试论空间电荷效应对直流电缆及附件绝缘界面电场分布的影响

刘菲

摘要：设备的元件、终端与接头等通常都会带有绝缘界面，但这一绝缘界面通常为绝缘的薄弱环节。受到直流电压的影响，绝缘界面会产生温度梯度效应，进而导致空间电荷数量的增加。因此，本文将探析空间电荷效应对直流电缆及附件绝缘界面电场分布的影响，旨在实现高压直流输电在各领域的适用。

关键词：空间电荷效应；直流电缆；电场分布

随着科学技术的发展，大功率设备逐渐被运用到工业生产中，高压直流输电技术也逐渐的取代传统电力运输，成为推动现代生产的重要能源，但受到技术条件的影响，与高压直流输电配套的电缆附件发展却相对落后，为此需要加强对高压直流输电的特性研究，进而推理出空间电荷对电缆内电场分布的影响。

一、直流电缆及附件相关内容综述

（一）运行特点

与交流电缆不同，直流電缆的运行与材料介电常数和材料电导率有关。在电缆运行过程中，受到电荷的影响，电缆线芯发热，并与外侧的绝缘层产生温差，致使温差呈现梯度分布，而电缆内部的电场强度也会随着温度的变化而发生改变。在直流电压的环境下，空间电荷的注入、迁移、复合等都会对电场产生畸变的作用。此外，夹层介质界面极化也会影响到电缆及附件的长期稳定运行。

（二）温差分布

对于直流电缆及附件温差的计算，可运用以下公式。其中U为外加直流电压；θ1与θ2分别为正负电极的温度，在正常条件下，符合界面的接触热阻Rth，c约为0.2mK/W，通过这些已知条件，最终算出流过SR/XLPE双层介质的热流量：

Φ=T1-T2dXLPEλS+Rth，c+dSRλS

在公式中，正电极的热力学温度为T1=θ1+273.15，负电极的热力学温度为T2=θ2+273.15。为了保证试验结果的有效性，笔者将电极间温差设定为Δθ=40℃，XLPE温度值为θ1=60℃，SR电极温度为θ2=20℃，最终得出实验结果为：

TXLPE（χ）=T1-ΦχλS

0<χ

而橡胶层内部温度分布为：

TSRy=T2+ΦyλS

0

在公式中，XLPF的内部热力学温度为TXLPEx=θXLPEx+273.15，SR的内部热力学温度为TSRy=θSRy+273.15。通过两次公式的计算可以得出外部温度为40℃时，SR与XLPE内部温度的分布，受到两者间接触热阻的影响，电缆界面也会出现温度不连续的现象。

二、空间电荷效应对直流电缆及附件绝缘界面电场分布的影响

（1）空间电荷特性。

想要了解空间电荷的特性，就要了解其测量方法。图中为SR与XLPE双层介质在经过两小时电场强度平均加强6MV/m的条件下，再经历十分钟短路后的空间电荷体密度变化特性。在此实验中，SC电极的温差Δθ分别为0℃、20℃、40℃，而AI电极温度分别为20℃、40℃与60℃。从图中我们发现，随着介质试样的内部温度梯度增加，SR与XLPE的侧电极都出现空间电荷大量注入的现象。温度梯度越高，其内部的残余电荷消散越快，致使硅橡胶绝缘电导率不断增大。由此得出电缆界面随着电极温差的变化，界面电荷的密度也会产生变化。

SR、XLPE试样电导率与温度的关系图

（2）温度梯度场协同空间电荷效应下电缆附件界面电场分布。

笔者对SR与XLPE在温差与空间电荷协同作用下的电场分布情况进行试验，并取得以下信息：受到附件内外温差的影响，SR侧径向电场强度也会发生改变，且越靠近应力锥侧的电场强度出现的数值越大。而随着温度的变化，SR靠近高压屏蔽管的轴向电场强与总电场强度都有所降低，但靠近应力锥侧的电场强度却随温度的增加而变大。总结起来一共分为以下几点：

①SR侧径向电场强度受到负极性空间电荷的影响，当Δθ为0℃、20℃、40℃时，在没有空间电荷的作用下，其径向电场强度的最大值分别减小了9.4%、8.3%、7.6%。

②界面应力锥侧的轴向电场强度与总电场强度受到负极空间电荷的影响，当Δθ为0℃、20℃、40℃时，在没有空间电荷的作用下，靠近应力锥侧的轴向电场强度分别减小了3.6%、3.4%、2.6%。其总电场强度分别减小了6.2%、6.3%、5.3%。

③高压屏蔽管侧的轴向电场强度的最大值与总电场强度受到负极性空间电荷的影响，当Δθ为0℃、20℃、40℃时，在没有空间电荷的作用下，靠近高压屏蔽管侧的轴向电场强度与总电场强度的最大值分别增加了0.68%、1.2%、1.6%。

（3）实验结果分析。

在上述的实验中，笔者采用硅橡胶质地的电缆附件，由于它为无定型聚合物，因此对于外界有很大的弹性。橡胶分子进行无规则的排列方式，这种排列有利于电荷在附件内部的运输。实验结果从多个角度反映出了硅橡胶附件的特质，它的导电率远远大于交联聚乙烯，且对于温度的依赖性也远远低于交联聚乙烯。通常情况下，多层介质的符合截面通常都采用不均匀的介质，以满足电荷的自由移动，正因如此，硅橡胶介质在交流或直流电场下能够产生一种不连续性，更利于介质中的缺陷捕获自由电荷，进而形成自由电荷的堆积。

三、结语

综上所述，本文通过对SR与XLPE介质试样进行模拟实验，获取到电缆附件的运行状况，并了解到了在不同温度下附件空间电荷的分布情况，得出温差增大会加剧界面空间电荷积累的结果。

参考文献：

[1]吴锴，朱庆东，王浩森，等.温度梯度下双层油纸绝缘系统的空间电荷分布特性[J].高电压技术，2012，38（9）：23662372.

[2]周远翔，黄猛，陈维江，等.直流电压下多层油纸绝缘介质的界面空间电荷特性[J].高电压技术，2013，39（6）：13041311.