直流电缆附件电场分布数值计算分析

直流电缆附件电场分布数值计算分析

孙凤祥 朱飞

宝胜高压电缆有限公司 江苏省 225800

摘要:由于高压直流输电的优越性，直流传输线路的发展是必然的，则与之相配套的直流电缆及直流电缆附件的研究必须跟得上直流传输线路的发展，而在直流附件中因在不改变方向的电压下运行，使得其内部电场分布不同于交流电缆附件，所以需对直流电缆附件内部场强进行探究。本文探究了200kV下XLPE直流电缆的电缆终端附件内部场强分布，选择了普通硅橡胶和纳米复合硅橡胶分别作为直流电缆附件的增强绝缘。由于这两者材料的电导率受到场强和温度的双重影响，通过借助于COMSOL Multiphysics有限元分析软件，利用电场和热场模块直接耦合的方式，仿真计算得到了电缆终端附件内部的电场分布云图和温度图，后处理进一步处理，得到分界面处和应力锥处的电场图并对比两者，发现使用纳米复合材料的附件应力锥处的场强小于应用硅橡胶时的，得出了具有非线性电导特性的材料确实能够改善终端附件内部电场分布并减少畸变。

关键词：直流输电；电场分布；数值；仿真分析

1 直流电缆终端各绝缘材料的电导率分析

本文各材料的实验数据均来自查询实验同学的混料、压片、测量最终得到。各材料的电导率图如图1-1、1-2、1-3所示。

比较三幅图，可以看出这三种材料在直流电场下不同温度时的电导率都存在一个转折点，即拐点场强，在转折点之前，材料的电导率变化都较为平缓，在转折点之后的变化较于之前急剧，且各材料在转折点之后的变化速率也不一致。

在图1-1中，相同电场下，温度的每一次升高都使得电导率发生数量级上的依次变化，总体趋势为电导率随着温度的增加而增加。在相同温度下，电场强度的增加也使得电导率发生数量级上的变化，在30℃时增大了将近3个数量级，但在70℃时只增大了大约1个数量级，可知随着电场强度的增大电导率也在增大但增加的幅度慢慢降低。结合这两点，不难看出XLPE受温度和场强的影响较大。

图1-1XLPE的电导率变化图

图1-2普通硅橡胶电导率变化

图1-3纳米复合硅橡胶电导率变化

在图1-2中，在相同电场下，电导率随着温度的升高而增大，但增大的幅度明显较小，拐点场强也较为相近。在相同温度下，电场的增加使得三个温度下的场强都发生了不到一个数量级上的增加。总体上普通硅橡胶的电导率受温度和场强的影响较小。

在图1-3中，纳米复合硅橡胶总体上的变化趋势相似于普通硅橡胶，但是初始电导率大于普通硅橡胶，并且其在拐点场强之后的电导率变化速率上高于普通硅橡胶，表现出良好的非线性电导特性。

总体来看，硅橡胶和纳米复合硅橡胶的电导率整体要高于XLPE的电导率，再结合图1-3，预测纳米复合硅橡胶在电缆终端场强改善上会表现出较好的结果。

2仿真结果的分析

直流稳态运行情况下电缆附件内电场分布主要取决于各绝缘材料的电导率，为了研究普通硅橡胶和具有非线性电导特性的复合硅橡胶电导率差异对终端内电场分布的影响，建立图3-3所示的电缆终端二维轴对称模型，分别以普通硅橡胶和纳米复合硅橡胶作为终端内的增强绝缘进行仿真分析。考虑到XLPE、普通硅橡胶以及纳米复合硅橡胶电导率与温度和电场强度的非线性关系，用COMSOL进行仿真设定，给电缆线芯施加电压幅值U为200kV，线芯与外表面的温度差ΔT设为40℃，最终得到了终端内的热场图和电场图。热场分界面仿真图如图2-1所示，终端内部热场整体分布图如图2-2所示，电场仿真云图见图2-2。图例左侧与下方分别为仿真模型的轴向长度和径向长度用来表示其所处的位置，单位是mm,，右侧分别为热场下的温度和电场下的场强，单位分别为℃和kV/mm。

3.1.1热场结果分析

图2-1增强绝缘与电缆主绝缘交界面处温度数值图

a)表面势图 b)等温线

图2-2电缆终端温度表面势图与等温线

由于采用硅橡胶与纳米复合硅橡胶分别作为增强绝缘的两种终端温度分布数值趋势都相同，此处视为一种情况进行讨论。分析图2-2可知，温度分布自然是从电缆线芯到终端外表面依次递减，并且终端内部各层的温度分布也相对均匀，各分布只在进入或出去增强绝缘时呈现出略微的增大，但在增强绝缘层内部分布又为相对均匀分布。应力锥和增强绝缘处的温度处于40℃和60℃之间，在可接受的温度范围内，由图2-1可知电缆主绝缘和增强绝缘交界面处的温度过渡得也比较缓和，所呈现的三个值之间最大差值为2℃左右。

3 电场结果分析

在终端电场分析中，由电缆终端整体的仿真结果来看，不同绝缘材料下靠近应力锥根部处的电场分布差异较大，并且因为应力锥处最为脆弱，即应力锥处更易发生电损伤，为了具有代表性，对两种材料终端内增强绝缘和电缆主绝缘分界面处的场强分布和应力锥处的场强，也进行了比较探讨。各仿真结果如图3-1、3-2、3-3所示。

a)普通硅橡胶 b)纳米复合硅橡胶

图3-1电场分布云图

a)普通硅橡胶 b)纳米复合硅橡胶

图3-2增强绝缘与电缆主绝缘分界面的电场模值

a)普通硅橡胶 b)纳米复合硅橡胶

图3-3应力锥处的电场模值

在图3-1中，a)、b)两图的电场分布及终端最大电场值明显不一样。采用纳米复合硅橡胶的终端总的电场强度值要小于普通硅橡胶的，两者最大值相差5倍左右，内部电场分布均匀性也要好于后者，纳米复合材料中应力锥、增强绝缘及电缆主绝缘三者场强分布均有过渡趋势，而在普通硅橡胶增强绝缘中靠近应力锥根部的地方出现了电场集中的现象，同时电缆主绝缘中场强最大处也出现在靠近应力锥根部的地方，很好的验证了应力锥是终端内最薄弱部分的说法。图3-2两者分界面处的场强都随着距应力锥根部距离的减小呈现出增大的趋势，但普通硅橡胶中的差值远大于纳米复合硅橡胶中的，纳米复合硅橡胶的最大场强也仅为普通硅橡胶的大约1/5。在图3-3中，将应力锥处的电场云图进行了数字化，采用普通硅橡胶的应力锥表面场强为44kV/mm ，而纳米复合硅橡胶的只有4.8kV/mm。后者极大的弱化了应力锥处的电场集中现象。

4影响直流电缆终端场强分布的因素

4.1不同电压幅值对电缆终端的影响

由于直流电缆系统在安装后，需要对其分别进行直流试验和型式试验。因此本文对终端分别施加两试验下的相同幅值电压（290kV和370kV）进行模拟仿真分析，由于硅橡胶与纳米复合硅橡胶的整体变化趋势较为相近，此处只呈现出纳米复合硅橡胶结果如图4-1、4-1所示，各材料仿真结果具体数值见表1-1。

a)290kV纳米复合硅橡胶 b)370kV纳米复合硅橡胶

图4-1不同电压幅值下增强绝缘与电缆主绝缘分界面电场模值

a)290kV纳米复合硅橡胶 b)370kV纳米复合硅橡胶

图4-2不同电压幅值下应力锥的电场模值

表1-1不同电压幅值下各部位的电场值

由表1-1可得随着施加电压幅值的增大，电缆终端内的场强整体都增大，只不过因为增强绝缘材料的不同，增加的幅度不同。结合图4-1可知，电压的增大对于越靠近应力锥根部的电场分布影响越大。在图4-2中也是如此，对于越远离应力锥根部的电压增加的幅值越缓慢。但总体上看，采用纳米复合硅橡胶的终端，各部分场强增大后的值也都在可接受范围内，普通硅橡胶场强增大后的值就不那么尽如人意，尤其是终端场强的最大值，容易发生击穿，可见，纳米复合硅橡胶确实很好的发挥了智能材料的作用。

4.2气泡对电缆终端的场强分布

在工厂的生产过程中，终端的制造过程需要经过多个工艺流程，很有可能就因为制造工艺或者是制造环境在材料内部产生气泡。在电气绝缘中，气泡的存在会严重影响电气绝缘性能。此次仿真在增强绝缘内部分别放置直径为0.025mm和0.05mm的小气泡，具体位置为距应力锥根部20mm且处于分界面与应力锥侧面曲线的正中间。最终截取通过气泡圆心且两端分别延伸至分界面和应力锥曲线侧面的截线进行仿真图的绘制如图4-3所示。

a)直径0.025mm硅橡胶电场模值 b)直径0.025mm纳米复合硅橡胶电场模值

c)直径0.05mm硅橡胶电场模值 d)直径0.05mm纳米复合硅橡胶电场模值

图4-3不同气泡下的电场模值

仿真具体数值如表1-2所示。

表1-2不同直径气泡对各部分电场

从图4-3可以看出在两种材料中气泡两侧的电场模值大小均不同，但纳米复合材料中的气泡两侧电场差值更小，说明纳米复合材料使得增强绝缘内部场强分布更均匀，而在硅橡胶绝缘中分界面处存在一个跃变即仿真图初始位置处场强由8kV/mm跃变为58kV/mm，说明普通硅橡胶中存在界面空间电荷积累效应，使得场强突增。从整体上来看微小气泡的存在或气泡大小的改变并未引起终端内部最大场强处位置的改变，在实际仿真中也对于纳米复合材料终端内的最大场强值未造成影响。但在表1-2中可以明显看出在气泡周围的电场模值较高且均高于分界面处和应力锥处，大于空气的击穿场强（约3kV/mm）容易在此处发生电场畸变产生局部放电或击穿，对直流电缆附件的电气绝缘性能造成影响，加速材料的老化。

4.3应力锥曲率对电缆终端电场分布的影响

应力锥作为影响电缆终端内部场强分布的重要因素，其大小形状皆会造成电场分布改变，此次仿真保持应力锥原有大小，只改变其曲率大小来

进行，原曲率以及增大曲率后的结果仿真图如图4-4、4-5所示。

a)原曲率 b)曲率减小

图4-4不同曲率下增强绝缘与主绝缘分界面的电场轴向分量

a)原曲率 b)曲率减小

图4-5不同曲率下应力锥的电场轴向分量

结合图4-4、4-5可知，应力锥曲率适当减小后，不管是增强绝缘与主绝缘分界面处还是应力锥处的轴向电场分量的绝对值均呈现出增大的趋势。所以在此次设计中，若电缆终端出现分界面与应力锥轴向电场分量过大的情况，可以适当增大应力锥的曲率。

结束语：

本文基于有限元分析法的基础上对电缆终端电场分布进行了理论分析，利用COMSOL Multiphysics软件进行了直流电缆终端的仿真，讨论了不同绝缘材料下电缆终端内部场强分布情况，并探究了可能的影响因素，得到以下以下结论：

1.电缆主绝缘与附件中增强绝缘的电导率对两者交界面处的场强影响较大并影响电场分布的均匀性，应尽可能的让增强绝缘的电导率及电导的非线性大于电缆主绝缘。

2.在采用普通绝缘材料的电缆终端内，应力锥根部最易发生电集中，电缆主绝缘的场强最大值也出现在靠近应力锥根部的绝缘层内，充分说明应力锥确实是电缆终端内最脆弱的部分。

3.具有非线性电导特性的材料均化不均匀电场的能力要强于普通绝缘材料，可极大改善应力锥处的电场分布，非常适合用来做直流电缆附件中的增强绝缘。

4.电压幅值的改变，气泡的存在，应力锥曲率的变化对于终端内电场分布均有影响，但这些带来的影响都不如改变绝缘材料对电场分布影响的程度

参考文献：

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2. 徐明忠，赵洪，吉超，等．MgO/LDPE纳米复合材料制备及其空间电荷特性[J]．高电压技术，2012，38(3)：684-690．

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