高压直流交联聚乙烯电缆接头界面绝缘性能研究

丁曼

摘要：使用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics对高压直流交联聚乙烯电缆接头进行建模，仿真分析接头绝缘与电缆主绝缘界面在不同缺陷情况下的电场分布情况，最终得到界面的绝缘性能，为增强绝缘层的绝缘性能提供参考。

关键词：高压直流;交联聚乙烯;电缆接头;界面;绝缘性能

0 引言

高压直流输电相较于交流输电具有传输容量大、可靠性更高、适合长距离传输、功率和能量损耗小、能够限制系统短路电流等显著优点，已经逐渐成为远距离输电的主流形式。截至2016年，我国共建设1 000 kV特高压输电网络共计7 366 km，建设±800 kV特高压直流电网共计12 300 km，可满足整个华中、华东电力高负荷地区对电能的需求。高压直流电缆作为直流输电系统的重要组成部分，其可靠、安全地运行对高压直流输电网络的稳定性极为重要。交联聚乙烯（XLPE）电力电缆凭借其优异的热/机械特性、电气性能及易安装维护、介质损耗低等优点，被广泛应用于城市配电网中[1]。在电缆带电运行过程中，会受到电、热、水分和运行环境等各种因素影响，绝缘性能劣化，引发放电事故，严重影响电网的可靠供电[2-4]。研究表明，运行高压电缆故障很大比例来自于电缆接头故障，因此，研究高压直流电缆接头的绝缘性能对提高高压直流输电系统的可靠性具有重要意义。

国内外对于高压直流输电电缆终端电场研究较为广泛，刘禹成以110 kV HVDC电缆复合终端为研究对象，以应力锥曲率和不同增强绝缘材料为变量因素，分别建立了不同应力锥曲率半径和不同增强绝缘材料的电缆终端模型，利用COMSOL软件分析平台，分别对极性反转电压与雷电冲击电压作用下，应力锥曲面、增强绝缘层、XLPE绝缘层中的电场强度及XLPE绝缘与增强绝缘交界面的电场强度进行了仿真分析[5];曹雯等利用COMSOL Multiphysics有限元仿真计算软件建立了电缆接头模型，研究表明，界面粗糙颗粒、划痕和湿度都会使附近的区域局部电场强度发生畸变，进而改变电缆接头复合界面电场的分布，影响沿面放电的进程[6];张轩等基于电场数值分析的理论基础，以COMSOL软件为求解工具，建立工频电压下的35 kV电缆模型，针对电缆中最常见且危害性较高的外半导电屏蔽内陷、外半导电屏蔽与主绝缘破损、电屏蔽主绝缘中导电性杂质球这3种缺陷进行电场仿真分析，得到了最大电场强度与电缆绝缘材料损坏程度的关系[7]。

本文采用仿真建模的方法，使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对高压直流电缆接头进行建模，分析计算高压直流电缆主绝缘和接头绝缘界面处的电场分布，研究界面处不同缺陷情况下的电场变化，探讨界面绝缘劣化的机理。

1 高压直流电缆接头的模型建立

电缆主要是由铜芯导体、半导电屏蔽层、交联聚乙烯主绝缘构成，接头绝缘使用硅橡胶材料，最外层是聚乙烯护套。

在仿真软件中对电缆接头各部分的材料进行定义与赋值，本文中所使用到材料、参数如表1所示。

本文引入电流和固体传热两个物理场进行多物理场耦合分析计算，通过控制变量的方法获取在多种因素条件下电缆接头的电场分布。

2 高压直流电缆接头电场仿真分析

对电缆接头施加±320 kV直流电压，可以得到电缆接头各部分轴向电场分布，如图1所示。

由1可知，当电缆运行在稳态情况下，在电缆接头轴向硅橡胶处靠近铜芯内层的电场强度为6 kV/mm，远离铜芯处的外层电场强度为4 kV/mm;交联聚乙烯处的内层电场强度为14 kV/mm，外层电场强度为7 kV/mm。可见在交联聚乙烯处会出现较为明显的电场畸变，可能是因为高压电缆在直流电压作用下的空间电荷积聚，空间电荷会直接影响电场的变化，电荷密度越大，电场的畸变程度越大。

研究表明，电缆长期运行过程中电缆主绝缘及接头绝缘界面处产生的缺陷会导致界面电场畸变，从而导致电缆接头发生故障，因此本文在电缆主绝缘和接头绝缘界面处引入缺陷，研究缺陷对界面电场分布的影响。

在电缆主绝缘交联聚乙烯材料与接头绝缘硅橡胶材料的界面处设置水滴缺陷，界面电场分布如2所示。由图2可知，水滴正中心的轴线上位于电缆两头电场强度改变最明显，场强为12 kV/mm，而在电缆分接头的两端电场强度为26 kV/mm，从数值上与不含缺陷的运行电缆比较就可以看出，水滴使得电缆两头的电场畸变程度要高于电缆中间部分，这就需要加强电缆接头的绝缘性能，防止电压畸变程度过大引发绝缘介质被击穿。

3 结语

本文使用COMSOL Multiphysics软件对电缆接头进行建模，并计算得到电缆主绝缘与接头绝缘界面处的电场分布情况，研究了缺陷对界面电场分布的影响。结果表明，界面缺陷会使该处的电场发生畸变，使得电场强度在缺陷处突然增加。在实际运行中，需要对高压直流电缆绝缘材料进行复合加工，以增强绝缘层的绝缘性能。

[参考文献]

[1] 李忠磊，杜伯学.高压直流交联聚乙烯电缆运行与研究现状[J].绝缘材料，2016，49（11）：9-14.

[2] 王洪新，程树康，文習山，等.XLPE老化过程中交流绝缘参数特性[J].高电压技术，2005，31（3）：7-9.

[3] 陈广辉，王安妮，李云强，等.交流电场下XLPE绝缘空间电荷研究综述[J].电网与清洁能源，2012，28（7）：31-35.

[4] 张运周，冯冰，李明，等.退役110 kV XLPE电缆绝缘材料聚集态结构分析[J].绝缘材料，2016，49（7）：20-26.

[5] 刘禹成.XLPE绝缘直流电缆终端场强分布的仿真分析[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2019.

[6] 曹雯，张云娟，麻焕成，等.缺陷对电缆接头复合界面电场分布影响的仿真分析[J].电网与清洁能源，2016，32（11）：31-36.

[7] 张轩，万书亭，刘荣海，等.电缆主绝缘缺陷电场数值分析[J].云南电力技术，2015（3）：105-109.