元仿真;電場分布

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.014

中圖分類號： TM72

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）06-0077-05

Abstract：Integral prefabricated joint and taped joint are two kinds of widely used cable joint.?Because of the different structure and conductivity of insulation?there is great difference in the electric field distribution between the two kinds of joints .?In this paper?50kV crosslinked polyethylene high voltage dc cable joint is selected as the research object?models of Integral Prefabricated Jointsilicone rubber insulated） and taped jointoil impregnated paper insulated） was established and the electric field distribution in the joints was analyzed by comsol software.?It is found that the electric field at the root of stress cone reached 45kV/mm for Integral Prefabricated Joint.?The electric field at the root of stress cone was nearly 0kV/mm for taped joint but the electric field at the top of reversed stress cone reached 30kV/mm.?By optimizing the structure of the taped joint?the maximum electric field is reduced to 7kV/mm.?By using Teflon as the taped insulation which can reduce the maximum electric field to 3kV/mm.?The research is a reference in the HVDC cable joints design.

Keywords：DC cable; joints; finite element simulation; electric field distribution

0?引?言

高壓直流輸電在遠距離輸電上具有線路損耗小和傳輸效率高等優(yōu)勢，近年來得到了廣泛的關(guān)注[1-5]。XLPE絕緣高壓電纜由于其本體結(jié)構(gòu)較大，受生產(chǎn)裝備及制造工藝的限制，無接頭制造長度不超過10km，因此，接頭技術(shù)限制著高壓直流電纜在遠距離輸電上的發(fā)展[6]。常見的接頭制作方式主要有兩種，分別是整體預(yù)制式接頭和繞包式接頭。預(yù)制式接頭采用橡膠分層注膠工藝，形成內(nèi)屏蔽、增厚絕緣、應(yīng)力錐等密切結(jié)合的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場只要套裝緊固即可，施工方便[7]。繞包式接頭制造相對復(fù)雜，首先需將靠近導(dǎo)體連接端的絕緣切削呈錐形面（稱為反應(yīng)力錐），然后包纏增繞絕緣，增繞絕緣兩端形成應(yīng)力錐面[8]。兩根電纜的屏蔽用經(jīng)過應(yīng)力錐及增繞絕緣表面上包纏的導(dǎo)體完全連接起來，形成等位面。兩種接頭均在交流電纜中得到了廣泛應(yīng)用。但是，在直流電纜中，由于電場是按電導(dǎo)率的反比來分配的，兩種接頭中，增厚絕緣所用材料的電導(dǎo)率與工廠絕緣XLPE的電導(dǎo)率不同，因此電場分布較為復(fù)雜。韓寶忠等計算了整體預(yù)制式直流電纜終端的電場分布后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力錐根部，硅橡膠中的電場強度較高，可能引發(fā)擊穿[9]。陳慶國等發(fā)現(xiàn)，溫度較高時，采用整體預(yù)制式電纜接頭，硅橡膠側(cè)有擊穿危險[10]。研究者們對不同溫度下電纜接頭中的電場分布進行了研究，但是電纜接頭中的溫度分布并不是一個等溫面，而是存在溫度梯度的。仿真溫度梯度下電纜接頭中的電場分布更能接近實際狀態(tài)。另外，繞包式直流電纜接頭的電場分布還未見報道。本文以50kV交聯(lián)聚乙烯高壓直流電纜接頭為研究對象，分別建立了整體預(yù)制式接頭模型（增厚絕緣材料硅橡膠）和繞包式接頭模型（增繞絕緣材料為油浸紙），應(yīng)用有限元軟件計算了溫度梯度下兩種接頭中電場分布。并對繞包式電纜接頭的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，使其電場分布滿足絕緣設(shè)計要求。

1?接頭結(jié)構(gòu)與仿真模型

整體預(yù)制式接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料的結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)如表1所示。繞包式電纜接頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體參數(shù)如表1所示。其中油紙絕緣電導(dǎo)率由文[10]中的數(shù)據(jù)點擬合獲得。仿真軟件選用COMSOL，采用電流場和熱場模塊，設(shè)置線芯溫度為70℃，埋地深度1m，土壤表面為30℃，通過熱電耦合，計算穩(wěn)態(tài)時該溫度梯度下復(fù)合絕緣接頭的電場分布。傳統(tǒng)的交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的長期最高工作溫度通常為90℃，但由于北歐化工交聯(lián)聚乙烯直流電纜料的工作溫度不可以高于70℃，因此本仿真將線芯溫度設(shè)置為70℃。

2?結(jié)果與分析

整體預(yù)制式接頭在溫度梯度下的電場分布如圖3所示，從圖中可以看出，應(yīng)力錐根部硅橡膠側(cè)的電場強度達到了27kV/mm。該場強已超過硅橡膠的長期工作場強，存在擊穿危險。沿XLPE絕緣內(nèi)徑至應(yīng)力錐根部做一徑向參考線，沿該參考線提取出對應(yīng)的電導(dǎo)率分布如圖4所示。從圖中可以看出，硅橡膠的電導(dǎo)率低于XLPE的電導(dǎo)。

繞包式接頭在溫度梯度下的電場分布如圖5所示，從圖中更可以看出，應(yīng)力錐根部油紙側(cè)的電場強度幾乎為0kV/mm。沿XLPE絕緣內(nèi)徑至應(yīng)力錐根部做一徑向參考線，沿該參考線提取出對應(yīng)的電導(dǎo)率分布如圖6所示。從圖中可以看出，XLPE的電導(dǎo)率明顯低于油紙絕緣的電導(dǎo)率達兩個數(shù)量級，因此油紙中幾乎無電場。但是，正是由于這種巨大的電導(dǎo)率差異，導(dǎo)致了反應(yīng)力錐頂部XLPE中的電場強度過大，達到了30kV/mm。顯然，該場強過高，易導(dǎo)致?lián)舸┌l(fā)生。

通過以上仿真分析可以得出，兩種結(jié)構(gòu)的接頭都存在場強畸變點，都存在絕緣失效的危險。因此兩種接頭結(jié)構(gòu)都需進行優(yōu)化處理。

3?結(jié)構(gòu)優(yōu)化

整體預(yù)制式接頭的增厚絕緣只能采用橡膠類材料，由于改變橡膠的電導(dǎo)特性難度較大，因此可嘗試改變應(yīng)力錐的與電纜軸向的交角。分別增大和減小應(yīng)力錐與電纜軸向的交角后，接頭電場分布如圖7所示。從圖中可以看出，改變交角對應(yīng)力錐根部的電場分布改善無大影響。這是由于無論怎樣改變交角，無法改變硅橡膠的電導(dǎo)率特性，應(yīng)力錐根部的硅橡膠厚度都是極薄的，其電場強度必然較大。

對于繞包式電纜接頭，考慮反應(yīng)力錐頂部場強過于集中，可嘗試在反應(yīng)力錐頂部再引入一個應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。應(yīng)用該結(jié)構(gòu)仿真得到的電場分布如圖9所示。從圖中可以看出，加入此結(jié)構(gòu)后，之前反應(yīng)力錐中的場強極大點被明顯削弱了。這是由于，新加入的應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)和導(dǎo)體屏蔽之間是等電位的，從而起屏蔽效應(yīng)壓制了反應(yīng)力錐中的場強過大現(xiàn)象。應(yīng)用該結(jié)構(gòu)可明顯改善接頭中的電場分布。

與整體預(yù)制式電纜接頭相比，繞包式電纜接頭中增繞絕緣材料選擇面要廣的多?？紤]反應(yīng)力錐場強過大的原因是由于XLPE與油紙絕緣的電導(dǎo)率差異過大，因此可改用電導(dǎo)率接近XLPE的增繞絕緣材料。聚四氟乙烯作為一種聚合而成的高分子化合物，其電導(dǎo)率特性與XLPE更為接近。測試不同溫度下聚四氟乙烯的電導(dǎo)率如圖10所示，從圖中可以看出，同油浸紙絕緣相比較，聚四氟乙烯的電導(dǎo)率與XLPE更為接近。仿真分析以聚四氟乙烯做增繞絕緣時接頭電場分布如圖11所示，從圖中可以看出，電場分布明顯均化，電場分布合理。

交聯(lián)聚乙烯絕緣材料相比于硅橡膠、油紙絕緣及聚四氟乙烯絕緣更易產(chǎn)生空間電荷積聚現(xiàn)象。這是由于聚乙烯分子鏈折疊取向的結(jié)晶過程中極易產(chǎn)生缺陷，缺陷可作為陷阱捕獲載流子。從仿真結(jié)果中可以看出，交聯(lián)聚乙烯中的電場強度通常都在10kV/mm場強以下，該電場強度下交聯(lián)聚乙烯中的空間電荷量是可以忽略不計的。電場畸變主要受電導(dǎo)率隨溫度的變化影響。因此本文的電場分布計算結(jié)果與實際電場分布較為接近。

4?結(jié)?論

1）采用整體預(yù)制式結(jié)構(gòu)制作XLPE直流電纜接頭中，由于橡膠類材料絕緣材料的電導(dǎo)率特性與XLPE的電導(dǎo)率特性差別較大，導(dǎo)致應(yīng)力錐根部的電場強度達45kV/mm，容易引發(fā)擊穿，并且改變應(yīng)力錐與軸向的交角對應(yīng)力錐根部電場分布無明顯改善效果;

2）采用繞包式制作XLPE直流電纜接頭，用油浸紙絕緣作為增繞絕緣材料，可降低應(yīng)力錐根部的電場強度，但是反應(yīng)力錐頂部的電場強度增高至30kV/mm。通過在反應(yīng)力錐與導(dǎo)體屏蔽相切處引入一應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)，可削弱反應(yīng)力錐頂部的電場強度。通過改變增繞絕緣材料為與XLPE電導(dǎo)率接近的聚四氟乙烯，可使繞包式接頭的電場分布較為均勻。

3）采用繞包式接頭制作直流電纜接頭時，與預(yù)制式接頭相比，因增繞絕緣材料的選擇面較廣，可根據(jù)工廠絕緣選取適宜的增繞材料，從而使電場分布得到均化。

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（編輯：關(guān)?毅）