浅析温度对高压直流电缆中间接头内电场分布的影响

祝炜华

【摘要】随着柔性直流输电技术的发展，高压直流电力电缆在输配电工程中有着极为广泛的应用前景，而中间接头作为高压直流电缆必不可少的附件之一，其性能的好坏对直流输配电系统的安全、稳定运行有着极为重要的影响。相比于传统直流输电技术，柔性直流输电中不要求直流电缆承受极性翻转电压，但直流叠加冲击电压对电缆绝缘的影响较大。如何设计并制造出满足实际需要的高压直流电缆中间接头已成为目前的热点研究课题。

【关键词】温度；接头；电场分布；影响

一、引言

直流电缆接头与交流电缆接头在设计原理和结构上有很大相似性，但也存在较大的差异。交流电压作用下，接头绝缘中的电场呈容性分布，并且可以认为材料的电容率是常数，即不随电场强度 、温度等外界因素的变化而变化。同时，电缆本体交联聚乙烯绝缘与接头硅橡胶增强绝缘的介电常数ε相差不大，一般可认为εXLPE/εSR≈1，该双层复合介质中的电场分布比较均匀。直流电压作用下，绝缘中的电场呈阻性分布，且绝缘材料的电导率 ? 受场强、温度影响较大，表现出严重的非线性。同时，XLPE 与 SR 的电导率差别也很大，?XLPE/?SR≈1/100，双层复合介质中电场分布严重不均匀。更为重要的是在直流电压作用下，聚合物绝缘以及电缆主绝缘和接头增强绝缘交界面上会积累空间电荷，这些空间电荷会严重畸变绝缘中的电场分布，当电压发生突变时，空间电荷与突变电压产生的叠加电场极易引起接头绝缘的放电甚至击穿。

目前，国内外对高压直流电缆中间接头的研究主要集中在聚合物绝缘材料的空间电荷问题上。许多学者开展了聚合物绝缘内空间电荷的形成和无机纳米添加剂对空间电荷的抑制机理的研究，考虑到高压直流电缆在运行中可能承受的不同电压形式及绝缘内的温度梯度分布，本文采用 COMSOL- Multiphysics 软件仿真分析了不同温度梯度作用时，直流电压、直流叠加冲击电压下 250 kV 直流电缆接头中的电场分布情况，以期为高压直流电缆中间接头的设计提供指导。

二、分析

（一）直流电压下的电场仿真分析

直流电压作用下，复合绝缘中的场强按照材料的电导率分布，考虑到 XLPE 与 SR 双层介质的电导率差异及其他条件对 2 者的影响，本文分析了 XLPE 与 SR 在不同电导率之比下的等位线分布，当双层介质的电导率相差很大时，介质中的直流电场分布极不均匀，且电场集中部位随着绝缘材料参数的变化而变化。若 ?XLPE ?SR，高压屏蔽端部电场严重集中，而应力锥根部处的场强极低；若 ?XLPE?SR，应力锥根部处的电场严重集中，而高压屏蔽端部的场强较低；若?XLPE=?SR，高压屏蔽端部的电场仍有集中现象，但相比于 ?XLPE/?SR=1/100 时的电场集中程度已有明显改善，绝缘结构中的电场分布较为均匀，因此，在设计高压直流电缆接头时，应首先确保所用的 XLPE 与 SR 材料的电导率差异在允许范围内，然后再根据 2 者电导率比值確定接头中可能出现的电场集中区域，并采取相应措施来调整电场分布，使之尽可能均匀分布。

（二）温度梯度对直流电压下电场分布的影响

直流电缆在带负荷运行时，线芯发热导致绝缘内产生温度梯度。由于聚合物材料电导率受温度和电场影响较大，因此会导致绝缘内按电导率分布的场强也会随着变化。在低温、低场强情况下，XLPE 与 SR 材料的电导率差异不大，但随着温度和场强的增大，2 种材料的电导率差异最大可达 6～7倍。当直流叠加冲击电压作用时，XLPE 和 SR 绝缘内表面场强均大于外表面场强，且接头内会出现3个场强极大值点，分别是：压接管端部高压屏蔽内侧、压接管端部 SR 内侧、应力锥根部 XLPE 内侧。其中，压接管端部高压屏蔽内侧的场强最大，且不随冲击电压极性和线芯温度的变化而变化。考虑到第2.2节中直流电压作用下并未出现这样的现象，因此这可能是由于直流电压下电场按照电导率分布，而冲击电压下电场按照电容率分布导致的。当冲击电压为正极性时接头绝缘内的场强明显高于负极性冲击电压时的场强，且直流叠加正极性冲击电压作用时，绝缘内侧的场强随温度的升高而降低，而直流叠加负极性冲击电压作用时，绝缘内侧的场强随温度的升高而增大。冲击电压对 XLPE/SR 的界面切向场强有较大影响。当 t=0μs（只有直流电压作用）时，界面切向场强在高压屏蔽端部附近的值较大，而其他部位的值都较小且分布较均匀。随着时间的增加，冲击电压急剧增大，界面切向场强也明显增大并在高压屏蔽端部和应力锥根部附近均发生畸变，当冲击电压达到峰值（t=3.5μs）时，界面切向场强也达到峰值，随后逐渐降低。同时还可以看出，直流叠加负极性冲击电压下的界面切向场强值低于直流叠加正极性冲击电压下的值，这是由于当冲击电压为负极性时，其产生的切向场强被直流电压产 只是在低温、低场情况下能够与 SR 材料的电导率良好配合，而高温、高场时电缆接头内仍会出现局部电场畸变，因此在材料配方领域还应做更多的研究工作。另一方面，直流电压作用下绝缘中的空间电荷也对电缆系统的运行构成很大威胁，目前国内对电缆绝缘系统中空间电荷的研究主要集中在聚乙烯材料，而对电缆附件用硅橡胶材料、三元乙丙橡胶材料中的空间电荷特性研究较少。因此，只有在综合考虑不同温度、不同电压形式下空间电荷特性的基础之上才能设计出性能更好的直流电缆附件。

三、结论

本文通过仿真分析手段，研究了不同温度梯度作用时，直流电压、直流叠加冲击电压下250 kV直流电缆接头中的电场分布情况。通过研究得出如下结论：

绝缘材料电导率的差异直接影响直流电压下电缆接头中电场均匀程度及电场集中区域出现的部位。若 ?XLPE?SR，电场主要集中在高压屏蔽端部；若?XLPE?SR，电场主要集中在应力锥根部；若?XLPE=?SR，电场在高压屏蔽端部附近有轻微集中，电场分布较均匀。电缆接头绝缘内的最大场强随着温度的升高而增大。当 T=298 K 时，最大场强出现在高压屏蔽端部；当T=333K和363K时，最大场强出现在应力锥根部。随着温度的升高，XLPE/SR分界面上的切向场强在高压屏蔽端部呈降低趋势，而应力锥根部附近的界面切向场强则明显增大。当直流叠加冲击电压作用时，电缆接头内会出现3个场强极大值点。其中，压接管端部高压屏蔽内侧的场强最大，且不随冲击电压极性和线芯温度的变化而变化；直流叠加正极性冲击电压作用时，复合绝缘内侧的场强随温度的升高而降低；直流叠加负极性冲击电压作用时，复合绝缘内侧的场强随温度的升高而增大。

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