（1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院 宁夏银川 750001
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摘要：大量交流系统运行经验表明，电缆附件一直是电缆系统运行中的薄弱环节。温度是衡量电缆接头运行中绝缘状态是否良好的重要指标。随着接头温度的升高，接头接触电阻增大，会加剧绝缘的老化，对电缆接头的安全运行造成严重威胁。对于直流XLPE电缆中间接头，其绝缘结构电场取决于电导率，而电导率是电场和温度的函数，因此，温度变化必然会对电场分布产生影响。此外，直流电压下，绝缘层及其交界面处很容易造成空间电荷的聚集，导致电场分布的严重畸变，进而加速绝缘老化甚至造成绝缘击穿。相关研究表明，绝缘层温度的变化也会影响空间电荷的聚集。因此，针对直流XLPE电缆中间接头内线芯温度、绝缘层的温度分布以及绝缘层内外表面温差开展相关研究非常必要。国内外学者对直流电缆中间接头温度分布的研究主要集中在充油电缆方面。XLPE绝缘电缆接头耐热性能好，工作温度比充油电缆高，但目前对XLPE绝缘电缆接头的温度分布研究比较少。
关键词：高压直流电缆；接头；暂停电场；分析
1导言
为探索高压直流电缆接头内部电场分布规律，特别是增强绝缘非线性特征对电缆接头内部电场分布的影响，在制备纳米硅橡胶复合材料基础上，借助有限元仿真研究了高压直流电缆接头内部电场分布特征。通过对不同温度梯度、施加电压、极性反转时间及增强绝缘电导特征等因素下电场分布特征的研究，得出如下结论：电场强度最大值位置随温度梯度与施加电压的变化在应力锥根部与导体屏蔽管端部间转移。
2影响因素分析
2.1线芯电流的影响
首先，提取6种电流下温度场分布图中接头导体最高温度和2种绝缘层最高温度来进行研究，分别绘制出不同线芯电流下导线芯最高温度和绝缘层最高温度变化曲线。一是接头导体和XLPE、SIR绝缘层的最高温度都随线芯电流的增大而呈指数增长，其增长趋势一致。这是因为导线芯有电流流过时产生的焦耳热会影响绝缘层的温度分布。二是接头导体最高温度在600 A时为40.08℃，在1 600 A时最高温度为99.24℃；XLPE绝缘层最高温度在600 A时为40.07℃，在1 600 A时最高温度为99.22℃；SIR绝缘层最高温度在600 A时为39.92℃，在1 600 A时最高温度为98.1℃。三是直流高压电缆中间接头导体和绝缘层最高温度受线芯电流影响比较显著，且最高温度数值比较接近。
其次，在ANSYS稳态温度场云图中，提取绝缘层温度值，经过数据处理得到：一是绝缘层内外表面温差受线芯电流的影响较为显著。随着线芯电流的增大，XLPE主绝缘和SIR增强绝缘层的温差分别增大。二是线芯电流为600 A时，XLPE主绝缘层内外表面温差为6.57℃，SIR增强绝缘层内外表面温差为7.02℃；线芯电流为1600 A时，XLPE绝缘层内外表面温差达到46.82℃，SIR绝缘层内外表面温差也达到48.83℃。三是SIR增强绝缘层温差始终比XLPE主绝缘层温差大，是因为SIR绝缘的导热系数要比XLPE绝缘的导热系数小。
2.2接头外表面温度的影响
一是随着电缆中间接头外表面温度的升高，导线芯的最高运行温度以及XLPE主绝缘、SIR增强绝缘层的最高温度呈线性升高趋势。二是在接头外表面温度为10℃时，接头导体最高温度为50℃，XLPE主绝缘层最高温度为49.995℃，SIR增强绝缘层最高温度为49.348℃；在接头外表面温度为50℃时，导线芯最高温度为90℃，XLPE主绝缘层最高温度为89.995℃，SIR增强绝缘层最高温度为89.348℃。三是接头导体和绝缘层最高温度随接头外表面温度变化趋势一致，且最高温度数值非常接近，随径向由内而外依次降低。综上所述，直流高压电缆中间接头的导体最高温度受线芯电流和接头外表面温度的影响特点与交流情况相类似，但直流情况下不存在介质损耗，直流电缆绝缘层温度分布不考虑介质损耗带来的影响，仅需要关注绝缘层温差。
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3电缆接头内部暂态电场分布特征
3.1极性反转过程中电缆接头内部电场分布
同稳态电场分布特征相似，随着温度梯度的增加，极性反转暂态过程中出现的电缆绝缘XLPE与导体屏蔽管端部电场强度的最大值有减小的趋势，而应力锥根部电场强度的最大值随着温度梯度的增大而增加，极性反转过程中电缆接头内部电场强度的最大值始终位于电缆绝缘XLPE内部。除温度梯度因素外，本节给出了极性反转时间、接头绝缘材料热活化能与非线性相关系数对极性反转暂态过程电场强度分布的影响。接头内外温度差为60℃，即线芯温度Tc=363.15 K。当极性反转时间发生变化时，在反转过程中出现的应力锥根部的最大电场强度基本不受影响，保持在(15.4±0.5)k V/mm。电缆绝缘XLPE中电场强度的最大值与导体屏蔽管端部电场强度最大值随着极性反转时间的增加而减小。电缆绝缘XLPE与导体屏蔽管端部最大电场强度近似以e指数函数形式随极性反转时间的增加而减小。因此可以预测在极性反转过程中，电缆绝缘XLPE内部出现的最大电场强度值不会超过27 k V/mm，导体屏蔽管端部出现的最大电场强度值不会超过24 k V/mm。对于电缆接头内部稳态电场强度分布，只要存在明显的温度梯度，接头绝缘内部电场强度最大值一般位于应力锥根部。而对于极性反转过程，发现接头绝缘中电场强度的最大值位于导体屏蔽管端部。
3.2雷电冲击电压过程电缆接头内部电场分布
电力系统中的架空线路受雷电侵扰的概率较大，由此引起的线路跳闸及故障所占比例较高。由于电力系统中多数电缆线与架空线路相连，接头内外温度差为60℃，即线芯温度Tc=363.15 K。由于作为接头绝缘的固体硅橡胶纳米复合材料的热活化能与非线性相关系数都可以通过控制所添加纳米颗粒的大小与添加量进行控制，探索由此而引起的电缆接头内部电场分布特征的变化，对于研究设计稳定可靠的电缆接头附件有实际参考价值。在正极性雷电脉冲与负极性雷电脉冲作用下，电缆接头应力锥根部与导体屏蔽管端部电场强度最大值随接头绝缘材料热活化能与非线性相关系数的变化规律。在雷电脉冲暂态过程中，电缆绝缘XLPE中电场强度最大值随接头绝缘材料热活化能与非线性相关系数的变化并不明显。
4结论
总而言之，首先本文在制备出纳米石墨与炭黑填充的固体硅橡胶复合材料的基础上，借助有限元仿真工具Comsol Multiphysics研究了纳米复合材料为接头绝缘时高压直流电缆接头内部稳态与暂态电场分布特征，认为稳态下接头绝缘内最弱部位主要在应力锥根部。通过改变接头绝缘材料热活化能、非线性相关系数可显著调控稳态下应力锥根部电场强度。其次在极性反转过程中，电缆绝缘XLPE与导体屏蔽管端部电场强度的最大值受极性反转时间影响显著。借助于数值实验数据的函数拟合，可以预测出在极性反转过程中电缆绝缘XLPE与导体屏蔽管端部电场强度的上限值。最后在雷电冲击电压作用下，接头绝缘材料热活化能与非线性相关系数对应力锥根部电场强度的调控作用显著。在正极性雷电脉冲作用下，应力锥根部电场强度的最大值随接头绝缘材料的热活化能的减小或非线性相关系数的增大而减小；然而，在负极性雷电脉冲作用下，应力锥根部电场强度的最大值随接头绝缘材料的热活化能的减小或非线性相关系数的增大而增大。
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论文作者:田禄1,翟亮2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/18
标签：电场论文; 电缆论文; 极性论文; 温度论文; 强度论文; 绝缘层论文; 最高温度论文; 《电力设备》2017年第31期论文;