高壓直流XLPE絕緣電纜附件設(shè)計

張 榮， 徐 操， 聞 飛

(上海三原電纜附件有限公司，上海201206)

0 引言

雖然長距離高壓直流輸電有很多優(yōu)勢，而直流交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜又具有絕緣工作電場強(qiáng)度高、絕緣厚度薄、重量輕、安裝容易等優(yōu)點［1］，但是相對于XLPE在交流輸配電中獲得的廣泛應(yīng)用，在直流高壓輸電上卻未能推廣使用。這是因為直流XLPE絕緣電纜在運行過程中，有時為了改變能量傳送方向，需要改變電纜的極性，而電纜在有負(fù)載的情況下，改變電纜極性可能使電纜內(nèi)部電場強(qiáng)度增加50% ～70%［2］。同時，在直流高壓作用下，空間電荷使絕緣體中的電場分布嚴(yán)重畸變，使局部場強(qiáng)比平均電場高5～11倍［3～4］，很有可能導(dǎo)致絕緣的擊穿。

隨著直流輸電技術(shù)和納米科技的發(fā)展，目前已經(jīng)有多個國家研制出了適合直流XLPE輸電的新絕緣材料，克服了原有直流XLPE輸電過程中存在的空間電荷積累問題［5］。世界上已有多條高壓直流線路采用了高壓直流XLPE絕緣電纜，并且運行狀況很好。根據(jù)報道［6～7］，日本高壓直流 XLPE 電纜已經(jīng)發(fā)展到±500 kV，并且可以經(jīng)受“極性反轉(zhuǎn)”的變化和雷電沖擊的作用。

直流電纜在發(fā)展中吸取了幾乎所有交流電纜的研制經(jīng)驗和成果，所以在結(jié)構(gòu)上與交流電纜有很多相似之處。以前投入直流輸電回路的電纜有粘性浸漬型、充氣型和充油型三種結(jié)構(gòu)。我國近幾年來投入運行的高壓直流電纜大都以充油電纜為主，終端也大多是采用傳統(tǒng)的油紙終端，內(nèi)絕緣采用增繞式結(jié)構(gòu)。隨著高壓直流XLPE電纜輸電技術(shù)的發(fā)展，與之配套的直流電纜附件也應(yīng)開展相應(yīng)的研究工作。本文的目的就是對高壓直流XLPE電纜附件進(jìn)行設(shè)計分析，并對研制的110 kV電纜直流終端樣品進(jìn)行了直流型式試驗。

1 高壓直流XLPE電纜附件的內(nèi)絕緣設(shè)計

1.1 理論依據(jù)

交流XLPE電纜附件的絕緣均為線性、各向同性，因此其電位移矢量D與電場E滿足媒質(zhì)性能方程:

式中，D為電通量密度;ε0為真空介電常數(shù);εr為絕緣的相對介電常數(shù);E為附件絕緣層中的電場強(qiáng)度分布。

而在直流XLPE電纜附件絕緣中，電流密度J與電場E滿足:

式中，J為電通量密度;γ(E，T)為絕緣材料的電導(dǎo)率。

根據(jù)麥克斯韋方程組理論知道，D/t具有電流密度的量綱，稱為位移電流密度。在交流電場下，電通量密度D隨著時間而變化，所以電場強(qiáng)度E也隨著時間而變化。這樣，式(1)、式(2)所表示的本構(gòu)方程在形式和量綱上是相似的，從而決定了兩者在結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理上具有一定的相似性。

但是直流與交流XLPE電纜附件的設(shè)計中也存在較大的差異性，即上述兩個方程中的本征參數(shù)的性質(zhì)不同。交流電場下，應(yīng)遵循式(1)，本征參數(shù)為E，它隨電場和溫度的變化較小;而直流電場下，應(yīng)該遵循式(2)，本征參數(shù)為γ(E，T)，它隨電場和溫度顯著變化，有時達(dá)幾個數(shù)量級［8］。從而導(dǎo)致直流電纜主絕緣與附件絕緣交界面處可能因兩種材料的電導(dǎo)率相差比較大而積聚大量的界面空間電荷。空間電荷若長時間積累，則使該界面中的電場畸變，從而導(dǎo)致界面擊穿。因此，在直流XLPE電纜附件的內(nèi)絕緣設(shè)計中，界面空間電荷的抑制是最關(guān)鍵的。

1.2 高壓直流XLPE電纜附件的內(nèi)絕緣設(shè)計依據(jù)

電纜附件的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在不同絕緣材料組成的復(fù)合絕緣。不同絕緣材料的電導(dǎo)率不可能完全一致，而直流電纜附件的電場分布取決于電導(dǎo)率，因此高壓直流XLPE電纜附件的內(nèi)絕緣設(shè)計與其電導(dǎo)率密切相關(guān)。本文以絕緣結(jié)構(gòu)相對簡單的中間接頭為例，通過分析電纜絕緣和接頭絕緣的電導(dǎo)率比值對直流附件絕緣中的電場分布的影響，找到高壓直流XLPE電纜附件的內(nèi)絕緣設(shè)計依據(jù)。

電纜絕緣與接頭絕緣的相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率參數(shù)選擇見表1。針對表1中的三種情況，施加直流110 kV電壓，采用有限元仿真軟件進(jìn)行仿真分析，得出表1中三種情況下的中間接頭電場分布如圖1～圖3所示。同時，在情況1的模型上，施加交流110 kV電壓，其電位分布如圖4所示。

表1 橡膠絕緣材料相對介電常數(shù)、電導(dǎo)率參數(shù)選擇

圖1 情況1直流電位分布

圖2 情況2直流電位分布

圖3 情況3直流電位分布

圖4 情況1交流電位分布

由圖1可以看出，對于直流電纜附件，如果電纜絕緣電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于接頭絕緣的，其直流電位分布主要集中在接頭絕緣的高壓屏蔽處，此處電位分布極不均勻。從圖2可以看出，如果電纜絕緣電導(dǎo)率遠(yuǎn)小于接頭絕緣的電導(dǎo)率，其電位分布主要集中在接頭應(yīng)力錐曲線根部，此處電場分布極不均勻。針對情況1和情況2，如果接頭絕緣的界面壓力不足或長期老化松弛后，在極不均勻的電場作用下，再考慮界面空間電荷的累積效應(yīng)，那么界面很容易發(fā)生擊穿。

如果將電纜絕緣與接頭絕緣的電導(dǎo)率之比合理控制在一定的范圍之內(nèi)，如情況3，則使其比值接近于1。通過圖3可以看出，直流電壓作用下的電位分布相對均勻，與交流情況下的電位分布類似。選取圖1～圖4中的電纜絕緣與接頭絕緣的界面沿面的切向電場數(shù)值，對比分布如圖5所示。

圖5 接頭與電纜絕緣界面沿面的切向電場分布

通過圖5可以看出，如果電纜絕緣與接頭絕緣的電導(dǎo)率之比控制不當(dāng)，會導(dǎo)致局部電場強(qiáng)度過高。如果將兩者的電導(dǎo)率之比控制在一定的范圍之內(nèi)，直流電場分布與交流電場分布類似，界面的電場強(qiáng)度分布相對均壓。因此，如果直流電纜附件仍然沿用交流電纜附件的結(jié)構(gòu)，則要慎重選取直流電纜絕緣和電纜附件的絕緣材料的電氣性能參數(shù)，不能單純地追求絕緣材料電導(dǎo)率越低越好，而是要與直流電纜的絕緣材料的電導(dǎo)率相互匹配。

在直流電壓作用下，如果考慮到溫度梯度場的作用，電纜附件中的電場分布就復(fù)雜得多。因為絕緣材料電導(dǎo)率既是電場的函數(shù)，又是溫度的函數(shù)［9］，因此在不同電場(溫度場)的作用下，還需要將電纜絕緣與橡膠件絕緣材料的電導(dǎo)率之比控制在一定的范圍內(nèi)，這樣才能有效減少界面電場強(qiáng)度的畸變，起到抑制界面空間電荷的作用。

2 直流XLPE電纜附件主絕緣材料的選取

三元乙丙橡膠(EPDM)及硅橡膠(SIR)是高壓交流電纜附件常用的兩種絕緣材料，它們各有特點，在交流電纜附件中都得到廣泛使用。

目前廣泛使用的液體注射SIR，配方全部由材料廠家掌握，電纜附件廠無能力進(jìn)行材料改性。而采用EPDM的附件廠家一般都具有材料開發(fā)的能力，因此在開發(fā)直流XLPE電纜附件主絕緣材料配方上具有一定的優(yōu)勢。

在直流電壓作用下，通過實驗對EPDM/XLPE、SIR/XLPE的雙層介質(zhì)中空間電荷的測試后發(fā)現(xiàn)，EPDM/XLPE構(gòu)成的雙層介質(zhì)中界面電荷積聚比較少。因此結(jié)合上述分析，我公司在開發(fā)直流XLPE電纜附件主絕緣材料首選EPDM。

根據(jù)GB/T 1408.2—2006，對交流電纜附件用的EPDM材料進(jìn)行直流介電強(qiáng)度試驗，其短時擊穿強(qiáng)度是工頻電壓下的2.5倍左右。因此，在進(jìn)行直流XLPE電纜附件結(jié)構(gòu)設(shè)計上除了要考慮兩者絕緣材料的電導(dǎo)率之比控制得當(dāng)之外，其電氣結(jié)構(gòu)尺寸還可設(shè)計得更加緊湊，即在設(shè)計直流電纜附件的結(jié)構(gòu)時，可適當(dāng)提高設(shè)計場強(qiáng)的值。

3110 kV直流XLPE電纜戶外終端的設(shè)計與研制

110 kV直流XLPE電纜戶外終端的大體結(jié)構(gòu)仍沿用交流戶外終端的結(jié)構(gòu)，內(nèi)絕緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是沿用交流的內(nèi)絕緣設(shè)計方法，但是為取得電場優(yōu)化分布，應(yīng)根據(jù)直流電場分布的特點，對關(guān)鍵部件橡膠應(yīng)力錐及內(nèi)外絕緣配合進(jìn)行特別設(shè)計。

在進(jìn)行直流終端外絕緣設(shè)計時需要考慮大氣環(huán)境條件下的爬電比距。在直流電壓作用下，由于終端外絕緣周圍電場作用而產(chǎn)生靜電吸引，污穢問題比交流情況下嚴(yán)重得多，所以外絕緣的爬電長度必須增大。根據(jù)國外有關(guān)資料，在新西蘭Cook海峽的±250 kV電纜終端，設(shè)計時瓷套的爬電比距取51 mm/kV，并且其中一半以上的距離在瓷套裙邊的內(nèi)側(cè)，不易受到污穢，然而在實際使用時則多發(fā)生污穢事故，最后不能不在終端旁邊裝置固定沖擊裝置，定時沖洗。

根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料，將運行于直流線路上外絕緣瓷套管的有關(guān)外絕緣的主要參數(shù)列于表2［9］。

表2 直流瓷套管的外絕緣數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中各個直流工程中外絕緣瓷套的爬電比距的選取，我們確定了110 kV直流戶外終端瓷套管的主要尺寸、參數(shù)，委托廠家加工制作。

根據(jù)以上分析，我們公司對直流電纜附件的EPDM絕緣材料進(jìn)行了改型研究，即將電纜絕緣與橡膠件絕緣材料的電導(dǎo)率之比仍控制在一定的范圍內(nèi)，從而起到抑制界面空間電荷的作用。該絕緣材料基本電性能優(yōu)于GB/T 11017.3中要求的材料性能，并通過空間電荷測試、短時直流擊穿測試、研究，初步判斷該型材料適用于直流交聯(lián)電纜附件。據(jù)此我們研制開發(fā)了直流EPDM應(yīng)力錐和110 kV直流戶外終端。

根據(jù)大電網(wǎng)會議推薦的標(biāo)準(zhǔn)CIGRE 219［10］，以及國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心技術(shù)規(guī)范TICW 7—2011《額定電壓250 kV及以下直流輸電用擠包絕緣電力電纜系統(tǒng)試驗規(guī)范》，我們研制的110 kV直流戶外終端于2012年5月在國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心通過了直流電纜附件的型式試驗項目。試驗內(nèi)容包括:室溫下的直流耐壓試驗、負(fù)荷循環(huán)試驗、直流疊加操作沖擊電壓直流以及直流疊加雷電沖擊電壓等。

4 結(jié)束語

(1)直流XLPE電纜附件的結(jié)構(gòu)可以沿用交流電纜附件的結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)根據(jù)直流電場特點，對關(guān)鍵部件橡膠應(yīng)力錐及內(nèi)外絕緣配合進(jìn)行特別設(shè)計。

(2)直流電纜附件的內(nèi)絕緣應(yīng)進(jìn)行改性研究，使之在不同溫度下與電纜絕緣的電導(dǎo)率比值接近，可以起到抑制界面空間電荷的作用。

(3)在設(shè)計電纜附件外絕緣時，盡量取加大瓷套外絕緣有效高度，提高瓷套外絕緣爬電距離。

(4)在直流終端結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要根據(jù)直流電壓的電場分布情況合理設(shè)計外絕緣的結(jié)構(gòu)，從而使得內(nèi)外絕緣合理配合。

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