电力电缆附件中电应力控制方法分析

高 亮，刘义成，孔德波

（绥化学院 电气工程学院，黑龙江 绥化152061）

电能是生产及社会生活各个方面不可缺少的重要能源。它是由发电厂生产后通过输电线路和变配电所的升降压变压器等设备，经输送和分配后供用户使用，并以此构成电力系统。电力系统起着电能生产、输送、分配和使用的作用，在运行过程中要保证其安全性、可靠性和经济性。在电能的传输过程中，电力电缆将各种电气设备及其附件连接在一起，保证电能安全可靠地传输，起到非常重要的作用。

1 电力电缆的发展及结构组成

在电网的构成中，输电线路成为重要的组成部分，尤其是电力电缆占有很大的比重，发挥着独特的优势。电力电缆占地面积小，敷设工作量小，并且电缆运行可靠，受环境影响比架空线路小，这些优点使其在电网中不可替代。对于环境特殊区域，如繁华城区人口密度大的地方和跨度大的江河区域等，为安全可靠地供电，必须采用电力电缆地下敷设方式传输电能。追溯电力电缆的发展历程已有百余年的历史，电力电缆主要经历了从充油电缆、钢管电缆到交联聚乙烯电缆的发展过程。我国目前电缆普遍为聚乙烯绝缘电缆，并且实现了紫外光交联技术在中压电缆中的应用，正在积极研发超净电缆料。

随着科技的发展，电力电缆的种类繁多，但其主要结构组成大体相同（见图1）。电力电缆的结构由内到外主要包括导体、绝缘层和保护层三部分。导体部分起到电流的输运作用，主要以铜和铝材料经过绕制而成，为避免尖端应力集中，其截面多为扇形结构；导体外部主要是绝缘层，主要是隔离导体，使其不受外界干扰，阻断泄露电流，同时分担部分电压力。绝缘层的材质多为聚乙烯、交联聚乙烯和油浸纸等。绝缘层内外均设有屏蔽层，屏蔽电磁干扰，起到保护电缆线芯和电缆绝缘层的作用。保护层制作在绝缘层的外部，可分为内护层和外护层，外护层由内至外依次为内衬层、铠装层和外被层。根据电缆型号和用途的不同，电缆的结构设计也不同。目前电力市场上中低压交联聚乙烯绝缘电力电缆占有很大比重，在电力行业中普遍应用，图2为电压等级为330kV的交联聚乙烯绝缘电力电缆实物图。

图1 电力电缆的结构组成

图2 330kV交联聚乙烯绝缘电力电缆

2 电缆附件中的电场分布

电缆附件包括电缆终端和电缆接头，分别用于电缆与设备的连接终端和电缆与电缆间的连接处。电缆运行中电缆终端处电场分布与电缆本体不同，在正常运行的高压电缆中，三相电缆的每相缆芯都有屏蔽层，与大地相连。因此在电缆正常运行中，电缆上的电场分布与缆芯轴线相垂直，形成由缆芯指向屏蔽层的径向电场分布。在这种情况下电场可均匀分布，电缆能够可靠运行。但在电缆终端制作过程中，通常要切断电缆屏蔽层。屏蔽层的切断会影响电缆中电场均匀分布，屏蔽层断口处的电场会发生畸变，如图3所示。电缆屏蔽层断面处场强分布出现不均匀变化，导致在电缆中不仅存在径向电场分布，同时屏蔽层断面会产生轴向弯曲的电场线，即沿着缆芯轴线弯屏蔽层断面的不均匀电力线（电应力），并且集中于屏蔽层断面，因此屏蔽层断面的电场强度极高，在外加高电压的条件下，此处极易造成电场局部击穿，使电缆绝缘破坏，最终导致电缆运行失效。

图3 剥去屏蔽层电缆终端的电场分布

3 电应力控制方法

电力电缆附件在电网中起到安全可靠的连接作用，能否有效控制电缆断面屏蔽层电应力集中是电缆附件设计制作的关键。电应力控制的实质是控制电缆附件中电场强度的大小和分布。采取结构设计等有效措施疏散电缆附件内部的集中电场，达到均化电场的目的，减小发生局部击穿的概率，从而提高电缆附件运行的可靠性和使用寿命。根据电力电缆的结构组成，电场集中度最大的区域通常位于电缆附件外屏蔽的断面，同时在电缆接头处绝缘层的断面电场畸变也较为严重。因此，对电缆附件处进行结构设计，加厚绝缘层，同时采用应力锥分散法或加入电应力控制层来分散集中应力，改善电场分布。

3.1 应力锥分散法

应力锥分散法就是合理外延电缆外屏蔽层的断口，形成具有弧形的应力锥状，使其零电位形成外张的喇叭形状，增加电力线的弧度，这样可疏散集中的电场强度，改善电场分布（见图4）。在电气角度上，应力锥分散法是最安全可靠的方法。但对电缆附件的绝缘层尺寸要求极为严格，并且在电缆接头处安装复杂，同时要引入润滑油避免形成新的尖端。

图4 有无应力锥电场分布对比

应力锥通常是以硅橡胶（SIR）、三元乙丙橡胶（EPDM）做为绝缘材料，两种绝缘材料性能差异很大。研究指出，高温下SIR的体积电阻率很低，而在25kV／mm电场强度下几乎与场强无关，因此目前超高压电缆附件主绝缘多采用硅橡胶。

应力锥施加在屏蔽层边缘场强集中的位置，其表面为一锥形曲面（见图4），并与屏蔽层相连形成零电位，锥面为等位面。调整应力锥曲线形状参数或应力锥端曲率，可以改变其内电场分布，进而均化电场。目前，广泛采用有限元法分析设计应力锥形状参数或锥端曲率。此法将分析对象划分成有限个单元，每个单元含有若干个节点，根据一定边界和初始条件求解每个节点电势及其他相关量，直观的分析电场分布，改变锥形参数或曲率，调节电场分布。此方法引入计算模型的初始椎形参数，可通过下面公式得到

式中:x，y为应力锥面坐标；U为工频试验电压；Et为锥面轴向场强；r为电缆屏蔽层外半径；R为电缆绝缘外半径；Lk为理想应力锥轴向长度；Rn为增绕绝缘半径。

3.2 电应力层控制法

电应力层控制法，即在电缆半导电屏蔽层断口引入一种具有高介电常数的复合电介质层（电应力层），通过调节电应力层介质的电气参数来调控屏蔽层断口处绝缘表面的电位分布，改善电场分布（见图5）。通常高介电常数电应力控制材料是以聚乙烯或乙丙橡胶等为基体添加胶料而成的复合材料，其介电常数大于20，体积电阻率108～1012Ω·cm。

图5 有无电应力层电场分布对比

电缆绝缘本体和表面的电阻、电容参数的变化直接影响绝缘表面电位的分布。由于电缆屏蔽切断后留下的绝缘本体参数无法改变，只能通过改变此段绝缘表面参数来均化电位。改变电缆末端绝缘表面电阻能有效降低电位，但同时会因表面泄露电流的增加而使电缆绝缘表面发热，电缆会在短时失效，降低其使用寿命。因此，可以增加电缆屏蔽处绝缘表面的电容参数，使其容抗值下降，降低电位。此方法虽会增加电缆屏蔽处绝缘表面电容电流，但电缆不会发热失效。由于电容与介质材料的介电常数成正比，所以可在电缆屏蔽断口处附加一层具有高介电常数的介质材料作为电应力控制层，增大绝缘层表面电容值，降低绝缘层电位，均化畸变的电场。

电应力层控制法能有效缓解电缆终端的集中电场，保证电缆运行的安全可靠，此方法的作用效果在相关研究中得到证实。在电缆绝缘材料中加入具有高介电常数的BaTiO3陶瓷填料，然后在一定面积导体线芯上施加电压，研究绝缘中电场与填料含量间的关系，如图6所示。增加高介电常数BaTiO3填料的加入量，提高复合材料的介电常数，使绝缘中最大电应力降低，起到均化电场分布的作用。

图6 BaTiO3填加量与绝缘中电应力的关系

4 高介电常数复合介质在电缆附件中的应用

采用高介电常数复合材料制作而成的电应力器件，如电应力管、电应力带等，被广泛应用于电力电缆附件中。将这些应力控制器件附在电缆屏蔽层断口处，来疏散此处集中的电应力，使电场沿电缆方向成均匀分布。现有电应力控制材料中胶料多含纳米氧化锌、TiO2、BaTiO3、炭黑等，并且要在这些填料的高含量下形成复合材料介电常数才会达到较高数值。这些材料一般用于中低压35kV等级及以下电缆附件上，高电压条件下电应力控制器件受热而失效。因此，开发新型高介电耐高温电应力控制材料，成为提高电缆电应力控制成效的重要方向。相关研究表明:纳米级高介电陶瓷填料（如钛酸铜钙，CCTO）能有效增加高分子聚合物基体的介电常数，并保持基体良好的机械特性和绝缘特性，相关数据如表1所示。

因此，选择高介电常数的纳米填料，通过结构设计及界面调控手段，实现在低浓度用料下提高控制材料的高介电、耐高温特性，并满足其体积电阻率的控制要求。此方案可提高电缆附件电应力控制器件用料的纯度，降低其成本，实现高压电缆电应力的有效控制，具有广泛的应用前景。

表1 CCTO／聚合物复合电介质材料介电性能

5 结束语

目前电力电缆正向着超高压、特高压方向发展，而电压等级越高，电缆终端上的电场畸变越显著，为此解决电缆附件应力集中问题十分必要。在电力电缆附件的设计制作中，应采用应力锥或引入电应力控制层的方法来疏散电缆屏蔽层断口处的畸变电场。在实际应用中，电应力控制层法的优越性更为显著，而在超高压及以上电压等级的应用，目前还存在应力控制不足。因此，开发新型高介电耐高温电应力控制材料是一个重要途径，能够加快促进电应力层控制法在超高压及特高压电力电缆附件中的应用。

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