高壓電纜附件界面壓力的影響因素分析

楊耿 張翔 計(jì)志恒 王維孟

摘要：電場分布和界面壓力是現(xiàn)代高壓電纜附件的基本設(shè)計(jì)內(nèi)容，其正確性和精確度會直接影響所設(shè)計(jì)的電纜附件的性能。高壓電纜附件中包含著很多界面，尤其是位于場強(qiáng)控制元件和電纜絕緣體之間的界面性能對電纜附件的品質(zhì)起著決定性的作用。界面的性能不僅與材料品質(zhì)、安裝條件以及表面的處理狀態(tài)有關(guān)，還受應(yīng)力和溫度因素的影響，因此界面的設(shè)計(jì)是電-力-熱多場耦合的復(fù)雜過程。通過對一些高壓電纜附件的設(shè)計(jì)實(shí)際，論述了電場控制和界面壓力設(shè)計(jì)的基本理念、計(jì)算方法和結(jié)果處理。

關(guān)鍵詞：高壓電纜;附件界面壓力;電場設(shè)計(jì)

高壓電纜及其附件的故障可能源自設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、使用不當(dāng)（包括外力破壞）等多方面的原因，但是產(chǎn)品設(shè)計(jì)是最基本環(huán)節(jié)。嚴(yán)格地講，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能將生產(chǎn)、安裝和使用中可能發(fā)生的問題降低到最小。

1界面壓力與粗糙度

由于材料表面本身粗糙高低不平，當(dāng)兩種材料直接接觸時(shí)，會形半實(shí)半空的接觸形態(tài)?？障兜拇嬖跁鸾缑婢植糠烹姡瑢?dǎo)致電氣強(qiáng)度下降。當(dāng)對界面逐漸施加壓力后，界面接觸面積增大，空隙缺陷減少，界面電氣強(qiáng)度逐漸提高。通過研究乙丙橡膠/硅橡膠夾層界面的擊穿強(qiáng)度和面壓的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)界面電氣強(qiáng)度隨面壓呈線性增長。理想狀態(tài)下，當(dāng)外界壓力增加到一定值時(shí)，界面接觸完好，無氣隙缺陷，此時(shí)界面電氣強(qiáng)度將趨近于材料本體擊穿場強(qiáng)。相反，界面壓力越低，材料表面粗糙度越高時(shí)，界面擊穿強(qiáng)度越小，接近空氣擊穿強(qiáng)度。

因此，在一定的界面壓力下，為提高界面的介電特性，通常在電纜附件安裝過程中對電纜表面用細(xì)砂打磨以提高其光滑度。電纜XLPE絕緣表面經(jīng)不同目數(shù)砂紙打磨后與硅橡膠絕緣構(gòu)成夾層介質(zhì)的交流擊穿電壓特性，結(jié)果當(dāng)界面經(jīng)400目及以上砂紙打磨后，其擊穿電壓高于未打磨試樣。由此可知，在實(shí)際工程中可用400目及以上砂紙對電纜絕緣表面進(jìn)行打磨。

由于絕對光滑平整的材料表面不可能實(shí)現(xiàn)，為進(jìn)一步提高電纜附件界面擊穿強(qiáng)度，一般在材料表面涂覆硅脂以密封/填充界面空隙。將乙丙橡膠和硅橡膠夾層界面涂覆硅脂后，發(fā)現(xiàn)界面的擊穿強(qiáng)度大幅度上升，且隨壓力的增加呈指數(shù)增長，后逐漸趨于飽和。飽和現(xiàn)象的形成原因可解釋為附件絕緣與電纜絕緣界面在一定壓力下，硅脂填滿界面空隙，界面形成一層薄硅脂膜，此時(shí)界面的擊穿強(qiáng)度趨近于硅脂本體的擊穿強(qiáng)度，與面壓無關(guān)。

另外，在對實(shí)際電纜附件研究中發(fā)現(xiàn)，由于硅脂對有機(jī)絕緣的溶脹作用，在涂覆數(shù)周后硅脂會逐漸滲入附件絕緣或電纜絕緣內(nèi)。隨著彈性材料分子鏈的蠕動，滲入的硅脂一方面有助于降低介質(zhì)表面粗糙度，但另一方面界面硅脂的流失導(dǎo)致界面變干，界面性能劣化，從而降低界面電阻直至擊穿。隨著附件運(yùn)行時(shí)間的延長，暫不考慮材料應(yīng)力松弛對界面壓力的影響，在同一面壓下，乙丙橡膠/硅橡膠夾層界面擊穿強(qiáng)度介于直接接觸和表面涂覆硅脂之間。因此，為保證電纜附件運(yùn)行的可靠性，電纜附件在設(shè)計(jì)過程中，切線/沿面場強(qiáng)一般要求小于1kV/mm，典型值為0.4——0.7kV/mm。

2界面壓力與溫度

電纜在運(yùn)行中溫度升高，而溫升會造成電纜絕緣性能劣化。根據(jù)國際AEIC電纜應(yīng)急運(yùn)行規(guī)范，對于XLPE絕緣電纜，在負(fù)荷循環(huán)運(yùn)行時(shí)允許短期（15min）運(yùn)行溫升達(dá)130℃。已知XLPE材料的熔點(diǎn)約為108℃，而橡膠材料熔點(diǎn)超過200℃，這意味著電纜附件終端或接頭的運(yùn)行溫度高于電纜的熔點(diǎn)。通過測量XLPE及乙丙橡膠材料在不同溫度下的彈性模量發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，乙丙橡膠的彈性模量幾乎不變，而XLPE的彈性模量逐漸下降。當(dāng)溫度超過105℃時(shí)，XLPE的彈性模量低于乙丙橡膠的彈性模量。

對于冷縮或預(yù)制型電纜附件，一般與電纜過盈配合實(shí)現(xiàn)一定的界面壓力。當(dāng)運(yùn)行溫度高于電纜熔點(diǎn)時(shí)，由于XLPE的彈性模量低于乙丙橡膠的彈性模量，此時(shí)乙丙橡膠的硬度超過XLPE材料，電纜絕緣變?yōu)橐子谧冃蔚膹椥泽w。在電纜附件絕緣的過盈界面壓力下，將導(dǎo)致電纜XLPE絕緣壓縮形變，當(dāng)溫度降低后，形變被固化，造成“竹節(jié)”現(xiàn)象，損壞電纜絕緣。由于高溫導(dǎo)致電纜絕緣厚度降低達(dá)10%。而高溫下絕緣厚度的減小必將導(dǎo)致附件絕緣過盈配合的界面壓力降低。因此，為避免出現(xiàn)明顯的“竹節(jié)”現(xiàn)象，通過高壓電纜附件的電場及界面壓力設(shè)計(jì)表明，界面最大壓力要求不高于0.3MPa。一般電纜的工作溫度低于70℃，70℃以下電纜XLPE絕緣的彈性模量遠(yuǎn)高于附件絕緣的彈性模量。通過實(shí)際電纜的高溫?zé)嵫h(huán)實(shí)驗(yàn)和面壓測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度高于75℃以上時(shí)，溫度越高，界面壓力損失率越大。由此可認(rèn)為70℃以下電纜接頭界面壓力隨溫度變化基本保持不變。

3界面壓力與應(yīng)力松弛

電纜附件與電纜絕緣間界面壓力的實(shí)現(xiàn)依賴于附件用高彈性硅橡膠或乙丙橡膠等材料處于高彈態(tài)所表現(xiàn)出來的力學(xué)特性。但是，此高彈性材料的發(fā)展具有時(shí)間依賴性，即松弛特性。當(dāng)橡膠材料長期處于擴(kuò)張狀態(tài)下，其內(nèi)應(yīng)力將隨時(shí)間延長出現(xiàn)由分子運(yùn)動導(dǎo)致鏈段隨外力方向調(diào)整的逐漸衰減的現(xiàn)象，即應(yīng)力松弛現(xiàn)象，且應(yīng)力松弛隨溫度的升高而加快。針對附件硅橡膠絕緣安裝后的擴(kuò)張率，根據(jù)時(shí)溫等效原理，反推出附件絕緣在40℃、70℃及90℃下的力學(xué)松弛特性（面壓下降率）。

4結(jié)語

電纜附件的可靠性是輸電線路安全運(yùn)行的關(guān)鍵，而電纜附件和電纜絕緣間的界面壓力是附件可靠性的關(guān)鍵。因此，在確保附件安裝工藝可靠的基礎(chǔ)上，通過增加界面光滑度、嚴(yán)格檢測電纜運(yùn)行溫升、選擇耐松弛性附件絕緣料等措施，可提高電纜附件的長期運(yùn)行可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王佩龍，車年堅(jiān)。高壓交聯(lián)電力電纜附件選型的若干問題[J]。電力設(shè)備，2004，5（8）：18-22.

[2]應(yīng)啟良，王佩龍，魏東，等。城市電網(wǎng)地下輸電用高壓電纜附件的發(fā)展[C]∥1996年亞洲線纜會議文集，上海，1996：51-61.

[3]應(yīng)啟良，魏東，高小慶，等。我國高壓及超高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的應(yīng)用與發(fā)展[J]。電線電纜，2001（3）：3-9.