高压直流XLPE绝缘电缆附件设计

张 荣， 徐 操， 闻 飞

(上海三原电缆附件有限公司，上海201206)

0 引言

虽然长距离高压直流输电有很多优势，而直流交联聚乙烯(XLPE)电缆又具有绝缘工作电场强度高、绝缘厚度薄、重量轻、安装容易等优点［1］，但是相对于XLPE在交流输配电中获得的广泛应用，在直流高压输电上却未能推广使用。这是因为直流XLPE绝缘电缆在运行过程中，有时为了改变能量传送方向，需要改变电缆的极性，而电缆在有负载的情况下，改变电缆极性可能使电缆内部电场强度增加50% ～70%［2］。同时，在直流高压作用下，空间电荷使绝缘体中的电场分布严重畸变，使局部场强比平均电场高5～11倍［3～4］，很有可能导致绝缘的击穿。

随着直流输电技术和纳米科技的发展，目前已经有多个国家研制出了适合直流XLPE输电的新绝缘材料，克服了原有直流XLPE输电过程中存在的空间电荷积累问题［5］。世界上已有多条高压直流线路采用了高压直流XLPE绝缘电缆，并且运行状况很好。根据报道［6～7］，日本高压直流 XLPE 电缆已经发展到±500 kV，并且可以经受“极性反转”的变化和雷电冲击的作用。

直流电缆在发展中吸取了几乎所有交流电缆的研制经验和成果，所以在结构上与交流电缆有很多相似之处。以前投入直流输电回路的电缆有粘性浸渍型、充气型和充油型三种结构。我国近几年来投入运行的高压直流电缆大都以充油电缆为主，终端也大多是采用传统的油纸终端，内绝缘采用增绕式结构。随着高压直流XLPE电缆输电技术的发展，与之配套的直流电缆附件也应开展相应的研究工作。本文的目的就是对高压直流XLPE电缆附件进行设计分析，并对研制的110 kV电缆直流终端样品进行了直流型式试验。

1 高压直流XLPE电缆附件的内绝缘设计

1.1 理论依据

交流XLPE电缆附件的绝缘均为线性、各向同性，因此其电位移矢量D与电场E满足媒质性能方程:

式中，D为电通量密度;ε0为真空介电常数;εr为绝缘的相对介电常数;E为附件绝缘层中的电场强度分布。

而在直流XLPE电缆附件绝缘中，电流密度J与电场E满足:

式中，J为电通量密度;γ(E，T)为绝缘材料的电导率。

根据麦克斯韦方程组理论知道，D/t具有电流密度的量纲，称为位移电流密度。在交流电场下，电通量密度D随着时间而变化，所以电场强度E也随着时间而变化。这样，式(1)、式(2)所表示的本构方程在形式和量纲上是相似的，从而决定了两者在结构和设计原理上具有一定的相似性。

但是直流与交流XLPE电缆附件的设计中也存在较大的差异性，即上述两个方程中的本征参数的性质不同。交流电场下，应遵循式(1)，本征参数为E，它随电场和温度的变化较小;而直流电场下，应该遵循式(2)，本征参数为γ(E，T)，它随电场和温度显著变化，有时达几个数量级［8］。从而导致直流电缆主绝缘与附件绝缘交界面处可能因两种材料的电导率相差比较大而积聚大量的界面空间电荷。空间电荷若长时间积累，则使该界面中的电场畸变，从而导致界面击穿。因此，在直流XLPE电缆附件的内绝缘设计中，界面空间电荷的抑制是最关键的。

1.2 高压直流XLPE电缆附件的内绝缘设计依据

电缆附件的绝缘结构设计中存在不同绝缘材料组成的复合绝缘。不同绝缘材料的电导率不可能完全一致，而直流电缆附件的电场分布取决于电导率，因此高压直流XLPE电缆附件的内绝缘设计与其电导率密切相关。本文以绝缘结构相对简单的中间接头为例，通过分析电缆绝缘和接头绝缘的电导率比值对直流附件绝缘中的电场分布的影响，找到高压直流XLPE电缆附件的内绝缘设计依据。

电缆绝缘与接头绝缘的相对介电常数、电导率参数选择见表1。针对表1中的三种情况，施加直流110 kV电压，采用有限元仿真软件进行仿真分析，得出表1中三种情况下的中间接头电场分布如图1～图3所示。同时，在情况1的模型上，施加交流110 kV电压，其电位分布如图4所示。

表1 橡胶绝缘材料相对介电常数、电导率参数选择

图1 情况1直流电位分布

图2 情况2直流电位分布

图3 情况3直流电位分布

图4 情况1交流电位分布

由图1可以看出，对于直流电缆附件，如果电缆绝缘电导率远大于接头绝缘的，其直流电位分布主要集中在接头绝缘的高压屏蔽处，此处电位分布极不均匀。从图2可以看出，如果电缆绝缘电导率远小于接头绝缘的电导率，其电位分布主要集中在接头应力锥曲线根部，此处电场分布极不均匀。针对情况1和情况2，如果接头绝缘的界面压力不足或长期老化松弛后，在极不均匀的电场作用下，再考虑界面空间电荷的累积效应，那么界面很容易发生击穿。

如果将电缆绝缘与接头绝缘的电导率之比合理控制在一定的范围之内，如情况3，则使其比值接近于1。通过图3可以看出，直流电压作用下的电位分布相对均匀，与交流情况下的电位分布类似。选取图1～图4中的电缆绝缘与接头绝缘的界面沿面的切向电场数值，对比分布如图5所示。

图5 接头与电缆绝缘界面沿面的切向电场分布

通过图5可以看出，如果电缆绝缘与接头绝缘的电导率之比控制不当，会导致局部电场强度过高。如果将两者的电导率之比控制在一定的范围之内，直流电场分布与交流电场分布类似，界面的电场强度分布相对均压。因此，如果直流电缆附件仍然沿用交流电缆附件的结构，则要慎重选取直流电缆绝缘和电缆附件的绝缘材料的电气性能参数，不能单纯地追求绝缘材料电导率越低越好，而是要与直流电缆的绝缘材料的电导率相互匹配。

在直流电压作用下，如果考虑到温度梯度场的作用，电缆附件中的电场分布就复杂得多。因为绝缘材料电导率既是电场的函数，又是温度的函数［9］，因此在不同电场(温度场)的作用下，还需要将电缆绝缘与橡胶件绝缘材料的电导率之比控制在一定的范围内，这样才能有效减少界面电场强度的畸变，起到抑制界面空间电荷的作用。

2 直流XLPE电缆附件主绝缘材料的选取

三元乙丙橡胶(EPDM)及硅橡胶(SIR)是高压交流电缆附件常用的两种绝缘材料，它们各有特点，在交流电缆附件中都得到广泛使用。

目前广泛使用的液体注射SIR，配方全部由材料厂家掌握，电缆附件厂无能力进行材料改性。而采用EPDM的附件厂家一般都具有材料开发的能力，因此在开发直流XLPE电缆附件主绝缘材料配方上具有一定的优势。

在直流电压作用下，通过实验对EPDM/XLPE、SIR/XLPE的双层介质中空间电荷的测试后发现，EPDM/XLPE构成的双层介质中界面电荷积聚比较少。因此结合上述分析，我公司在开发直流XLPE电缆附件主绝缘材料首选EPDM。

根据GB/T 1408.2—2006，对交流电缆附件用的EPDM材料进行直流介电强度试验，其短时击穿强度是工频电压下的2.5倍左右。因此，在进行直流XLPE电缆附件结构设计上除了要考虑两者绝缘材料的电导率之比控制得当之外，其电气结构尺寸还可设计得更加紧凑，即在设计直流电缆附件的结构时，可适当提高设计场强的值。

3110 kV直流XLPE电缆户外终端的设计与研制

110 kV直流XLPE电缆户外终端的大体结构仍沿用交流户外终端的结构，内绝缘的结构设计也是沿用交流的内绝缘设计方法，但是为取得电场优化分布，应根据直流电场分布的特点，对关键部件橡胶应力锥及内外绝缘配合进行特别设计。

在进行直流终端外绝缘设计时需要考虑大气环境条件下的爬电比距。在直流电压作用下，由于终端外绝缘周围电场作用而产生静电吸引，污秽问题比交流情况下严重得多，所以外绝缘的爬电长度必须增大。根据国外有关资料，在新西兰Cook海峡的±250 kV电缆终端，设计时瓷套的爬电比距取51 mm/kV，并且其中一半以上的距离在瓷套裙边的内侧，不易受到污秽，然而在实际使用时则多发生污秽事故，最后不能不在终端旁边装置固定冲击装置，定时冲洗。

根据国内外有关资料，将运行于直流线路上外绝缘瓷套管的有关外绝缘的主要参数列于表2［9］。

表2 直流瓷套管的外绝缘数据

根据表2中各个直流工程中外绝缘瓷套的爬电比距的选取，我们确定了110 kV直流户外终端瓷套管的主要尺寸、参数，委托厂家加工制作。

根据以上分析，我们公司对直流电缆附件的EPDM绝缘材料进行了改型研究，即将电缆绝缘与橡胶件绝缘材料的电导率之比仍控制在一定的范围内，从而起到抑制界面空间电荷的作用。该绝缘材料基本电性能优于GB/T 11017.3中要求的材料性能，并通过空间电荷测试、短时直流击穿测试、研究，初步判断该型材料适用于直流交联电缆附件。据此我们研制开发了直流EPDM应力锥和110 kV直流户外终端。

根据大电网会议推荐的标准CIGRE 219［10］，以及国家电线电缆质量监督检验中心技术规范TICW 7—2011《额定电压250 kV及以下直流输电用挤包绝缘电力电缆系统试验规范》，我们研制的110 kV直流户外终端于2012年5月在国家电线电缆质量监督检验中心通过了直流电缆附件的型式试验项目。试验内容包括:室温下的直流耐压试验、负荷循环试验、直流叠加操作冲击电压直流以及直流叠加雷电冲击电压等。

4 结束语

(1)直流XLPE电缆附件的结构可以沿用交流电缆附件的结构，但是应根据直流电场特点，对关键部件橡胶应力锥及内外绝缘配合进行特别设计。

(2)直流电缆附件的内绝缘应进行改性研究，使之在不同温度下与电缆绝缘的电导率比值接近，可以起到抑制界面空间电荷的作用。

(3)在设计电缆附件外绝缘时，尽量取加大瓷套外绝缘有效高度，提高瓷套外绝缘爬电距离。

(4)在直流终端结构设计中，要根据直流电压的电场分布情况合理设计外绝缘的结构，从而使得内外绝缘合理配合。

［1］屠德民.高压直流电力电缆的发展概况［J］.电气电子教学学报，2001，23(2):5-10.

［2］刘子玉.电气绝缘结构设计原理上册［M］.北京:机械工业出版社，1981.

［3］Mizutani T.High field phenomena in polymeric insulating materials［C］//1996 Asian Int Conf on Dielect and Elect Insul.Xian Jiaotong University，1996:1-4.

［4］Zhang Y，Lewiner J，Alquie C.Evidence of a strong core relation between space charge build up and breakdown in cable insulation under DC stress［C］//Fourth Int Conf on Insulated Power Cables.Versailles，France，1995:697-701.

［5］徐明忠，赵 洪.MgO/LDPE纳米复合材料制备及其空间电荷特性［J］.高电压技术，2012，38(3):684-690.

［6］Tracey L H，Robert P B，Robert J F，et al.A general review of polymeric insulation for use in HVDC cables.Electrical Insulation Magazine，IEEE，2003，19(1):13-24.

［7］Yamanaka T，Maruyama S，Tanaka T.The development of DC+/-500 kV XLPE cable in consideration of the space charge accumulation［C］.Proceedings of the 7thInternational Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials，Nagoya，2003:689-694.

［8］顾 金，王俏华，李旭光，等.30kV直流XLPE电缆电场及温度场的仿真计算［J］.电线电缆，2009(6):9-12.

［9］张恩跃，邢昇璋.直流穿墙套管的设计研制及分析［J］.避雷器，1999(3):3-9.

［10］CIGRE 219:Recommendations for testing DC extruded cable systems for power transmission at a rated voltage up to 500 kV［S］.