高壓直流XLPE絕緣電纜附件設計

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勢，而直流交聯聚乙烯(XLPE)電纜又具有絕緣工作電場強度高、絕緣厚度薄、重量輕、安裝容易等優點［1］，但是相對于XLPE在交流輸配電中獲得的廣泛應用，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，而電纜在有負載的情況下，改變電纜極性可能使電纜內部電場強度增加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重畸變，使局部場強比平均電場高5～11倍［3～4］，很有可能導致絕緣的擊穿。

隨著直流輸電技術和納米科技的發展，目前已經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。根據報道［6～7］，日本高壓直流 XLPE 電纜已經發展到±500 kV，并且可以經受“極性反轉”的變化和雷電沖擊的作用。

直流電纜在發展中吸取了幾乎所有交流電纜的研制經驗和成果，所以在結構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構。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的油紙終端，內絕緣采用增繞式結構。隨著高壓直流XLPE電纜輸電技術的發展，與之配套的直流電纜附件也應開展相應的研究工作。本文的目的就是對高壓直流XLPE電纜附件進行設計分析，并對研制的110 kV電纜直流終端樣品進行了直流型式試驗。

1 高壓直流XLPE電纜附件的內絕緣設計

1.1 理論依據

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滿足媒質性能方程:

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

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)為絕緣材料的電導率。

根據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，所以電場強度E也隨著時間而變化。這樣，式(1)、式(2)所表示的本構方程在形式和量綱上是相似的，從而決定了兩者在結構和設計原理上具有一定的相似性。

但是直流與交流XLPE電纜附件的設計中也存在較大的差異性，即上述兩個方程中的本征參數的性質不同。交流電場下，應遵循式(1)，本征參數為E，它隨電場和溫度的變化較小;而直流電場下，應該遵循式(2)，本征參數為γ(E，T)，它隨電場和溫度顯著變化，有時達幾個數量級［8］。從而導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，從而導致界面擊穿。因此，在直流XLPE電纜附件的內絕緣設計中，界面空間電荷的抑制是最關鍵的。

1.2 高壓直流XLPE電纜附件的內絕緣設計依據

電纜附件的絕緣結構設計中存在不同絕緣材料組成的復合絕緣。不同絕緣材料的電導率不可能完全一致，而直流電纜附件的電場分布取決于電導率，因此高壓直流XLPE電纜附件的內絕緣設計與其電導率密切相關。本文以絕緣結構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電纜附件的內絕緣設計依據。

電纜絕緣與接頭絕緣的相對介電常數、電導率參數選擇見表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、電導率參數選擇

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，如果電纜絕緣電導率遠大于接頭絕緣的，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，如果電纜絕緣電導率遠小于接頭絕緣的電導率，其電位分布主要集中在接頭應力錐曲線根部，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，那么界面很容易發生擊穿。

如果將電纜絕緣與接頭絕緣的電導率之比合理控制在一定的范圍之內，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率之比控制不當，會導致局部電場強度過高。如果將兩者的電導率之比控制在一定的范圍之內，直流電場分布與交流電場分布類似，界面的電場強度分布相對均壓。因此，如果直流電纜附件仍然沿用交流電纜附件的結構，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，不能單純地追求絕緣材料電導率越低越好，而是要與直流電纜的絕緣材料的電導率相互匹配。

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雜得多。因為絕緣材料電導率既是電場的函數，又是溫度的函數［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率之比控制在一定的范圍內，這樣才能有效減少界面電場強度的畸變，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行材料改性。而采用EPDM的附件廠家一般都具有材料開發的能力，因此在開發直流XLPE電纜附件主絕緣材料配方上具有一定的優勢。

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

根據GB/T 1408.2—2006，對交流電纜附件用的EPDM材料進行直流介電強度試驗，其短時擊穿強度是工頻電壓下的2.5倍左右。因此，在進行直流XLPE電纜附件結構設計上除了要考慮兩者絕緣材料的電導率之比控制得當之外，其電氣結構尺寸還可設計得更加緊湊，即在設計直流電纜附件的結構時，可適當提高設計場強的值。

3110 kV直流XLPE電纜戶外終端的設計與研制

110 kV直流XLPE電纜戶外終端的大體結構仍沿用交流戶外終端的結構，內絕緣的結構設計也是沿用交流的內絕緣設計方法，但是為取得電場優化分布，應根據直流電場分布的特點，對關鍵部件橡膠應力錐及內外絕緣配合進行特別設計。

在進行直流終端外絕緣設計時需要考慮大氣環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生靜電吸引，污穢問題比交流情況下嚴重得多，所以外絕緣的爬電長度必須增大。根據國外有關資料，在新西蘭Cook海峽的±250 kV電纜終端，設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側，不易受到污穢，然而在實際使用時則多發生污穢事故，最后不能不在終端旁邊裝置固定沖擊裝置，定時沖洗。

根據國內外有關資料，將運行于直流線路上外絕緣瓷套管的有關外絕緣的主要參數列于表2［9］。

表2 直流瓷套管的外絕緣數據

根據表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，委托廠家加工制作。

根據以上分析，我們公司對直流電纜附件的EPDM絕緣材料進行了改型研究，即將電纜絕緣與橡膠件絕緣材料的電導率之比仍控制在一定的范圍內，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電纜附件。據此我們研制開發了直流EPDM應力錐和110 kV直流戶外終端。

根據大電網會議推薦的標準CIGRE 219［10］，以及國家電線電纜質量監督檢驗中心技術規范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試驗規范》，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量監督檢驗中心通過了直流電纜附件的型式試驗項目。試驗內容包括:室溫下的直流耐壓試驗、負荷循環試驗、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 結束語

(1)直流XLPE電纜附件的結構可以沿用交流電纜附件的結構，但是應根據直流電場特點，對關鍵部件橡膠應力錐及內外絕緣配合進行特別設計。

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

(3)在設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)在直流終端結構設計中，要根據直流電壓的電場分布情況合理設計外絕緣的結構，從而使得內外絕緣合理配合。

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［9］張恩躍，邢昇璋.直流穿墻套管的設計研制及分析［J］.避雷器，1999(3):3-9.

［10］CIGRE 219:Recommendations for testing DC extruded cable systems for power transmission at a rated voltage up to 500 kV［S］.