整体预制式和绕包式XLPE高压直流电缆接头电场分布研究及接头结构优化

陈振新 俞恩科 汪洋 周则威 段然 阙善庭 乐彦杰 陈国志

摘 要：整体预制式和绕包式接头是两种较为常见的电缆接头，由于它们的结构及绝缘的电导率各不同，接头中的电场分布存在较大差异。以50kV交联聚乙烯高压直流电缆接头为研究对象，分别建立了整体预制式接头模型（增厚绝缘材料硅橡胶）和绕包式接头模型（增绕绝缘材料为油浸纸），应用有限元软件计算了温度梯度下两种接头中电场分布。研究发现对于整体预制式接头，当导体与环境温差达到40℃时，应力锥根部的电场强度可达到45kV/mm，存在击穿危险;而对于绕包式接头，同样温差下，应力锥根部的电场强度几乎为0，但反应力锥顶部的电场强度达到30kV/mm。通过对绕包式电缆接头的反应力锥顶部进行结构优化后，可使最大电场强度降低至7kV/mm;通过采用聚四氟乙烯绕包的方式可使反应力锥顶部最大电场强度降低至3kV/mm。以上研究可供高压直流电缆接头设计时参考。

关键词：直流电缆;接头;有限元仿真;电场分布

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.014

中图分类号： TM72

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）06-0077-05

Abstract：Integral prefabricated joint and taped joint are two kinds of widely used cable joint. Because of the different structure and conductivity of insulation there is great difference in the electric field distribution between the two kinds of joints . In this paper 50kV crosslinked polyethylene high voltage dc cable joint is selected as the research object models of Integral Prefabricated Jointsilicone rubber insulated） and taped jointoil impregnated paper insulated） was established and the electric field distribution in the joints was analyzed by comsol software. It is found that the electric field at the root of stress cone reached 45kV/mm for Integral Prefabricated Joint. The electric field at the root of stress cone was nearly 0kV/mm for taped joint but the electric field at the top of reversed stress cone reached 30kV/mm. By optimizing the structure of the taped joint the maximum electric field is reduced to 7kV/mm. By using Teflon as the taped insulation which can reduce the maximum electric field to 3kV/mm. The research is a reference in the HVDC cable joints design.

Keywords：DC cable; joints; finite element simulation; electric field distribution

0 引 言

高壓直流输电在远距离输电上具有线路损耗小和传输效率高等优势，近年来得到了广泛的关注[1-5]。XLPE绝缘高压电缆由于其本体结构较大，受生产装备及制造工艺的限制，无接头制造长度不超过10km，因此，接头技术限制着高压直流电缆在远距离输电上的发展[6]。常见的接头制作方式主要有两种，分别是整体预制式接头和绕包式接头。预制式接头采用橡胶分层注胶工艺，形成内屏蔽、增厚绝缘、应力锥等密切结合的结构，现场只要套装紧固即可，施工方便[7]。绕包式接头制造相对复杂，首先需将靠近导体连接端的绝缘切削呈锥形面（称为反应力锥），然后包缠增绕绝缘，增绕绝缘两端形成应力锥面[8]。两根电缆的屏蔽用经过应力锥及增绕绝缘表面上包缠的导体完全连接起来，形成等位面。两种接头均在交流电缆中得到了广泛应用。但是，在直流电缆中，由于电场是按电导率的反比来分配的，两种接头中，增厚绝缘所用材料的电导率与工厂绝缘XLPE的电导率不同，因此电场分布较为复杂。韩宝忠等计算了整体预制式直流电缆终端的电场分布后发现，应力锥根部，硅橡胶中的电场强度较高，可能引发击穿[9]。陈庆国等发现，温度较高时，采用整体预制式电缆接头，硅橡胶侧有击穿危险[10]。研究者们对不同温度下电缆接头中的电场分布进行了研究，但是电缆接头中的温度分布并不是一个等温面，而是存在温度梯度的。仿真温度梯度下电缆接头中的电场分布更能接近实际状态。另外，绕包式直流电缆接头的电场分布还未见报道。本文以50kV交联聚乙烯高压直流电缆接头为研究对象，分别建立了整体预制式接头模型（增厚绝缘材料硅橡胶）和绕包式接头模型（增绕绝缘材料为油浸纸），应用有限元软件计算了温度梯度下两种接头中电场分布。并对绕包式电缆接头的结构进行了优化，使其电场分布满足绝缘设计要求。

1 接头结构与仿真模型

整体预制式接头结构如图1所示，材料的结构和物理参数如表1所示。绕包式电缆接头的结构如图2所示，具体参数如表1所示。其中油纸绝缘电导率由文[10]中的数据点拟合获得。仿真软件选用COMSOL，采用电流场和热场模块，设置线芯温度为70℃，埋地深度1m，土壤表面为30℃，通过热电耦合，计算稳态时该温度梯度下复合绝缘接头的电场分布。传统的交联聚乙烯绝缘材料的长期最高工作温度通常为90℃，但由于北欧化工交联聚乙烯直流电缆料的工作温度不可以高于70℃，因此本仿真将线芯温度设置为70℃。

2 结果与分析

整体预制式接头在温度梯度下的电场分布如图3所示，从图中可以看出，应力锥根部硅橡胶侧的电场强度达到了27kV/mm。该场强已超过硅橡胶的长期工作场强，存在击穿危险。沿XLPE绝缘内径至应力锥根部做一径向参考线，沿该参考线提取出对应的电导率分布如图4所示。从图中可以看出，硅橡胶的电导率低于XLPE的电导。

绕包式接头在温度梯度下的电场分布如图5所示，从图中更可以看出，应力锥根部油纸侧的电场强度几乎为0kV/mm。沿XLPE绝缘内径至应力锥根部做一径向参考线，沿该参考线提取出对应的电导率分布如图6所示。从图中可以看出，XLPE的电导率明显低于油纸绝缘的电导率达两个数量级，因此油纸中几乎无电场。但是，正是由于这种巨大的电导率差异，导致了反应力锥顶部XLPE中的电场强度过大，达到了30kV/mm。显然，该场强过高，易导致击穿发生。

通过以上仿真分析可以得出，两种结构的接头都存在场强畸变点，都存在绝缘失效的危险。因此两种接头结构都需进行优化处理。

3 结构优化

整体预制式接头的增厚绝缘只能采用橡胶类材料，由于改变橡胶的电导特性难度较大，因此可尝试改变应力锥的与电缆轴向的交角。分别增大和减小应力锥与电缆轴向的交角后，接头电场分布如图7所示。从图中可以看出，改变交角对应力锥根部的电场分布改善无大影响。这是由于无论怎样改变交角，无法改变硅橡胶的电导率特性，应力锥根部的硅橡胶厚度都是极薄的，其电场强度必然较大。

对于绕包式电缆接头，考虑反应力锥顶部场强过于集中，可尝试在反应力锥顶部再引入一个应力锥结构。具体结构如图8所示。应用该结构仿真得到的电场分布如图9所示。从图中可以看出，加入此结构后，之前反应力锥中的场强极大点被明显削弱了。这是由于，新加入的应力锥结构和导体屏蔽之间是等电位的，从而起屏蔽效应压制了反应力锥中的场强过大现象。应用该结构可明显改善接头中的电场分布。

与整体预制式电缆接头相比，绕包式电缆接头中增绕绝缘材料选择面要广的多。考虑反应力锥场强过大的原因是由于XLPE與油纸绝缘的电导率差异过大，因此可改用电导率接近XLPE的增绕绝缘材料。聚四氟乙烯作为一种聚合而成的高分子化合物，其电导率特性与XLPE更为接近。测试不同温度下聚四氟乙烯的电导率如图10所示，从图中可以看出，同油浸纸绝缘相比较，聚四氟乙烯的电导率与XLPE更为接近。仿真分析以聚四氟乙烯做增绕绝缘时接头电场分布如图11所示，从图中可以看出，电场分布明显均化，电场分布合理。

交联聚乙烯绝缘材料相比于硅橡胶、油纸绝缘及聚四氟乙烯绝缘更易产生空间电荷积聚现象。这是由于聚乙烯分子链折叠取向的结晶过程中极易产生缺陷，缺陷可作为陷阱捕获载流子。从仿真结果中可以看出，交联聚乙烯中的电场强度通常都在10kV/mm场强以下，该电场强度下交联聚乙烯中的空间电荷量是可以忽略不计的。电场畸变主要受电导率随温度的变化影响。因此本文的电场分布计算结果与实际电场分布较为接近。

4 结 论

1）采用整体预制式结构制作XLPE直流电缆接头中，由于橡胶类材料绝缘材料的电导率特性与XLPE的电导率特性差别较大，导致应力锥根部的电场强度达45kV/mm，容易引发击穿，并且改变应力锥与轴向的交角对应力锥根部电场分布无明显改善效果;

2）采用绕包式制作XLPE直流电缆接头，用油浸纸绝缘作为增绕绝缘材料，可降低应力锥根部的电场强度，但是反应力锥顶部的电场强度增高至30kV/mm。通过在反应力锥与导体屏蔽相切处引入一应力锥结构，可削弱反应力锥顶部的电场强度。通过改变增绕绝缘材料为与XLPE电导率接近的聚四氟乙烯，可使绕包式接头的电场分布较为均匀。

3）采用绕包式接头制作直流电缆接头时，与预制式接头相比，因增绕绝缘材料的选择面较广，可根据工厂绝缘选取适宜的增绕材料，从而使电场分布得到均化。

参 考 文 献：

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（编辑：关 毅）