電除塵器用電力電纜的絕緣設(shè)計方法

湖南省電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 黃 海

最初國內(nèi)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(chǎn)工藝復(fù)雜、敷設(shè)施工時接頭不便、受場地落差影響大、使用過程中容易產(chǎn)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(lián)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(shè)簡便、工作環(huán)境要求低等優(yōu)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(fù)電荷，電纜的交聯(lián)聚乙烯絕緣介質(zhì)會長時間工作在固定的直流電壓環(huán)境下，正電荷或負(fù)電荷會不斷向絕緣介質(zhì)內(nèi)部注入，導(dǎo)致絕緣的導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽交界面以及絕緣介質(zhì)內(nèi)部都會產(chǎn)生空間電荷。交聯(lián)聚乙烯絕緣材料本身具有一定抑制產(chǎn)生空間電荷的能力，電纜運行初期產(chǎn)生的空間電荷數(shù)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(dǎo)致絕緣介質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)畸變的局部場強，受到長時間作用的熱應(yīng)力和電場應(yīng)力，絕緣介質(zhì)材料老化被加速，造成交聯(lián)聚乙烯絕緣材料內(nèi)部缺陷增多，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的擊穿和老化，使電纜的運行安全出現(xiàn)隱患。相關(guān)研究結(jié)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(zhì)內(nèi)電場出現(xiàn)畸變而產(chǎn)生的電氣擊穿，這種絕緣介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的畸變電場主要有以下兩個原因。

1.1 絕緣材料的電導(dǎo)率隨溫度和場強變化

當(dāng)電纜工作在交流電場時，絕緣材料的介電常數(shù)ε通常不會因溫度或電場出現(xiàn)較明顯變化，可看做絕緣的介電常數(shù)保持恒定。但在直流電場下絕緣材料的電導(dǎo)率σ則直接影響了內(nèi)部電場的分布。絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)率不同于介電常數(shù)，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(xiàn)在絕緣層內(nèi)側(cè)；電纜負(fù)載時導(dǎo)體損耗發(fā)熱造成電纜的絕緣層內(nèi)側(cè)和外側(cè)間產(chǎn)生溫度差，絕緣層內(nèi)側(cè)的絕緣電阻遠(yuǎn)低于絕緣層外側(cè)的絕緣電阻，電場強度最高值產(chǎn)生在絕緣層外側(cè)（圖1），這與交流工況下電纜絕緣導(dǎo)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(xiàn)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(zhì)空間電荷，導(dǎo)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(dǎo)致電纜擊穿[2]。這是因為交聯(lián)聚乙烯絕緣在生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)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(dǎo)致電纜絕緣局部電場強度增加，使絕緣擊穿低于設(shè)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(shù)是溫度和電場的函數(shù)，絕緣電阻系數(shù)隨溫度的升高呈指數(shù)下降，而電導(dǎo)則隨溫度的升高呈指數(shù)增長，通過大量的測試可推導(dǎo)出公式，式中ρ0為標(biāo)準(zhǔn)溫度下的電阻率；α為絕緣材料的溫度系數(shù)；β為絕緣材料的場強系數(shù)[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(dǎo)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(dǎo)率：

3 電除塵電力電纜絕緣的設(shè)計

3.1 絕緣材料的選擇

為了解交聯(lián)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(shù)開展了大量研究，常用解決辦法一是提高交聯(lián)聚乙烯材料的純度、二是在交聯(lián)聚乙烯材料中增加適當(dāng)濃度的無機(jī)填料或極性基團(tuán)如納米SiO2、納米MgO等。試驗表明，絕緣材料中的無機(jī)填料或極性基團(tuán)能有效捕集交聯(lián)劑分解殘渣、離子雜質(zhì)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(shù)應(yīng)根據(jù)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(xué)工業(yè)為代表的超純交聯(lián)聚乙烯材料和以陶氏化學(xué)工業(yè)為代表的納米改性交聯(lián)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(chǎn)生的能力，并確保直流電纜的安全穩(wěn)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(shù)、K2為溫度系數(shù)、K3為不確定性的安全系數(shù)；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(hù)等級、M為避雷器保護(hù)等級容差、K為空間電荷對沖擊擊穿電壓的影響指數(shù)、K1為老化系數(shù)、K2為溫度系數(shù)、K3為不確定性的安全系數(shù)。

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(zhuǎn)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(diào)之和，即V=Vimp'+k×Vdc，式中imp'為工頻電壓與沖擊電壓產(chǎn)生的疊加電壓、k為與疊加電壓相關(guān)的參數(shù)；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(nèi)，通過循環(huán)的熱空氣，經(jīng)過一段時間后脫除絕緣層中交聯(lián)副產(chǎn)物的工藝過程。交聯(lián)聚乙烯在絕緣擠出過程中會產(chǎn)生交聯(lián)副產(chǎn)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(lián)副產(chǎn)物電解產(chǎn)生的雜質(zhì)離子將在絕緣層和半導(dǎo)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(chǎn)生，絕緣層擠包完成后一定要對絕緣線芯進(jìn)行脫氣處理。相關(guān)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(lián)聚乙烯絕緣電力電纜是一種特殊的中壓直流電纜，絕緣設(shè)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(lián)聚乙烯材料，絕緣線芯必須進(jìn)行脫氣工藝處理來保證電纜性能的穩(wěn)定。