高壓直流電纜附件XLPE/SIR材料特性及界面電荷積聚對電場分布的影響

李國倡 王家興 魏艷慧 張 升 雷清泉

（1.青島科技大學(xué)先進(jìn)電工材料研究院 青島 266042 2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 北京 102200）

0 引言

電纜附件作為電力輸電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，其可靠性直接影響整個(gè)電纜輸電線路的穩(wěn)定性[1-3]。高壓直流電纜附件絕緣復(fù)合界面容易發(fā)生電場畸變，是需要重點(diǎn)關(guān)注的位置[4-5]。不同于交流電纜附件復(fù)合絕緣界面電場僅取決于介電常數(shù)，直流電壓下復(fù)合絕緣界面的電場分布與兩種絕緣材料的電導(dǎo)特性相關(guān)，而不同絕緣材料電導(dǎo)率對溫度的依賴性不同，導(dǎo)致直流電纜附件界面問題十分復(fù)雜[6-9]。

高壓直流電纜主絕緣大多采用交聯(lián)聚乙烯（Crosslinked Polyethylene, XLPE），而電纜附件絕緣則采用硅橡膠（Silicone Rubber, SIR），電纜絕緣XLPE與附件絕緣 SIR這種復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)界面比各自本體更容易積聚空間電荷。通過實(shí)驗(yàn)測量雙層絕緣介質(zhì)界面電荷分布是最為直接的研究手段，電聲脈沖（Pulse Electro-Acoustic, PEA）法被廣泛應(yīng)用于直流電壓作用下單層絕緣介質(zhì)內(nèi)部空間電荷行為研究[10-13]。雙層絕緣介質(zhì)界面電荷的測量更為復(fù)雜[3,14]，對于XLPE和SIR兩種特性差異較大的材料，聲波傳播速率明顯不同。此外，測試結(jié)果受兩種材料界面接觸狀態(tài)影響很大，氣泡和雜質(zhì)的存在會(huì)在很大程度上影響界面電荷積聚。因此，單純采用PEA裝置較難準(zhǔn)確地反映雙層絕緣介質(zhì)界面的電荷分布。

復(fù)合絕緣界面電荷積聚主要取決于兩種材料的電導(dǎo)特性，相比直接測量XLPE和SIR界面電荷分布而言，材料的電導(dǎo)參數(shù)更易于直接獲取，進(jìn)而基于雙層絕緣介質(zhì)界面極化模型，可以間接研究界面電荷積聚特性。

本文首先測試XLPE和SIR材料的介電特性、電導(dǎo)率特性及導(dǎo)熱特性；然后，利用材料電導(dǎo)率和介電常數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于 Maxwell-Wagner極化模型，計(jì)算分析不同溫度下 XLPE/SIR界面電荷積聚特性；進(jìn)而采用有限元法研究直流電纜附件穩(wěn)態(tài)電場分布、溫度場分布以及界面電荷積聚引起的附件內(nèi)部電場變化規(guī)律。

1 XLPE/SIR性能測試與分析

介電常數(shù)和電導(dǎo)率是影響電纜附件內(nèi)部電場分布的關(guān)鍵參數(shù)。采用寬頻介電譜分別測量XLPE和SIR介電常數(shù)隨溫度的變化；采用三電極系統(tǒng)分別測量XLPE和SIR電導(dǎo)率隨溫度和電場的變化；采用導(dǎo)熱儀分別測量XLPE和SIR的導(dǎo)熱系數(shù)。性能測試之前，首先，采用熔融共混法制備XLPE試樣和SIR試樣，考慮高壓直流電纜附件實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，SIR的絕緣厚度通常為電纜本體絕緣XLPE的2～3倍，實(shí)驗(yàn)中，制備SIR厚度為0.32mm，XLPE厚度為0.16mm，尺寸為100mm×100mm。另外，根據(jù)測試條件需要，導(dǎo)熱系數(shù)樣品厚度為1mm。將試樣進(jìn)行干燥處理后，進(jìn)行性能測試。

1.1 XLPE/SIR介電性能

采用寬頻介電譜分別測量XLPE和SIR的介電常數(shù)?？紤]電纜運(yùn)行溫度，測試溫度設(shè)置為25～90℃，升溫間隔為5℃/min；測試頻率為1kHz；施加電壓為50Hz交流電壓，電壓幅值為1V。取4個(gè)典型溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，XLPE/SIR相對介電常數(shù)隨溫度變化見表1。

表1 XLPE/SIR相對介電常數(shù)隨溫度變化Tab.1 XLPE/SIR relative dielectric constant varies with temperature

分析可知，兩種材料的相對介電常數(shù)均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，XLPE材料由25℃的2.43降低到90℃的 2.21；SIR材料則由 25℃的 2.95降低到 90℃的2.67，這與材料的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)系。對于 XLPE材料，在材料制備過程中，由于交聯(lián)助劑、抗氧化劑、電壓穩(wěn)定劑等雜質(zhì)的添加，會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)極性基團(tuán)，使得XLPE并非理想的非極性電介質(zhì)，因此，內(nèi)部除位移極化之外，還存在極性基團(tuán)的轉(zhuǎn)向極化。而SIR材料屬于極性電介質(zhì)材料，電場作用下轉(zhuǎn)向極化對介電常數(shù)的貢獻(xiàn)較大，其相對介電常數(shù)較XLPE大。

1.2 XLPE/SIR電導(dǎo)特性

采用三電極系統(tǒng)分別測量XLPE和SIR的電導(dǎo)率，系統(tǒng)包括烘箱、外置高壓源、高壓電極、保護(hù)電極、測量電極和靜電計(jì)等部分。直流電導(dǎo)率測試如圖1所示。

圖1 直流電導(dǎo)率測試Fig.1 Schematic diagram of DC conductivity test

考慮高壓直流電纜實(shí)際工作狀態(tài)，最高工作溫度為70℃，主絕緣承擔(dān)電場強(qiáng)度約為15kV/mm，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置4個(gè)溫度點(diǎn)，分別為25℃、50℃、70℃和90℃；電場強(qiáng)度為10～30kV/mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

分析圖2a可知，XLPE電導(dǎo)率隨溫度的升高呈指數(shù)增長的趨勢。溫度從25℃升高到90℃，電導(dǎo)率增加約2～3個(gè)數(shù)量級。15kV/mm電場強(qiáng)度作用下，電導(dǎo)率從 25℃的 2.82×10?17S/cm 增加到 90℃的1.27×10?14S/cm。這是由于隨著溫度的升高，分子熱振動(dòng)速率增強(qiáng)，由此引起的熱助跳躍電導(dǎo)逐漸占主導(dǎo)，尤其是高溫（70℃和90℃）下，由熱助跳躍電導(dǎo)引起的電荷傳導(dǎo)顯著增加。

圖2 XLPE/SIR電導(dǎo)率隨溫度和電場的變化Fig.2 Conductivity of XLPE/SIR versus temperature and electric field

分析圖2b可知，SIR電導(dǎo)率受溫度和電場的影響相對較小。溫度從25℃升高到90℃，電導(dǎo)率增加約1個(gè)量級，15kV/mm電場強(qiáng)度作用下，電導(dǎo)率從25℃的8.38×10?17S/cm增加到90℃的5.23×10?16S/cm。對比XLPE和SIR兩種材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨溫度變化，兩種材料電導(dǎo)率差異性較大。室溫下，SIR的電導(dǎo)率略高于XLPE材料，隨著溫度的升高，XLPE的電導(dǎo)率增加較為明顯，而SIR的電導(dǎo)率增加則相對緩慢，導(dǎo)致在一定溫度下XLPE的電導(dǎo)率超過 SIR。電纜本體絕緣和附件增強(qiáng)絕緣電荷傳導(dǎo)不匹配是導(dǎo)致高壓直流電纜附件界面電荷積聚的重要原因。

1.3 XLPE/SIR導(dǎo)熱特性

采用激光閃射儀分別測量XLPE和SIR的導(dǎo)熱系數(shù)。首先，采用平板硫化機(jī)制備厚度1mm的絕緣試樣。測試原理為使用高強(qiáng)度的能量脈沖對小而薄的試樣進(jìn)行短時(shí)間的輻照，用紅外探頭檢測樣品表面的溫度變化，得到表面溫度升高到最大值一半時(shí)所需要的時(shí)間t50，進(jìn)而準(zhǔn)確地計(jì)算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)，激光閃射法測試原理如圖3所示。

圖3 激光閃射法測試原理Fig.3 Schematic diagram of laser flash method

測量電壓為250V，脈沖寬度為400ns。測試結(jié)果表明，室溫下交聯(lián)聚乙烯導(dǎo)熱系數(shù)為0.32W/(m·K)；硅橡膠導(dǎo)熱系數(shù)為 0.25W/(m·K)?？傮w上兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，這是由于高分子聚合物內(nèi)部大分子鏈之間相互隨機(jī)纏繞，導(dǎo)致結(jié)晶度較低，存在大量的非晶部分；同時(shí)，分子鏈振動(dòng)對聲子會(huì)產(chǎn)生散射作用，阻礙介質(zhì)內(nèi)部熱傳導(dǎo)。

2 直流附件電-熱仿真模型

高壓直流電纜附件主要涉及電纜本體絕緣XLPE和附件增強(qiáng)絕緣 SIR兩種介質(zhì)，內(nèi)部存在雙層絕緣介質(zhì)復(fù)合界面結(jié)構(gòu)，是需要重點(diǎn)關(guān)注的絕緣薄弱位置。電場計(jì)算中，可以將雙層絕緣介質(zhì)等效為電阻-電容并聯(lián)的電路模型，在交流電壓下，內(nèi)部電場呈容性分布，取決于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)；直流電壓穩(wěn)態(tài)情況下，內(nèi)部電場呈阻性分布，取決于兩種介質(zhì)的電導(dǎo)率[1]。此外，對于高壓直流電纜附件，還需要考慮兩種絕緣介質(zhì)的界面電荷積聚問題。

考慮電纜附件內(nèi)部兩種不同的絕緣材料以及二者復(fù)合界面，在直流穩(wěn)態(tài)條件下，簡化為不同電阻的串聯(lián)分壓模型。單層絕緣介質(zhì)內(nèi)部電荷傳導(dǎo)可以描述為

在不考慮雙層絕緣介質(zhì)界面電荷積聚的情況下，通過兩種絕緣介質(zhì)內(nèi)部的電流是相等的，描述為

式中，j為介質(zhì)內(nèi)部電流；E為介質(zhì)內(nèi)部電場；σ1和σ2分別為 XLPE和 SIR的電導(dǎo)率；E1和E2分別為XLPE和SIR分擔(dān)的電場強(qiáng)度；V為介質(zhì)內(nèi)部電位。

溫度是影響絕緣介質(zhì)電導(dǎo)率的重要因素，進(jìn)而影響電纜附件電場分布[15-18]。電纜附件內(nèi)部熱量主要來自電纜銅心發(fā)熱和附件絕緣介質(zhì)損耗，相比而言，介質(zhì)內(nèi)部極化和電荷傳導(dǎo)引起的損耗較小，計(jì)算中主要考慮電纜銅心產(chǎn)熱，熱量會(huì)在附件絕緣介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行傳遞，從而導(dǎo)致附件內(nèi)部絕緣產(chǎn)生溫度分布。

采用式（4）～式（6）進(jìn)行電纜附件溫度場計(jì)算，表達(dá)式為

式中，Q為銅心產(chǎn)熱量；I為銅心通過的電流；R為電纜銅心的電阻值；t為電纜通電時(shí)間；T為某位置的溫度；φ為產(chǎn)熱功率；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；h為空氣對流傳熱系數(shù)；Tf為邊界溫度，這里Tf=25℃。

進(jìn)一步考慮附件雙層絕緣介質(zhì)界面電荷積聚，基于XLPE和SIR電導(dǎo)率和介電常數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用 Maxwell-Wagner極化模型分析雙層絕緣介質(zhì)界面電荷特性[14]。

直流穩(wěn)態(tài)情況下，由于兩種介質(zhì)電導(dǎo)率和介電常數(shù)不匹配，導(dǎo)致界面產(chǎn)生空間電荷積聚，界面空間電荷密度表達(dá)式為

式中：ρ為雙層介質(zhì)界面積聚電荷密度；U0為外施電壓；ε1和ε2分別為XLPE和SIR的相對介電常數(shù)；d1和d2分別為XLPE和SIR的厚度。

采用泊松方程計(jì)算界面積聚電荷引起的電場分布，有

式中，ε0為真空介電常數(shù)；εr為介質(zhì)相對介電常數(shù)；ρ為界面電荷密度。

將實(shí)驗(yàn)測量得到的XLPE和SIR介電常數(shù)、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)代入上述模型，分別計(jì)算直流附件穩(wěn)態(tài)電場分布、直流附件溫度場分布，并討論XLPE/SIR界面電荷積聚對電場分布的影響。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 直流附件穩(wěn)態(tài)電場分布

本文附件模型是基于500kV高壓直流電纜中間連接器簡化而來[19]，考慮附件應(yīng)用環(huán)境，附件電壓設(shè)置為500kV；XLPE和SIR的電導(dǎo)率參數(shù)取自實(shí)驗(yàn)測量值，室溫下15kV/mm時(shí)XLPE和SIR的電導(dǎo)率分別為 2.82×10?17S/cm 和 8.38×10?17S/cm，根據(jù)電纜附件的運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置模型邊界條件。首先，不考慮界面電荷積聚情況，計(jì)算室溫下附件內(nèi)部電位和電場分布，如圖4所示。

圖4 電纜附件電位和電場分布Fig.4 Potential and electric field distribution of cable accessory

分析圖4a可知，電位等值線在電纜主絕緣和附件高壓屏蔽管附近密集，說明該處電場應(yīng)力集中。分析圖4b可知，應(yīng)力錐根部和高壓屏蔽管端部電場分布集中，屬于附件絕緣薄弱環(huán)節(jié)，電纜附件安全可靠運(yùn)行需要重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力錐和高壓屏蔽管電場[20]。連接器附件用來改善電纜接頭處電場畸變，在接頭位置到應(yīng)力錐根部，電場呈現(xiàn)階梯分布，且越靠近應(yīng)力錐根部，電場畸變值越大。在接頭位置，由于高壓屏蔽管對電位的抬升，造成高壓屏蔽管根部電場畸變。應(yīng)力錐根部最大畸變電場強(qiáng)度為6.29kV/mm，高壓屏蔽管根部最大畸變電場強(qiáng)度為3.49kV/mm。

電纜附件設(shè)計(jì)過程中，電纜本體絕緣和附件絕緣界面是關(guān)注的焦點(diǎn)，XLPE和 SIR界面電場的切向分量，如圖5所示。由于附件高壓屏蔽管高于電纜連接金具，電位在高壓屏蔽管附近抬升，高壓屏蔽管與應(yīng)力錐之間形成切向電場，電場集中分布在高壓屏蔽管根部附近，最大畸變電場強(qiáng)度為2.22kV/mm。除該畸變點(diǎn)外，其余位置的切向電場強(qiáng)度均小于1kV/mm。

圖5 電纜附件電場分布切向分量Fig.5 Electric field distribution in tangential direction of cable accessory

圖6為電纜附件法線電場分布，沿附件法線方向建立坐標(biāo)軸，坐標(biāo)原點(diǎn)兩側(cè)分別為電纜線心、電纜主絕緣、應(yīng)力錐與增強(qiáng)絕緣、增強(qiáng)絕緣和空氣域。由圖6可知，電纜附件內(nèi)部電場呈現(xiàn)階梯分布，電纜主絕緣（XLPE材料）電場強(qiáng)度為14.36kV/mm，增強(qiáng)絕緣（SIR材料）電場強(qiáng)度為 3.02kV/mm，應(yīng)力錐與增強(qiáng)絕緣交界處電場強(qiáng)度為3.08kV/mm。

圖6 電纜附件法向電場分布Fig.6 Electric field distribution in normal direction of cable accessory

3.2 直流附件溫度場分布

電纜附件溫度場分布如圖7所示，環(huán)境溫度初始值設(shè)置為25℃，XLPE和SIR的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.32W/(m·K)和 0.25W/(m·K)， 電 纜 銅 心 電 流 為1 400A，運(yùn)行時(shí)間為20h。

圖7 電纜附件溫度場分布Fig.7 Temperature field distribution of cable accessory

電纜附件法線方向溫度分布如圖8所示，橫坐標(biāo)表示附件法向坐標(biāo)，從坐標(biāo)原點(diǎn)開始依次為電纜線心、電纜主絕緣、高壓屏蔽管、增強(qiáng)絕緣和空氣域。圖8由線簇組成，每根曲線代表某運(yùn)行時(shí)刻附件的溫度分布情況，隨著電纜附件投入運(yùn)行時(shí)間由短到長（0～20h），附件溫度從 25℃過渡到溫度呈現(xiàn)從25～61℃的梯度分布。

圖8 電纜附件法線方向溫度分布Fig.8 Temperature distribution in normal direction of cable accessory

分析可知，XLPE和 SIR導(dǎo)熱系數(shù)均較低且兩種材料參數(shù)差異不大，附件內(nèi)部溫度分布沿法線方向呈梯度分布。運(yùn)行時(shí)間為20h時(shí)，電纜線心溫度達(dá)61℃；電纜主絕緣內(nèi)側(cè)溫度為60.7℃，外側(cè)溫度為52.2℃，溫差為8.5℃；附件增強(qiáng)絕緣內(nèi)側(cè)溫度為51.6℃，外側(cè)為 30.2℃，溫差達(dá) 21.4℃；空氣域內(nèi)溫度在25～30℃之間。材料溫差會(huì)造成電纜和附件內(nèi)部電場分布改變，減小局部區(qū)域的電場，同時(shí)引起另一些區(qū)域電場畸變。溫度變化會(huì)造成XLPE和SIR界面電導(dǎo)不匹配，加速空間電荷積聚，引起界面電場畸變。

3.3 XLPE/SIR界面電荷積聚對電場分布的影響

XLPE/SIR界面空間電荷的積聚會(huì)直接導(dǎo)致附件內(nèi)部電場分布的改變，對附件的局部電場起到削弱或加強(qiáng)作用。根據(jù)電導(dǎo)率溫變實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著溫度的升高，電纜主絕緣XLPE和附件增強(qiáng)絕緣SIR電導(dǎo)率增加幅度明顯不同，二者電導(dǎo)率不匹配會(huì)導(dǎo)致界面積聚空間電荷，界面電荷積聚會(huì)引起局部電場，從而影響附件整體電場分布。

基于XLPE和SIR電導(dǎo)率和介電常數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用 Maxwell-Wagner極化模型分析雙層絕緣介質(zhì)界面電荷特性，并計(jì)算電荷積聚引起的局部電場畸變。圖9為基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到的 XLPE/SIR界面電荷密度隨溫度的變化。

圖9 XLPE/SIR界面電荷密度隨溫度的變化Fig.9 Interfacial charge density of XLPE/SIR varies with temperature

由圖9可知，隨著測試溫度的升高，由于兩種材料參數(shù)的不匹配，界面積聚電荷量不同，且存在電荷極性反轉(zhuǎn)溫度?？紤]高壓電纜主絕緣承受的電場強(qiáng)度，15kV/mm電場強(qiáng)度下，界面電荷極性的轉(zhuǎn)折溫度約為36℃，在25～36℃的范圍內(nèi)，由于ε2σ1＜ε1σ2，界面積聚負(fù)電荷，隨著溫度的升高，界面電荷逐漸減少，25℃時(shí)，電荷面密度為?3.42×10?4C/m2；隨著溫度的升高，ε2σ1＞ε1σ2，界面積聚正電荷，且隨著溫度的升高，界面電荷逐漸增多，50℃時(shí)，界面電荷面密度為4.24×10?4C/m2。對比不同電場的情況，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度超過轉(zhuǎn)折溫度后，隨著測試溫度升高，電場強(qiáng)度越高，界面積聚的電荷量相對越多，但總體上變化不大。實(shí)際運(yùn)行中，高壓電纜主絕緣承擔(dān)的電場強(qiáng)度約為15kV/mm，因此將圖9中15kV/mm電場強(qiáng)度作用時(shí)，4個(gè)典型溫度（25℃、50℃、70℃、90℃）下 XLPE/SIR界面電荷積聚量代入仿真模型，計(jì)算得到不同溫度下界面空間電荷積聚引起的局部電場，如圖10所示。

圖10 XLPE/SIR界面空間電荷積聚引起的電場法線分量Fig.10 Electric field distribution in normal direction caused by interfacial space charge accumulation of XLPE/SIR

圖10為對應(yīng)溫度25℃、50℃、70℃和90℃下界面空間電荷積聚引起的電場法線分量。分析可知，隨著溫度升高，由于界面電荷極性發(fā)生改變，導(dǎo)致在一定溫度下附件內(nèi)部電場出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)。15kV/mm作用下，25℃時(shí)，XLPE/SIR界面積聚負(fù)電荷，電荷面密度為?3.42×10?4C/m2，這部分電荷引起的法線分量最大畸變電場強(qiáng)度為12.23kV/mm，如圖10a所示。隨著溫度的升高，由于XLPE和SIR電導(dǎo)率不匹配，二者界面開始積聚正電荷，50℃時(shí)XLPE/SIR界面電荷面密度為4.24×10?4C/m2，電纜主絕緣、附件絕緣和屏蔽管界面等位置電場極性發(fā)生反轉(zhuǎn)；并且隨著溫度的升高，由于界面積聚電荷逐漸增多，導(dǎo)致局部電場逐漸增大，50℃和 70℃時(shí)，“高壓屏蔽管-電纜主絕緣-附件絕緣”三者結(jié)合點(diǎn)位置法線分量最大畸變電場強(qiáng)度分別為15.14kV/mm和17.09kV/mm，如圖10b和圖10c所示。顯然，XLPE/SIR界面電荷積聚引起的附件內(nèi)部局部電場會(huì)影響附件整體電場分布，圖11給出了考慮XLPE/ SIR界面電荷時(shí)附件的電場分布。

圖11 考慮XLPE/SIR界面電荷附件電場分布Fig.11 Electric field distribution of cable accessory considering interface charge of XLPE/SIR

分析可知，當(dāng) XLPE/SIR界面積聚負(fù)電荷時(shí)，電纜主絕緣內(nèi)部電場明顯增大，最大電場強(qiáng)度達(dá)到19.58kV/mm，與不考慮空間電荷的情況相比增加約36%。由于負(fù)電荷引起的反向電場對原電場的削弱作用，應(yīng)力錐根部電場強(qiáng)度降低至2.39kV/mm，下降約 62%。15kV/mm電場下，當(dāng)溫度超過約 36℃時(shí)，XLPE/SIR界面開始積聚正電荷，隨著正電荷積聚量的增加，電纜主絕緣外側(cè)電場開始大于內(nèi)側(cè)電場，出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且隨著正電荷積聚量的增加，電場應(yīng)力由電纜主絕緣轉(zhuǎn)移到應(yīng)力錐根部，造成應(yīng)力錐根部局部電場畸變。圖12給出了應(yīng)力錐根部和高壓屏蔽管根部電場強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律。

圖12 應(yīng)力錐和高壓屏蔽管電場強(qiáng)度隨溫度的變化Fig.12 Electric field distribution of stress cone and shield tube versus temperature

室溫下，由于SIR的電導(dǎo)率高于 XLPE，界面積聚為負(fù)電荷，電荷面密度為?3.42×10?4C/m2，應(yīng)力錐根部最大畸變電場強(qiáng)度為2.39kV/mm；隨著溫度的升高，XLPE的電導(dǎo)率逐漸增大，約為36℃左右，二者較為匹配，界面無空間電荷，應(yīng)力錐根部電場應(yīng)力主要來自工作電壓，為6.29kV/mm；當(dāng)溫度超過約36℃時(shí)，界面積聚正電荷逐漸增多，電荷積聚引起的局部電場會(huì)增強(qiáng)應(yīng)力錐根部電場，70℃時(shí)最大畸變電場強(qiáng)度達(dá)到12kV/mm。高壓屏蔽管根部電場強(qiáng)度由室溫下的3.8kV/mm增大到5.35kV/mm。界面空間電荷極性和積聚量的差異會(huì)對附件應(yīng)力錐和高壓屏蔽管產(chǎn)生影響。室溫下界面電荷積聚會(huì)削弱應(yīng)力錐根部和增強(qiáng)屏蔽管的電場，隨著溫度的升高，由于界面電荷極性變化，界面電荷積聚會(huì)極大增強(qiáng)應(yīng)力錐根部的電場畸變。

4 結(jié)論

1）電纜主絕緣XLPE和附件增強(qiáng)絕緣SIR的電導(dǎo)率溫變特性明顯不同。室溫下SIR的電導(dǎo)率略高于 XLPE材料，隨著溫度的升高，XLPE的電導(dǎo)率增加較為明顯，從 25～90℃，電導(dǎo)率增加約 2～3個(gè)數(shù)量級；而SIR的電導(dǎo)率增加則相對緩慢，電導(dǎo)率增加約1個(gè)量級，高溫下兩種介質(zhì)電導(dǎo)率不匹配是導(dǎo)致直流附件界面電荷積聚的重要原因。

2）室溫下XLPE/SIR界面會(huì)積聚負(fù)電荷，電荷面密度約為3.42×10?4C/m2，這部分電荷會(huì)增強(qiáng)電纜主絕緣電場，削弱應(yīng)力錐根部電場畸變。與無界面電荷積聚的情況相比，電纜主絕緣電場強(qiáng)度增加約36%，應(yīng)力錐根部電場強(qiáng)度降低至 2.39kV/mm，下降約62%。

3）當(dāng)溫度超過約36℃時(shí)，XLPE/SIR界面開始積聚正電荷，隨著溫度的升高，正電荷積聚量逐漸增加，開始出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象；且電場應(yīng)力由電纜主絕緣逐漸向應(yīng)力錐根部轉(zhuǎn)移，造成應(yīng)力錐根部局部電場畸變加重，70℃時(shí)最大畸變電場強(qiáng)度達(dá)到12kV/mm。