試論空間電荷效應(yīng)對直流電纜及附件絕緣界面電場分布的影響

劉菲

摘要：設(shè)備的元件、終端與接頭等通常都會帶有絕緣界面，但這一絕緣界面通常為絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。受到直流電壓的影響，絕緣界面會產(chǎn)生溫度梯度效應(yīng)，進而導(dǎo)致空間電荷數(shù)量的增加。因此，本文將探析空間電荷效應(yīng)對直流電纜及附件絕緣界面電場分布的影響，旨在實現(xiàn)高壓直流輸電在各領(lǐng)域的適用。

關(guān)鍵詞：空間電荷效應(yīng)；直流電纜；電場分布

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，大功率設(shè)備逐漸被運用到工業(yè)生產(chǎn)中，高壓直流輸電技術(shù)也逐漸的取代傳統(tǒng)電力運輸，成為推動現(xiàn)代生產(chǎn)的重要能源，但受到技術(shù)條件的影響，與高壓直流輸電配套的電纜附件發(fā)展卻相對落后，為此需要加強對高壓直流輸電的特性研究，進而推理出空間電荷對電纜內(nèi)電場分布的影響。

一、直流電纜及附件相關(guān)內(nèi)容綜述

（一）運行特點

與交流電纜不同，直流電纜的運行與材料介電常數(shù)和材料電導(dǎo)率有關(guān)。在電纜運行過程中，受到電荷的影響，電纜線芯發(fā)熱，并與外側(cè)的絕緣層產(chǎn)生溫差，致使溫差呈現(xiàn)梯度分布，而電纜內(nèi)部的電場強度也會隨著溫度的變化而發(fā)生改變。在直流電壓的環(huán)境下，空間電荷的注入、遷移、復(fù)合等都會對電場產(chǎn)生畸變的作用。此外，夾層介質(zhì)界面極化也會影響到電纜及附件的長期穩(wěn)定運行。

（二）溫差分布

對于直流電纜及附件溫差的計算，可運用以下公式。其中U為外加直流電壓；θ1與θ2分別為正負電極的溫度，在正常條件下，符合界面的接觸熱阻Rth，c約為0.2mK/W，通過這些已知條件，最終算出流過SR/XLPE雙層介質(zhì)的熱流量：

Φ=T1-T2dXLPEλS+Rth，c+dSRλS

在公式中，正電極的熱力學溫度為T1=θ1+273.15，負電極的熱力學溫度為T2=θ2+273.15。為了保證試驗結(jié)果的有效性，筆者將電極間溫差設(shè)定為Δθ=40℃，XLPE溫度值為θ1=60℃，SR電極溫度為θ2=20℃，最終得出實驗結(jié)果為：

TXLPE（χ）=T1-ΦχλS

0<χ

而橡膠層內(nèi)部溫度分布為：

TSRy=T2+ΦyλS

0

在公式中，XLPF的內(nèi)部熱力學溫度為TXLPEx=θXLPEx+273.15，SR的內(nèi)部熱力學溫度為TSRy=θSRy+273.15。通過兩次公式的計算可以得出外部溫度為40℃時，SR與XLPE內(nèi)部溫度的分布，受到兩者間接觸熱阻的影響，電纜界面也會出現(xiàn)溫度不連續(xù)的現(xiàn)象。

二、空間電荷效應(yīng)對直流電纜及附件絕緣界面電場分布的影響

（1）空間電荷特性。

想要了解空間電荷的特性，就要了解其測量方法。圖中為SR與XLPE雙層介質(zhì)在經(jīng)過兩小時電場強度平均加強6MV/m的條件下，再經(jīng)歷十分鐘短路后的空間電荷體密度變化特性。在此實驗中，SC電極的溫差Δθ分別為0℃、20℃、40℃，而AI電極溫度分別為20℃、40℃與60℃。從圖中我們發(fā)現(xiàn)，隨著介質(zhì)試樣的內(nèi)部溫度梯度增加，SR與XLPE的側(cè)電極都出現(xiàn)空間電荷大量注入的現(xiàn)象。溫度梯度越高，其內(nèi)部的殘余電荷消散越快，致使硅橡膠絕緣電導(dǎo)率不斷增大。由此得出電纜界面隨著電極溫差的變化，界面電荷的密度也會產(chǎn)生變化。

SR、XLPE試樣電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系圖

（2）溫度梯度場協(xié)同空間電荷效應(yīng)下電纜附件界面電場分布。

筆者對SR與XLPE在溫差與空間電荷協(xié)同作用下的電場分布情況進行試驗，并取得以下信息：受到附件內(nèi)外溫差的影響，SR側(cè)徑向電場強度也會發(fā)生改變，且越靠近應(yīng)力錐側(cè)的電場強度出現(xiàn)的數(shù)值越大。而隨著溫度的變化，SR靠近高壓屏蔽管的軸向電場強與總電場強度都有所降低，但靠近應(yīng)力錐側(cè)的電場強度卻隨溫度的增加而變大?？偨Y(jié)起來一共分為以下幾點：

①SR側(cè)徑向電場強度受到負極性空間電荷的影響，當Δθ為0℃、20℃、40℃時，在沒有空間電荷的作用下，其徑向電場強度的最大值分別減小了9.4%、8.3%、7.6%。

②界面應(yīng)力錐側(cè)的軸向電場強度與總電場強度受到負極空間電荷的影響，當Δθ為0℃、20℃、40℃時，在沒有空間電荷的作用下，靠近應(yīng)力錐側(cè)的軸向電場強度分別減小了3.6%、3.4%、2.6%。其總電場強度分別減小了6.2%、6.3%、5.3%。

③高壓屏蔽管側(cè)的軸向電場強度的最大值與總電場強度受到負極性空間電荷的影響，當Δθ為0℃、20℃、40℃時，在沒有空間電荷的作用下，靠近高壓屏蔽管側(cè)的軸向電場強度與總電場強度的最大值分別增加了0.68%、1.2%、1.6%。

（3）實驗結(jié)果分析。

在上述的實驗中，筆者采用硅橡膠質(zhì)地的電纜附件，由于它為無定型聚合物，因此對于外界有很大的彈性。橡膠分子進行無規(guī)則的排列方式，這種排列有利于電荷在附件內(nèi)部的運輸。實驗結(jié)果從多個角度反映出了硅橡膠附件的特質(zhì)，它的導(dǎo)電率遠遠大于交聯(lián)聚乙烯，且對于溫度的依賴性也遠遠低于交聯(lián)聚乙烯。通常情況下，多層介質(zhì)的符合截面通常都采用不均勻的介質(zhì)，以滿足電荷的自由移動，正因如此，硅橡膠介質(zhì)在交流或直流電場下能夠產(chǎn)生一種不連續(xù)性，更利于介質(zhì)中的缺陷捕獲自由電荷，進而形成自由電荷的堆積。

三、結(jié)語

綜上所述，本文通過對SR與XLPE介質(zhì)試樣進行模擬實驗，獲取到電纜附件的運行狀況，并了解到了在不同溫度下附件空間電荷的分布情況，得出溫差增大會加劇界面空間電荷積累的結(jié)果。

參考文獻：

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