摘要：本文为研究碳化硅涂层对硅橡胶电缆配件热场分布的影响，对涂以硅橡胶电缆附件的碳化硅涂层热稳定性进行测试，电缆配件使用Comsol轴建立对称的仿真模型，讨论了碳化硅涂层的厚度和电导率的温度场分布和电缆附件的最高温度对电缆附件热场的影响。仿真试验结果表明，在硅橡胶电缆附件、电缆附件的应用电流中，最高温度随着SiC涂层导电率和厚度的增加而降低。
关键词：碳化硅涂层；硅橡胶电缆附件；热场分布；影响
1前言
随着城市电网的快速发展，电力电缆被广泛应用于城市电网，以满足日益增长的电力需求，提高电力供应的可靠性。硅橡胶电缆附件因其耐高温、耐低温、耐电晕、抗老化、抗电磁干扰、软特性等特点，广泛应用于输配电线路及相关配电设备的电缆附件中。在硅橡胶电缆表面添加SiC涂层，可以使电场分布均匀，对电缆附件的绝缘性能影响不大。电缆附件的研究主要集中在电缆附件的电场和应力分布上。主要采用有限元法对10kv电缆附件的典型缺陷进行了数值模拟，分析了其电场强度和绝缘失效原因。研究了电场对硅橡胶电分支生长特性和击穿强度的影响。讨论了电压频率对硅橡胶支路生长特性的影响。在一定的电压下，增加了电压频率，降低了硅橡胶中电场的起始时间。研究了硅润滑脂和氟硅脂在不同涂层条件下的性能。硅橡胶界面击穿强度的特性，在普通硅胶样品的条件下的影响比氟硅润滑脂样品具有更高的击穿电压。碳化硅涂层对硅橡胶电缆热场分布的影响研究较少，电缆附件的断裂与热场分布和最高温度密切相关。因此，有必要分析碳化硅涂层对硅橡胶电缆热场分布的影响。主要采用硅橡胶电缆附件进行热稳定性试验，建立了基于有限元模拟软件Comsol的电缆附件轴对称模型，讨论了SiC涂层厚度和电导率对电缆附件的热场分布和最大温度的影响。
2有限元计算模型分析与建立
电缆附件和电缆属于轴对称结构，电缆附件的设计只需要考虑绝缘的工频工作场强，附件的硅橡胶绝缘层厚度（Δt）及附件轴向长度（Lk）已有相应的计算公式。应力界面曲线为对数模型，运用有限元方法按二维轴对称整体结构进行建模，它们的电场分布也是一个轴对称场，轴向及径向零电位边界定义在直径为附件圆柱直径数倍的圆柱底面或曲面上，根据唯一性定理，模型区域内的导体外电场唯一确定，其电位分布满足泊松方程∇2φ=-ρ/ε，由于导体外没有自由电荷分布（即ρ=0），即在求解域内求解拉普拉斯方程∇2φ=0。按静态二维场结构进行分析，然而在实际工程中，往往存在许多界电磁场问题，不能直接利用有限元法进行计算，常在远离中心场域处设置电位或磁位衰减为零的人工边界，边界范围取值越小，计算的精度越高。参照GB/T11017.3—2014《额定电压110kV（Um=126kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件第3部分：电缆附件》，本研究选用15kV高压电缆附件，耐压时间为5min，常用的工频试验电压为54kV，取线芯截面积为35mm2，根据电磁场衰减规律和运行经验，边界范围取值设为300mm，电缆附件绝缘层长度取70mm，附件中硅橡胶、交联聚乙烯、空气3种介质的介电常数分别为εn、ε1、ε0，经查找和计算的模型参数如表1所示，建立有限元计算模型如图1所示，在模型上电位分布φ满足二维拉普拉斯方程∇2φ=0，引入φ满足的边值条件如下面公式所示，开展电场强度的计算分析。
通过相关的计算公式我们可以得到，B=Ra-1ra、a=εnε1，其中ε1为电缆本体绝缘的相对介电常数；rc为导体层外半径；R为本体绝缘外半径；U1为电缆承受电压，根据不同标准取设计电压UAC；Rn为硅橡胶绝缘层外半径；εn为电缆硅橡胶绝缘的相对介电常数；Et为切向场强；En为法向场强；∇φ为电位φ的梯度。
3电缆附件热稳定性试验
为了对电缆附件的热稳定性进行测试，把电缆附件试样的两端使用金属夹具进行固定，然后再施加电流，电流从0开始依次升高至500mA，试样在大约10min以后出现了被击穿的现象。
4电缆附件仿真分析
分析了SiC涂层对电缆附件热稳定性的影响，并且分析了试样破裂的原因。建立了由夹具、碳化硅涂层和硅橡胶电缆附件组成的硅橡胶电缆的轴对称仿真模型。实际测量了碳化硅涂层的电阻率为230Ω。其电导率为电阻率的倒数，即4.3x10-3s/m，SiC涂层厚度为2mm，因此，热传递求解域参数设置可以通过查找相关资料，通过进行计算来获得数据的结果。
电缆附件表面积为0.0325m2，施加0.5A电流，由电流密度计算公式（1）可计算出电流密度为15.385A/m2。
在仿真模型中金属夹具上施加电流密度为15A/m2的电流源，得到热场仿真结果。
从结果中我们就可以看出，当SiC涂层厚度为2mm时，电缆附件的最高温度为4.11x109K，最高温度的位置与样品分解的位置相同。在计算结果的显示中，最大的电场强度为1.77×106v/m，最大磁场强度在夹具接触的电缆配件上，这是由于夹具接触的电缆附件的电场畸变是最严重的，电场强度的分布是很不均匀的。功率和热的计算公式如、就是（2）计算公式和（3）计算公式所示，电缆附件的功率与应用电流有关，热量以及温差是呈线性关系的。功率与热的关系如（4）计算公式所示，因此，应用电流后电缆附件的击穿点可能是热场或其附近位置的最高点。由于SiC具有非线性伏安特性，当电场超过一定数量时，电导率增大，电流急剧增加，加热增加，电场可转化为热能。因此，当电流被应用时，电缆附件会被击穿，击穿位置与热场分布密切相关。
4.1SiC涂层电导率对电缆附件热场分布的影响
SiC涂层的电导率范围一般在10-11~107S/m，我们在仿真实验中所设置的电缆附件SiC涂层的电导率是10-4S/m、10-3S/m、10-2S/m、10-1S/m、1S/m、10S/m、102S/m、103S/m、104S/m、105S/m、106S/m、107S/m，通过试验计算得到热场仿真结果，并把不同SiC涂层电导率下电缆附件的最高温度绘画成曲线。根据仿真试验的结果表明，随着SiC涂层导电率的增加，电缆附件的最高温度降低。当SiC涂层的电导率大于105S/m时，电缆附件的温度下降没有明显。
4.2SiC涂层厚度对电缆附件热场分布的影响
当SiC涂层厚度分别为1mm和4mm时，电缆附件的热场模拟结果如图五和图六所示。从实验结果我们也可以看出，SiC涂层厚度不同，电缆附件的最高温度不同，最高温度的位置不同。当SiC涂层厚度为1mm时，温度峰值位于电缆附件弧段的中点；当SiC涂层厚度为4mm时，温度峰值位于电缆附件凹与夹具接触点处。当SiC涂层厚度分别为1mm、2mm和4mm时，对电缆附件的最高温度进行记录，留待参考计算使用。
从记录的数据中可以看出，随着SiC涂层厚度的增加，电缆附件的最大温度急剧下降。从上文中不难发现电缆附件最高温度的位置不同，这是由于SiC涂层厚度和夹紧位置对热场分布的影响较大。
5结束语
本文基于对硅橡胶电缆附件测试的热稳定性试验，发现SiC涂层对硅橡胶电缆附件的热稳定性有着非常大的影响，从而通过建立电缆附件有限元仿真模型，研究了SiC涂层的导热系数和厚度对电缆附件的影响。仿真的结果表明，该电流适用于硅橡胶电缆附件，热场分布不均匀，电缆附件的最高温度随SiC涂层导电率和厚度的增加而降低。
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论文作者:戴超,戴玉,戴文忠,戴章,吴钰娟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/15
标签：涂层论文; 电缆附件论文; 硅橡胶论文; 电场论文; 厚度论文; 电流论文; 碳化硅论文; 《电力设备》2018年第3期论文;