基于有限元法的導電雜質對XLPE電纜內部電場分布影響的研究

尚英強 張恒東 邰寶宇 時晨杰

1．國網北京市電力公司電纜分公司 北京 100022 2．北京卓越電力建設有限公司 北京 101300

0 引言

電力電纜是傳輸電能的重要電力設備,隨著我國城市內電網電纜化率的不斷提升,高壓交聯聚乙烯電纜的使用也在不斷普及。交聯聚乙烯(XLPE)結構簡單,介電響應性能好,結構相對穩定,耐熱性能由于聚乙烯材料,且具備一定的機械強度,目前正作為絕緣材料在高壓電纜中被廣泛使用[1]。

然而,交聯聚乙烯電纜的老化和擊穿是目前電力電纜安全運行面對的主要問題。近年來,不斷有學者從交聯溫度、交聯時間、交聯程度、老化方式、電極材料、脫氣時間及絕緣厚度等方面對交聯聚乙烯電纜老化的原因進行分析。

XLPE電纜的制造對絕緣材料的潔凈度要求較高,然而在電力電纜制造的過程中,XLPE絕緣中不可避免的會產生微孔和雜質,其來源有可能是聚乙烯材料原理本身,也可能是在摻料過程中混入了空氣中可能存在的微粒。雜質會引起XLPE電纜內部電場發生畸變,引發一系列老化現象[4]。

本文基于有限元計算方法,分析了導電雜質在XLPE電纜絕緣內引起的電場分布的影響

1 計算原理

1．1 計算電場強度 在多物理場有限元計算中,利用偏微分方程可以根據點位來求解電場強度,公式見(1)所示

式中,φ為各個節點上電位的加權值,即

1．2 計算電荷密度 根據高斯通量定理,對于某一點的電位移矢量D求散度,可以得到該點的電荷密度ρ,公式如(3)所示

式中,D＝εE,其中ε為介質的介電常數。在雜質和電介質的分界面上,積聚電荷的面密度如下式所示

2 電纜建模與仿真

2．1 電纜模型建立 選用型號為YJLW02－127/220k V 1×1200mm2交聯聚乙烯電纜進行建模計算,導體直徑為42．6mm,絕緣層厚度為24．0mm,鋁護套厚度為2．5mm,外護套厚度為5．0mm,半導電包帶厚度為0．2mm,導體屏蔽厚度為1．2mm,絕緣屏蔽厚度為1．0mm,半導電阻水緩沖層厚度為3．0mm。不同介質的相對介電常數見表1。

表1 不同介質的相對介電常數

2．2 不含雜質的電場分布計算 首先針對絕緣內不含雜質的情況進行了電場分布的有限元計算。當電纜工作電壓為220k V,無雜質情況下,電纜內部的電場強度最高點出現于導體屏蔽和絕緣層交界面處,從電纜絕緣到外護層電場強度逐漸降低,至外護套內表面時場強為零。同時可以阻水緩沖層處的場強稍高于絕緣屏蔽及金屬外護套。

2．3 含有導電雜質的電場分布計算 導電雜質位于電纜中心正上方,距離電纜中心31．3mm處。

與周圍XLPE絕緣電場強度相比,導電雜質內部的電場強度非常小。而在導電雜質與XLPE絕緣的邊界上,最大場強出現在導電雜質的邊緣上。

XLPE絕緣由于其良好的介電性能,在電壓作用下內部電流的傳導十分微弱,但導電雜質的高電導率使雜質內部電流傳導密度較高,電場強度較低。從圖1中可以看出,在電場作用下,導電雜質顆粒的邊界層附近會發生電離過程,負的帶電離子注入XLPE絕緣的內部,使雜質帶正電荷。雜質邊界最大電場強度為103．6k V/cm。

2．4 不同介電常數導電雜質對電場分布的影響 在上述模型的基礎上,將雜質顆粒的介電常數分別改為1、50和150,以研究不同介電常數對電纜內部電場強度分布的影響。

在相同電壓條件下,不同介電常數對雜質周邊電場強度分布存在一定影響,介電常數越大,極化電荷建立的電場對外加電場削弱能力就越大,雜質內部的電場強度越小,在絕緣與雜質界面出現的最大電場強度也就越大。

3 結論

本文研究了XLPE電纜絕緣中導電雜質對電纜內部電場分布的影響,并通過改變導電雜質的介電常數,得出如下結論:

(1)對于不含雜質的220k V XLPE電纜,在額定電壓作用下,線芯內部電場強度為零,最大電場強度出現在導體屏蔽與絕緣交界面處并沿徑向逐漸降低。

(2)對于XLPE絕緣中含有0．1mm導電雜質的220k V電纜,電場在雜質與XLPE絕緣交界面處發生畸變,該處電場強度高于導體屏蔽與絕緣交界面處,雜質內部電場強度較小。

(3)雜質與XLPE絕緣交界面處最大電場強度隨介電常數增大而增大。

綜上所述,當XLPE電纜絕緣內部存在導電雜質時,會造成絕緣內部電場發生畸變,存在引起絕緣劣化的可能性。