絕緣層厚度對(duì)高壓直流電纜電場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的影響

魏艷慧 鄭元浩 龍海泳 李國(guó)倡 李盛濤

絕緣層厚度對(duì)高壓直流電纜電場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的影響

魏艷慧1鄭元浩1龍海泳2李國(guó)倡1李盛濤3

（1. 青島科技大學(xué)先進(jìn)電工材料研究院 青島 266042 2. 特變電工山東魯能泰山電纜有限公司 新泰 271200 3. 西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049）

高壓電纜電場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布是絕緣層厚度設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的因素。該文建立了高壓直流電纜電-熱耦合仿真模型；測(cè)量并分析電纜絕緣層和半導(dǎo)電屏蔽層的電阻特性和導(dǎo)熱特性隨溫度的變化規(guī)律；計(jì)算絕緣層厚度對(duì)電纜電場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律,討論了載流量和敷設(shè)方式對(duì)不同絕緣層厚度電纜溫度場(chǎng)分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高（25～90℃），XLPE電阻率下降2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，半導(dǎo)電屏蔽層則由21.4Ω?cm增加至75.5Ω?cm；整體上，半導(dǎo)電屏蔽層導(dǎo)熱系數(shù)約為絕緣層的兩倍。將實(shí)驗(yàn)參數(shù)代入仿真模型，發(fā)現(xiàn)絕緣層厚度從20mm增加至35mm時(shí)，絕緣層內(nèi)側(cè)電場(chǎng)降低約34%，絕緣層內(nèi)外溫差增加約54%；隨著載流量的增加，絕緣層溫差由800A的3.5℃增加到2 400A的31.4℃；三種敷設(shè)方式散熱效率由高至低依次為隧道敷設(shè)、直埋敷設(shè)和管道敷設(shè)。

高壓直流電纜 絕緣厚度 電場(chǎng) 溫度場(chǎng) 載流量 電纜敷設(shè)方式

0 引言

高壓直流電纜作為柔性直流輸電技術(shù)的關(guān)鍵部件，在遠(yuǎn)距離供電、跨海輸電和新能源并網(wǎng)等方面發(fā)揮著重要作用[1-4]。截止2020年，我國(guó)已投入運(yùn)行的直流電纜輸電工程主要有廣東南澳±160kV、浙江舟山±200kV、福建廈門±320kV，以及張北工程±535kV[5-7]。隨著高壓電纜的發(fā)展和電壓等級(jí)的提高，國(guó)內(nèi)外電纜制造廠家不斷對(duì)電纜絕緣厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。高壓直流電纜絕緣厚度與電纜絕緣材料、半導(dǎo)電屏蔽材料、導(dǎo)體溫度、生產(chǎn)工藝、運(yùn)行條件等因素有關(guān)[8-10]。電纜絕緣厚度優(yōu)化，一方面可以節(jié)省材料消耗、減輕電纜重量，便于運(yùn)輸和敷設(shè)；另一方面，從絕緣局部缺陷的角度，可以提高電纜安全可靠性。

日立電纜較早研制了絕緣厚度35mm，導(dǎo)體截面2 000mm2的500kV交聯(lián)聚乙烯電纜[11]。2003年日本古河電氣在第七屆電介質(zhì)材料性能與應(yīng)用國(guó)際會(huì)議上報(bào)道了絕緣厚度23mm，導(dǎo)體截面3 000mm2的±500kV直流交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜[12]。2013～2014年，丹麥NKT研制了絕緣厚度分別為20mm和27mm的DC400kV和DC525kV高壓電纜[13]。2017年NKT（ABB電纜）研制了絕緣厚度32mm的DC640kV高壓電纜[13]。趙健康團(tuán)隊(duì)研究了110kV和220kV電纜絕緣厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)電纜樣品開展逐級(jí)擊穿試驗(yàn)、壽命指數(shù)試驗(yàn)，確定了計(jì)算110kV、220kV電纜絕緣厚度的關(guān)鍵參數(shù)：最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)、壽命指數(shù)[14]。楊黎明團(tuán)隊(duì)提出了一種直流電纜絕緣厚度設(shè)計(jì)方法，在之前絕緣厚度設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，引入了擊穿場(chǎng)強(qiáng)換算系數(shù)、Bahder系數(shù)；討論了上述兩個(gè)參數(shù)及壽命指數(shù)對(duì)絕緣厚度的影響；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出±535kV直流電纜絕緣厚度[15]。

高壓直流電纜載流量和敷設(shè)方式是影響電纜絕緣層溫度場(chǎng)分布的重要因素。在長(zhǎng)期運(yùn)行工作過程中，絕緣層持續(xù)高溫會(huì)加速材料老化，容易發(fā)生擊穿，尤其是在夏季，環(huán)境溫度和高負(fù)荷工作的情況下，絕緣層溫升較為嚴(yán)重，容易引起電纜絕緣薄弱處發(fā)生局部放電。XLPE電纜的壽命在工作溫度超過長(zhǎng)期允許的8%時(shí)會(huì)減半；超過長(zhǎng)期允許的15%時(shí)壽命會(huì)變成原來的1/4[16-18]，采用XLPE絕緣的高壓直流電纜，目前最高運(yùn)行溫度為70℃，載流量是影響電纜溫度的主要因素，對(duì)于不同絕緣厚度的電纜其載流量承受能力不同。此外，隨著智慧城市的建設(shè)，地下電纜敷設(shè)方式不斷發(fā)展，主要包括管道敷設(shè)和隧道敷設(shè)，不同的敷設(shè)方式對(duì)電纜的散熱具有較大的影響[19]。

本文測(cè)試分析了電纜絕緣料XLPE和半導(dǎo)電屏蔽料的電阻特性和導(dǎo)熱特性；通過建立高壓直流電纜電-熱耦合仿真模型，計(jì)算分析了絕緣層厚度對(duì)電纜電場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律；進(jìn)而討論了載流量和典型敷設(shè)方式對(duì)不同絕緣層厚度高壓直流電纜溫度場(chǎng)分布的影響。

1 材料性能測(cè)試與分析

1.1 絕緣層和半導(dǎo)電屏蔽層電阻特性

電阻率是影響高壓直流電纜電場(chǎng)分布的關(guān)鍵參數(shù)。性能測(cè)試之前，采用熔融共混法制備XLPE試樣和半導(dǎo)電屏蔽層試樣。XLPE試樣厚度為0.16mm，尺寸為100mm×100mm；半導(dǎo)電屏蔽層試樣厚度為0.30mm，試樣尺寸為115mm×50mm。XLPE絕緣層的電阻率采用三電極系統(tǒng)測(cè)量，考慮高壓直流電纜的實(shí)際運(yùn)行工況，實(shí)驗(yàn)過程中，絕緣層電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)置為10～30kV/mm，溫度設(shè)置為25℃、50℃、70℃、90℃四個(gè)典型溫度點(diǎn)。半導(dǎo)電屏蔽層的電阻率采用半導(dǎo)電電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，溫度變化范圍設(shè)置為25～90℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

分析圖1a可知，XLPE電阻率隨溫度的上升呈明顯下降趨勢(shì)，下降約2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，XLPE電阻率下降約1個(gè)數(shù)量級(jí)。電場(chǎng)強(qiáng)度為15kV/mm時(shí)，溫度從25℃到90℃變化時(shí)，XLPE電阻率從3.55×1016Ω?cm減小到7.85×1013Ω?cm。這是由于，一方面，溫度增加導(dǎo)致絕緣材料內(nèi)部載流子遷移率增大；另一方面，溫度的升高使材料內(nèi)部被陷阱捕獲的電荷重新獲得能量，成為自由移動(dòng)電子，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部自由移動(dòng)電荷增多，尤其是高溫下，更為顯著。從而表現(xiàn)為高溫下電纜絕緣層的電阻率顯著下降。

圖1 絕緣層和半導(dǎo)電屏蔽層電阻率隨溫度的變化

分析圖1b可知，隨著溫度的升高，半導(dǎo)電屏蔽層表現(xiàn)出明顯的正溫度系數(shù)效應(yīng)。當(dāng)溫度從25℃增加到90℃時(shí)，半導(dǎo)電屏蔽層電阻率從21.4Ω?cm增加到75.5Ω?cm。這是由于高壓電纜半導(dǎo)電屏蔽層主要成分為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）和導(dǎo)電炭黑粒子（CB）。隨著溫度的升高，EVA發(fā)生膨脹會(huì)影響導(dǎo)電炭黑粒子的接觸，在80℃之前電阻率增長(zhǎng)緩慢，EVA體積膨脹對(duì)炭黑導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞性很小，仍能維持較好的導(dǎo)電網(wǎng)鏈和較低的體積電阻率。當(dāng)溫度高于80℃時(shí)，超過了EVA的熔融溫度，其內(nèi)部分子鏈段數(shù)占比充分，體積增大，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)逐漸被破壞，電阻率增大明顯。

1.2 絕緣層和半導(dǎo)電屏蔽層導(dǎo)熱特性

采用激光閃射儀分別測(cè)量XLPE和半導(dǎo)電屏蔽層的導(dǎo)熱系數(shù)及其在溫度影響下的變化趨勢(shì)。由于測(cè)試條件需要，導(dǎo)熱系數(shù)試樣尺寸厚度為1mm，材料性能測(cè)試前，進(jìn)行干燥處理。采用平板硫化機(jī)制備厚度為1mm的兩種試樣，測(cè)量電壓為250V，脈沖寬度為400ns。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 絕緣層和半導(dǎo)電屏蔽層導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化

由圖2可知，在室溫下，XLPE的導(dǎo)熱系數(shù)為0.32W/(m·K)；隨著測(cè)試溫度升高，聚合物介質(zhì)晶格振動(dòng)引起的熱傳導(dǎo)加快，導(dǎo)致XLPE導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，90℃達(dá)到最大值0.39 W/(m·K) ；半導(dǎo)電屏蔽層的導(dǎo)熱系數(shù)在室溫下為0.68W/(m·K)，在80℃左右達(dá)到最大值0.83W/(m·K)。對(duì)比分析，半導(dǎo)電屏蔽層導(dǎo)熱系數(shù)約為絕緣層的兩倍，這是由于半導(dǎo)電復(fù)合材料內(nèi)部含有炭黑顆粒，有利于熱傳導(dǎo)。

2 高壓直流電纜電-熱仿真模型

2.1 電-熱耦合模型

考慮到高壓直流電纜軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，研究中采用二維簡(jiǎn)化模型，其主要結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層、XLPE絕緣層和外半導(dǎo)電屏蔽層。電纜置于外部空氣中，在直流穩(wěn)態(tài)條件下，設(shè)置外半導(dǎo)電屏蔽層接地，對(duì)導(dǎo)體施加電壓，電纜內(nèi)部電場(chǎng)分布和電位分布為

直流下電纜內(nèi)部電場(chǎng)分布和材料電阻率有關(guān)。溫度是影響材料電阻率的重要因素，進(jìn)而影響電纜內(nèi)部電場(chǎng)分布。電纜絕緣層內(nèi)部熱量主要來自導(dǎo)體發(fā)熱和絕緣損耗發(fā)熱，相比而言，載流量引起的導(dǎo)體發(fā)熱遠(yuǎn)大于材料自身的損耗發(fā)熱。

電纜內(nèi)部溫度場(chǎng)計(jì)算公式為

式中，為導(dǎo)體產(chǎn)生的焦耳熱；0為單位體積的焦耳熱；為通過導(dǎo)體的電流；為電纜通電時(shí)間；z為材料厚度；為材料密度；為材料比定壓熱容；為材料導(dǎo)熱系數(shù)；為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；ext為參考溫度；為材料某一位置溫度。

2.2 不同敷設(shè)方式下直流電纜溫度場(chǎng)模型

電纜敷設(shè)方式會(huì)影響電纜絕緣層溫度分布，進(jìn)而影響電纜整體散熱。除直埋敷設(shè)方式外，管道敷設(shè)和隧道敷設(shè)是采用較多的敷設(shè)方式。直埋敷設(shè)的傳熱方式主要考慮熱傳導(dǎo)，管道敷設(shè)和隧道敷設(shè)除了熱傳導(dǎo)外，還需要考慮內(nèi)壁對(duì)電纜表面的熱輻射以及管道、隧道內(nèi)部空氣流動(dòng)的影響。

當(dāng)物體被另一個(gè)物體包含起來時(shí)，該物體與空腔表面的傳熱方式為熱輻射，該物體與空腔表面輻射換熱的熱流密度為

研究中對(duì)比分析三種敷設(shè)方式，土壤的范圍取長(zhǎng)2m，寬0.1m，深度為2m的長(zhǎng)方體。管道厚度設(shè)置為3.5mm，內(nèi)徑為280mm；隧道邊長(zhǎng)設(shè)置為1m，厚度為50mm；兩路電纜之間的距離為0.5m。除直埋敷設(shè)外，管道敷設(shè)和隧道敷設(shè)的內(nèi)部環(huán)境為空氣，外部環(huán)境為土壤[19]。不同敷設(shè)方式下電纜仿真結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。計(jì)算中，地表設(shè)置為與空氣對(duì)流傳熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為12.5W/(m2·℃)，地表溫度考慮夏季，設(shè)置為40℃；兩側(cè)土壤設(shè)置為沿法向的熱流密度為零；由于下側(cè)土壤距離電纜較遠(yuǎn)，設(shè)置為恒定溫度25℃。

圖3 不同敷設(shè)方式下電纜仿真結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 絕緣層厚度對(duì)直流電纜電場(chǎng)分布的影響

電纜仿真模型采用500kV高壓直流電纜簡(jiǎn)化二維模型，電壓設(shè)置為500kV，絕緣厚度為28mm，半導(dǎo)電屏蔽層和絕緣層的電阻率取實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

圖4 高壓直流電纜電位和電場(chǎng)分布

分析圖4可知，導(dǎo)體和絕緣層內(nèi)側(cè)電位最大，由絕緣層內(nèi)側(cè)到外半導(dǎo)電屏蔽層位置，電勢(shì)呈梯度分布，逐漸減小。絕緣層的電場(chǎng)強(qiáng)度從內(nèi)到外逐漸減小，呈梯度分布。最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在絕緣層與內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層的界面處，為24.5kV/mm。

在電纜設(shè)計(jì)過程中，絕緣厚度選取較為重要，合適的絕緣厚度有利于增加電纜的使用壽命，減少材料成本和電纜的鋪設(shè)難度[15,21]。仿真過程中，為了討論絕緣厚度對(duì)電場(chǎng)分布的影響，絕緣厚度選取較大的范圍，設(shè)置為20～35mm，改變絕緣層的厚度，絕緣層內(nèi)側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖5 所示。可以看出，隨著絕緣厚度的增加，絕緣層內(nèi)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。由20mm時(shí)的31.8kV/mm降低至35mm時(shí)的20.8kV/mm。電纜絕緣厚度的設(shè)計(jì)除了考慮電場(chǎng)強(qiáng)度外，還需要綜合考慮絕緣層內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布，以及載流量和敷設(shè)方式等因素。

圖5 絕緣層電場(chǎng)強(qiáng)度隨厚度的變化曲線

3.2 絕緣層厚度對(duì)直流電纜溫度場(chǎng)分布的影響

電纜溫度場(chǎng)仿真時(shí)，絕緣厚度固定為28mm，電纜外表面與空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)置為7.5W/(m2·℃)，銅芯電流設(shè)置為1 400A，考慮環(huán)境溫度為25℃，運(yùn)行時(shí)間為36h，電纜溫度場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 高壓直流電纜溫度場(chǎng)分布

由圖6可以看出，沿著電纜徑向方向其內(nèi)部溫度呈現(xiàn)明顯的梯度分布，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到36h時(shí)，溫度逐漸達(dá)到穩(wěn)定。載流量1 400A時(shí)電纜線芯溫度為47.5℃，絕緣層內(nèi)側(cè)溫度為46.7℃，外側(cè)溫度為36.3℃，絕緣層溫差為10.4℃。比較不同位置，溫度差異較大，電纜不同位置溫度隨絕緣厚度的變化如圖7所示。

由圖7可知，絕緣層厚度增加不利于電纜的散熱，導(dǎo)體和絕緣內(nèi)側(cè)的溫度由于散熱變差而呈小幅增大趨勢(shì)，20mm時(shí)絕緣層內(nèi)側(cè)溫度為46.2℃，35mm時(shí)絕緣層內(nèi)側(cè)溫度為47.8℃。由于絕緣層和導(dǎo)體通過內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層緊密接觸，絕緣層內(nèi)側(cè)最先接收到導(dǎo)體熱量的傳導(dǎo)，因此，絕緣內(nèi)側(cè)和導(dǎo)體溫度相差不大。雖然電纜散熱下降，但絕緣厚度的增加會(huì)使散熱過程加長(zhǎng)，使絕緣層外側(cè)溫度隨絕緣厚度的增加有所下降。

圖7 電纜不同位置溫度隨絕緣厚度的變化

絕緣層的厚度不僅影響電纜不同位置的溫度，還會(huì)影響絕緣層的溫差，即絕緣層內(nèi)側(cè)和外側(cè)的溫度梯度。絕緣層溫差對(duì)材料具有較大的影響，絕緣厚度對(duì)絕緣層內(nèi)側(cè)溫度及溫差的影響如圖8所示。

圖8 電纜絕緣厚度對(duì)絕緣層溫度及溫差的影響

分析圖8可知，在相同載流量下，不同厚度的絕緣層溫度變化趨勢(shì)有所不同，絕緣層越厚，溫度達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。整體上，絕緣層內(nèi)側(cè)溫度隨著時(shí)間的增加不斷升高，并在25～30h內(nèi)趨于穩(wěn)定；隨著絕緣厚度的增加，絕緣內(nèi)側(cè)溫度逐漸增大，從20mm時(shí)的46.2℃增加到35mm時(shí)的47.8℃。絕緣層溫差隨XLPE厚度的增加明顯增大，XLPE厚度為20mm時(shí)，溫差為8.2℃；35mm時(shí)，溫差為12.6℃，增長(zhǎng)約54%。這是由于電纜熱量由內(nèi)向外傳導(dǎo)，而當(dāng)電纜載流量一定時(shí)，絕緣厚度的增加會(huì)使電纜散熱過程減慢，使得絕緣內(nèi)側(cè)溫度變高。絕緣外側(cè)溫度則由于散熱過程的加長(zhǎng)有所降低。對(duì)于高壓直流電纜，絕緣層溫差是導(dǎo)致空間電荷積聚和電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的重要原因，因此，高壓直流電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能從源頭減少絕緣層溫差。

3.3 載流量對(duì)不同厚度直流電纜溫度場(chǎng)分布的影響

載流量會(huì)影響電纜絕緣層溫度分布，進(jìn)而影響電纜的運(yùn)行溫度，目前，成熟應(yīng)用的高壓直流電纜最高運(yùn)行溫度為70℃。計(jì)算中，選取苛刻條件，以導(dǎo)體最高運(yùn)行溫度90℃進(jìn)行分析。電纜絕緣厚度的變化會(huì)影響絕緣層及電纜的整體散熱。當(dāng)電纜載流量過大時(shí)，線芯溫度過高，會(huì)加速電纜的絕緣老化，造成絕緣擊穿，影響絕緣性能，設(shè)計(jì)合適的厚度對(duì)高壓直流電纜設(shè)計(jì)至關(guān)重要。載流量對(duì)電纜溫度的影響如圖9～圖12所示。

圖9 不同載流量時(shí)導(dǎo)體溫度隨時(shí)間的變化

電纜溫度與載流量密切相關(guān)，分別設(shè)置載流量為800A、1 200A、1 400A、1 600A、2 000A和2 400A時(shí)計(jì)算電纜線芯的溫度。分析圖9可知，電纜溫度隨著載流量的升高逐漸增高，載流量越大，線芯溫度增加的幅度越大。載流量為800A時(shí)，線芯的溫度32.35℃，2 400A時(shí)，電纜線芯溫度達(dá)到最高工作溫度90℃。此外，隨著載流時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)體溫度逐漸升高，載流量越大，導(dǎo)體溫度達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖10 載流量2 400A時(shí)電纜不同位置溫度隨時(shí)間的變化

圖11 絕緣層溫差隨厚度和載流量的變化

圖12 載流量對(duì)絕緣層電場(chǎng)分布的影響

下面重點(diǎn)考慮載流量為2 400A時(shí)，即導(dǎo)體溫度為90℃的情況，圖10為電纜不同位置溫度隨時(shí)間的變化。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，電纜溫度不斷提升，并在20h左右趨于穩(wěn)定。導(dǎo)體穩(wěn)定時(shí)的溫度在90℃左右，絕緣層內(nèi)側(cè)的溫度和導(dǎo)體溫度相差不大，絕緣層外側(cè)溫度為57℃。圖10右下角為沿電纜截面法線方向溫度分布圖，從原點(diǎn)開始依次為電纜導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層、絕緣層及外半導(dǎo)電屏蔽層。每條曲線代表某運(yùn)行時(shí)刻電纜的溫度分布情況。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，電纜內(nèi)部沿法線方向溫度從25～90℃呈現(xiàn)梯度分布。圖11進(jìn)一步討論了絕緣層溫差隨厚度和載流量的變化。

從圖11中可看出，絕緣層溫差隨著載流量的增加明顯增大。載流量為800A時(shí)，絕緣層溫差為3.5℃，2 400A時(shí)，溫差為31.4℃。載流量的大小直接影響導(dǎo)體發(fā)熱量，進(jìn)而影響絕緣的熱老化和擊穿性能。當(dāng)載流量較小時(shí)，絕緣層溫差受厚度影響較小，載流量為800A，電纜絕緣厚度從20～35mm變化時(shí)，絕緣層溫差從2.7℃增加至4.1℃，僅增加1.4℃；當(dāng)載流量較大時(shí)，絕緣層溫差明顯發(fā)生變化，載流量為2 400A，絕緣層溫差則由20mm時(shí)的24.2℃增加至35mm時(shí)的37℃，增加約53%。

由上述分析可知，載流量對(duì)電纜絕緣層溫度具有較大的影響，導(dǎo)致絕緣層內(nèi)側(cè)和外側(cè)產(chǎn)生較大的溫度差；而溫度會(huì)影響絕緣層電阻率，進(jìn)而影響電場(chǎng)分布。由于絕緣層內(nèi)側(cè)和外側(cè)溫差較大，導(dǎo)致電纜內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，圖12給出了載流量對(duì)絕緣層電場(chǎng)分布的影響。

從圖12可以看出，導(dǎo)體電流對(duì)絕緣層電場(chǎng)影響較大，當(dāng)載流量為600A時(shí)，絕緣層電場(chǎng)由內(nèi)到外逐漸減小。絕緣層內(nèi)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度隨著導(dǎo)體電流的增大逐漸減小。當(dāng)導(dǎo)體電流達(dá)到1 200A時(shí)，隨著絕緣層半徑的增大，絕緣層電場(chǎng)分布趨于平緩，內(nèi)外電場(chǎng)強(qiáng)度差值僅為1.6kV/mm，當(dāng)電纜載流量大于約 1 200A時(shí)，由于絕緣層內(nèi)側(cè)和外側(cè)電阻率變化不同，出現(xiàn)電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。隨著導(dǎo)體電流的繼續(xù)增大，絕緣層電場(chǎng)出現(xiàn)明顯的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即絕緣層外側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度大于絕緣層內(nèi)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度。絕緣層中心側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度在電流的變化范圍內(nèi)基本不變，維持在18kV/mm。

導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量首先傳遞至絕緣層內(nèi)部，沿電纜法線方向，絕緣層溫度逐漸降低，隨著載流量的增加，絕緣層溫差逐漸增大，如圖12所示。當(dāng)絕緣層溫差較小時(shí)，材料電阻率受絕緣層內(nèi)側(cè)和外側(cè)溫度影響不大，因此電場(chǎng)表現(xiàn)為外側(cè)低內(nèi)側(cè)高，與同軸電纜電場(chǎng)分布相符。當(dāng)絕緣層溫差較大時(shí)，絕緣層內(nèi)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸小于外側(cè)電場(chǎng)。這是由于絕緣層內(nèi)側(cè)高溫導(dǎo)致電阻率隨導(dǎo)體電流的升高顯著下降，從而使內(nèi)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度降低；而絕緣層外側(cè)由于溫度升高而引起的電阻率變化小于內(nèi)側(cè)的影響，因此外側(cè)電場(chǎng)隨載電流的增加呈升高趨勢(shì)[22-24]。

3.4 敷設(shè)方式對(duì)不同厚度直流電纜溫度場(chǎng)分布的影響

為了分析不同敷設(shè)方式對(duì)電纜溫度的影響，建立了深層電纜土壤敷設(shè)環(huán)境，三種敷設(shè)方式的電纜絕緣厚度取28mm，載流量取2 400A，地表溫度考慮夏季苛刻溫度為40℃。圖13為不同敷設(shè)環(huán)境下的電纜溫度分布。

圖13 不同敷設(shè)環(huán)境下的電纜溫度分布

分析圖13可知，不同敷設(shè)方式下電纜溫度分布明顯不同。直埋敷設(shè)導(dǎo)體的溫度為81℃；管道敷設(shè)時(shí)，導(dǎo)體溫度為86.9℃；隧道敷設(shè)時(shí)，導(dǎo)體溫度為61.4℃?？梢钥闯?，在相同載流量和絕緣層厚度的情況下，三種敷設(shè)方式中隧道敷設(shè)散熱最好，其次是直埋敷設(shè)，管道敷設(shè)散熱相對(duì)較差。不同敷設(shè)方式下絕緣層內(nèi)側(cè)溫度隨絕緣層厚度的變化如圖14所示。

從圖14可看出，隨著絕緣厚度的增大，直埋敷設(shè)絕緣層內(nèi)側(cè)溫度從20mm的78℃增加至35mm的82.4℃；管道敷設(shè)則從83.1℃增加至88℃；隧道敷設(shè)由于散熱較好，絕緣層內(nèi)側(cè)溫度相對(duì)較小，從58℃增加至63℃。

對(duì)比三種敷設(shè)方式可以看出，隧道敷設(shè)下電纜散熱效果最好，這是由于隧道內(nèi)部空氣流速較快，加速電纜外部熱擴(kuò)散；相比而言，管道內(nèi)部空氣流速較慢，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，造成管道敷設(shè)散熱較差；直埋敷設(shè)下電纜散熱主要靠電纜與土壤的熱傳導(dǎo)，不同于隧道內(nèi)部的空氣熱擴(kuò)散，其散熱效果比隧道敷設(shè)差[19]。

圖14 不同敷設(shè)方式下絕緣層內(nèi)側(cè)溫度隨厚度的變化

4 結(jié)論

本文分析了高壓直流電纜絕緣層和半導(dǎo)電屏蔽層的電阻特性和導(dǎo)熱特性；在此基礎(chǔ)上，通過建立高壓直流電纜電-熱耦合仿真模型，計(jì)算了絕緣層厚度對(duì)電纜電場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律；討論了載流量和敷設(shè)方式對(duì)不同絕緣層厚度高壓直流電纜溫度場(chǎng)分布的影響，得出以下結(jié)論：

1）交聯(lián)聚乙烯電阻率隨著溫度的升高（25～90℃），電阻率下降約2～3個(gè)量級(jí)，半導(dǎo)電屏蔽層電阻率由21.4Ω·cm增加至75.5Ω·cm；整體上，半導(dǎo)電屏蔽層導(dǎo)熱系數(shù)約為絕緣層的兩倍，室溫下二者導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.32W/(m·K)和0.68W/(m·K)。

2）隨著電纜絕緣層厚度的增加（20～35mm），絕緣內(nèi)側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度從31.8kV/mm降低到20.8kV/mm，降低了約34%；絕緣層內(nèi)外溫度差由8.2℃增加至12.6℃。當(dāng)載流量為2 400A時(shí)，絕緣層內(nèi)側(cè)溫度達(dá)到90℃左右，隨著載流量的增加，絕緣層溫差由800A的3.5℃，增加到2 400A的31.4℃。當(dāng)載流量大于約1 200A時(shí)，由于絕緣層內(nèi)側(cè)和外側(cè)電阻率變化，電纜絕緣層出現(xiàn)電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3）對(duì)比不同敷設(shè)方式，隧道敷設(shè)的散熱最好，其次是直埋敷設(shè)，管道敷設(shè)的散熱相對(duì)較差；直埋敷設(shè)導(dǎo)體的溫度為81℃，管道敷設(shè)導(dǎo)體的溫度為86.9℃，隧道敷設(shè)導(dǎo)體的溫度為61.4℃。此外，隨著電纜絕緣厚度的增加，三種敷設(shè)的絕緣層內(nèi)側(cè)溫度也隨之上升，當(dāng)絕緣層厚度從20mm增加到35mm時(shí)，直埋敷設(shè)絕緣層內(nèi)側(cè)溫度由78℃增加到82.4℃，管道敷設(shè)溫度由83.1℃增加到88℃，隧道敷設(shè)溫度則由58℃增加到63℃。

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Influence of Insulation Layer Thickness on Electric Field and Temperature Field of HVDC Cable

Wei Yanhui1Zheng Yuanhao1Long Haiyong2Li Guochang1Li Shengtao3

（1. Institute of Advanced Electrical Materials Qingdao University of Science and Technology Qingdao 266042 China 2. TEBA Shandong Luneng Taishan Cable Co. Ltd Xintai 271200 China 3. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

The distribution of electric and temperature fields in high voltage cables is a key factors in the design of insulation thicknesses. In the study, an electric -thermal coupling simulation model of high-voltage direct current (HVDC) cable was established, and the changes of resistivity and thermal conductivity of cable insulation layer and semi-conducting layer with temperature were measured and analyzed. The influence of insulation layer thickness on the distribution of cable electric and temperature fields was calculated.The influence of load capacity and laying method on the temperature field distribution of cable with different insulation layer thickness was discussed.Experimental results show that the XLPE resistivity decreases by 2-3 orders of magnitude with increasing temperature (25-90℃), while the semi-conductive shield increases from 21.4Ω·cm to 75.5Ω·cm. Overall, the thermal conductivity of semi-conducting layer is about twice that of insulation layer. When the insulation thickness is increased from 20 mm to 35 mm,the electric field inside the insulating layer is reduced by about 34%. The temperature difference between inside and outside the insulation layer increases by about 54%.The temperature difference of the insulation layer increases from 3.5℃ for 800A to 31.4℃ for 2400A with the increase of the amperage.The heat dissipation efficiency of the three laying methods in descending order is tunnel laying, directly buried laying and pipeline laying.

High voltage direct current cable, insulation thickness, electric field, temperature field, current carrying capacity, cable laying method

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210856

TM853

山東省重大科技創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目（2019JZZY010421）。

2021-06-14

2021-10-25

魏艷慧 女，1986年生，博士，副教授，研究方向?yàn)楦邏涸O(shè)備絕緣狀態(tài)評(píng)估、高壓電纜半導(dǎo)電屏蔽料特性。E-mail：Wyn@qust.edu.cn

李國(guó)倡 男，1985年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備絕緣技術(shù)與絕緣材料、多場(chǎng)耦合下絕緣部位電場(chǎng)仿真與技術(shù)優(yōu)化、高壓電纜及附件關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用。E-mail：Lgc@qust.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）