66kV电缆主绝缘界面突起对交流电场与直流电场畸变影响的对比研究

2024-03-08重庆泰山电缆有限公司西南大学杨海燕

电力设备管理 2024年2期

重庆泰山电缆有限公司詹陶张亚龚敏西南大学杨海燕曹亮

随着能源需求的持续增长及城市化进程的加快，电网中电力电缆的使用量持续增加，尤其是以XLPE 绝缘为代表的高压电缆。电缆使用量的增加、输电电压等级的提高对电缆的安全稳定运行提出更高要求。无论是交流电缆还是直流电缆，主绝缘中界面突起缺陷会引起电场畸变，使得局部电场增强，加速电缆老化，已成为电缆发生故障的重要原因[1-2]。有效控制主绝缘中界面突起的尺寸是保障电缆安全稳定运行的重要手段之一。

现阶段，针对高电压等级的交流电缆与直流电缆均有标准对界面突起的尺寸进行规定，如GB/T 22078.1—2008规定：500kV 交流电缆中界面无大于0.05mm 的突起；GB/T 31489.1—2015则规定：500kV 直流电缆中界面无0.125mm 的突起[3-4]。文献[2]研究了界面突起形态对交流电场分布的影响，但目前尚未有研究涉及界面突起对交流与直流电场畸变作用的差异。一方面，交流电场与直流电场下电缆主绝缘中电场分布规律截然不同，厘清两者的差异有助于高压电缆的质量控制。另一方面，在一些交流电缆改直流运行的条件下，界面突起对交流电场与直流电场的影响差异不能忽略。

本文在建立66kV 电缆二维模型的基础上，采用有限元法对比分析在交流电场与直流电场下屏蔽向绝缘中突起、绝缘向屏蔽中突起两种情况下电缆主绝缘中电场分布特性，分别研究了空载和满载条件下界面突起对电场畸变的影响。

1 交流与直流电场计算与电缆模型建立

1.1 电场分布计算

介质中的电场遵循高斯定律和电流连续性原理：

式（1）、式（2）中，D 为电位移矢量，C·m-2；ρ 为自由电荷体密度，C·m-3；J 为传导电流密度，A·m-2；t 为时间，s。电流密度J 满足欧姆定律：

式（3）中，γ 为介质的电导率，S·m-1；E为电场强度，V·m-1。

假设介质是线性、均匀且各向同性的，那么有：

式（4）中，ε 为介质的介电常数；ε0为真空的介电常数；εr为介质的相对介电常数。

联立式（1）（2）（3）（4）可得：

在交流场下，由于电缆主绝缘的电导率较低，工频下的传导电流相较于位移电流可以忽略，此时，式（5）简化为：

这样，交流场下电场分布受介电常数和几何结构影响。在电缆工作温度和电场范围内，介电常数保持不变，因此，交流场下电缆主绝缘中电场分布主要取决于几何结构。

但在直流场下，在稳态的情况下，式（4）可简化为：

可见，直流场下电场分布受电导率和几何结构影响。在电缆工作温度范围内主绝缘电导率受电场和温度影响，其电导率γ 与温度和场强的关系可表示为：

式（8）中，A 为与材料有关的常数，V·Ω-1·m-2；φ 为活化能，eV；q 为电子电荷量，C；kb为玻尔兹曼常数，J·K-1；T 为材料温度，K；B 为电场系数，m·V-1。由此可知，直流电场下电缆主绝缘中的电场分布比交流电场下更加复杂。引入电场畸变率衡量界面突起对交流电场与直流电场畸变作用的影响程度，其表达式为：

式（9）中，δ 为电场畸变率，%；EMax为界面突起处的最大场强，V/m；ELoc为无界面突起时对应位置的电场强度，V/m。

1.2 电缆模型

以YJLW03—48/66—400mm2型电缆为研究对象，如图1所示，由内到外依次是导体、内半导电屏蔽、主绝缘和外半导电屏蔽。分别考虑在内半导电屏蔽和外半导电屏蔽有两种界面突起，即屏蔽向绝缘突起和绝缘向屏蔽突起。在二维下建模，界面突起近似为半椭圆形，突起高度、宽度均设置为66kV电缆的临界值125μm。

图1 含界面突起的66kV 单芯电缆模型

电缆空载时，铜导体与外半导电屏蔽之间的温度差为0℃，整根电缆为30℃；电缆满载时，铜导体与外半导电屏蔽之间的温度差为20℃，其中，交流电缆导体运行温度为90℃，而直流电缆运行温度为70℃。电缆结构参数见表1所示。

表1 电缆结构参数

电缆主绝缘的电导率γXLPE数值根据文献[5]设置。使外半导电屏蔽层与缓冲层、金属护套接触良好，将外半导电屏蔽层外边界设置为地电位；铜导体加高电压，即：

式中，UGnd为外半电导屏蔽层外边界电位，V；Ucon为铜导体的电位，V。其中Ucon在交流场下设置为48kV，在直流场下设置为57kV（考虑与交流场下载流量相同）。

电场与电势之间满足关系：

式中，φ 为电位，V。

2 仿真计算结果

2.1 屏蔽向绝缘突起下交流与直流电场分布

2.1.1 空载条件

如图2所示为空载时屏蔽向绝缘突起下电缆主绝缘中交流电场与直流电场分布。由图2（a）可见，当内半导电屏蔽向主绝缘中突起时，交流电场下内半导电屏蔽处的电场发生畸变，最大场强由4.94×106V/m 增加到1.46×107V/m，此时的最大场强出现在突起顶部，电场畸变率达195.55%。当外半导电屏蔽向主绝缘中突起时，交流电场下外半导电屏蔽处的电场发生畸变，最大场强为6.95×106V/m，高于无界面突起时内半导电屏蔽处的电场强度，电场畸变率为195.74%。由图2（b）可见，当内半导电屏蔽向主绝缘中突起时，直流电场下内半导电屏蔽处的电场发生畸变，最大场强由5.87×106V/m增加到1.74×107V/m，此时的最大场强也出现在突起顶部，电场畸变率为196.42%。当外半导电屏蔽向主绝缘中突起时，直流电场下外半导电屏蔽处的电场发生畸变，最大场强为8.30×106V/m，高于无界面突起时内半导电屏蔽处的电场强度，电场畸变率为199.64%。

图2 屏蔽向绝缘突起条件下电缆主绝缘中交流与直流电场分布

由此可见，在空载条件下无论是交流电场还是直流电场，屏蔽向绝缘的125μm 突起在内外半导电屏蔽处引起电场畸变率相差不大，最大场强均出现在内屏蔽处突起附近。

2.1.2 满载条件

如图3所示为满载时屏蔽向绝缘突起下电缆主绝缘中交流电场与直流电场分布。由图3（a）可知，当内半导电屏蔽向主绝缘中突起时，交流电场下最大场强由4.94×106V/m 增加到1.46×107V/m，电场畸变率达195.55%。当外半导电屏蔽向主绝缘中突起时，最大场强为6.95×106V/m，电场畸变率为195.74%。总体来看与空载结果一致。由图2（b）可见，当内半导电屏蔽向主绝缘中突起时，直流电场下内半导电屏蔽处的电场发生畸变，局部场强由2.34×106V/m 增加到6.95×106V/m，此时的最大场强也出现在突起顶部，电场畸变率为197.00%。当外半导电屏蔽向主绝缘中突起时，直流电场下外半导电屏蔽处的电场发生畸变，最大场强为1.72×107V/m，高于无界面突起时内半导电屏蔽处的电场强度，电场畸变率为202.82%。

图3 屏蔽向绝缘突起条件下电缆主绝缘中交流与直流电场分布

由此可见，在满载条件下，屏蔽向绝缘突起对交流电场分布的影响与空载条件下一致。但对于直流电场，此时出现内半导电屏蔽处电场相对较低、外半导电屏蔽处电场相对较高的“反转”现象，最大场强出现在外屏蔽处。

2.2 绝缘向屏蔽突起下交直流电场分布

2.2.1 空载条件

如图4所示为空载时绝缘向屏蔽突起下电缆主绝缘中交流电场与直流电场分布。由图4（a）可知，在空载条件下，当主绝缘向内半导电屏蔽中突起时，交流电场下的局部电场由4.94×106V/m 增加到7.89×106V/m，最大场强出现在突起底部交界处，电场畸变率达59.72%。当主绝缘向外半导电屏蔽中突起时，交流电缆局部电场由2.33×106V/m 增加到2.51×107V/m，尽管此时电场畸变较大，但电场畸变区域较小。由图4（b）可知，当主绝缘向内半导电屏蔽中突起时，直流电场下的局部电场由5.87×106V/m 增加到9.43×106V/m，电场畸变率为60.65%。当主绝缘向外半导电屏蔽中突起时，直流电场下的局部电场由2.77×106V/m 增加到3.02×107V/m，电场畸变率也较大，但畸变区域较小。

图4 绝缘向屏蔽突起条件下电缆主绝缘中交流与直流电场分布

由此可知，无论是交流电场还是直流电场，主绝缘向外半导电屏蔽中突起附近的电场畸变率较高，但电场畸变区域较小。

2.2.2 满载条件

如图5所示为满载时绝缘向屏蔽突起下电缆主绝缘中交流电场与直流电场分布。由图5（a）可知，在满载条件下，当主绝缘向内半导电屏蔽中突起时，交流电场的分布情况与空载条件下一致。此时的局部电场由4.94×106V/m 增加到7.89×106V/m，电场畸变率达59.72%；当主绝缘向外半导电屏蔽中突起时，交流电场下的局部电场由2.33×106V/m 增加到2.51×107V/m。由图5（b）可知，在满载条件下，当主绝缘向内半导电屏蔽中突起时，当主绝缘向内半导电屏蔽中突起时，直流电场下的局部电场由2.32×106V/m 增加到5.74×106V/m，电场畸变率为147.41%。当主绝缘向外半导电屏蔽中突起时，直流电场下的局部电场由5.73×106V/m 增加到5.90×107V/m，电场畸变率也较大，但畸变区域较小。