高 亮，劉義成，孔德波

（綏化學(xué)院 電氣工程學(xué)院，黑龍江 綏化152061）

電能是生產(chǎn)及社會生活各個方面不可缺少的重要能源。它是由發(fā)電廠生產(chǎn)后通過輸電線路和變配電所的升降壓變壓器等設(shè)備，經(jīng)輸送和分配后供用戶使用，并以此構(gòu)成電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)起著電能生產(chǎn)、輸送、分配和使用的作用，在運行過程中要保證其安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。在電能的傳輸過程中，電力電纜將各種電氣設(shè)備及其附件連接在一起，保證電能安全可靠地傳輸，起到非常重要的作用。

1 電力電纜的發(fā)展及結(jié)構(gòu)組成

在電網(wǎng)的構(gòu)成中，輸電線路成為重要的組成部分，尤其是電力電纜占有很大的比重，發(fā)揮著獨特的優(yōu)勢。電力電纜占地面積小，敷設(shè)工作量小，并且電纜運行可靠，受環(huán)境影響比架空線路小，這些優(yōu)點使其在電網(wǎng)中不可替代。對于環(huán)境特殊區(qū)域，如繁華城區(qū)人口密度大的地方和跨度大的江河區(qū)域等，為安全可靠地供電，必須采用電力電纜地下敷設(shè)方式傳輸電能。追溯電力電纜的發(fā)展歷程已有百余年的歷史，電力電纜主要經(jīng)歷了從充油電纜、鋼管電纜到交聯(lián)聚乙烯電纜的發(fā)展過程。我國目前電纜普遍為聚乙烯絕緣電纜，并且實現(xiàn)了紫外光交聯(lián)技術(shù)在中壓電纜中的應(yīng)用，正在積極研發(fā)超凈電纜料。

隨著科技的發(fā)展，電力電纜的種類繁多，但其主要結(jié)構(gòu)組成大體相同（見圖1）。電力電纜的結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外主要包括導(dǎo)體、絕緣層和保護(hù)層三部分。導(dǎo)體部分起到電流的輸運作用，主要以銅和鋁材料經(jīng)過繞制而成，為避免尖端應(yīng)力集中，其截面多為扇形結(jié)構(gòu)；導(dǎo)體外部主要是絕緣層，主要是隔離導(dǎo)體，使其不受外界干擾，阻斷泄露電流，同時分擔(dān)部分電壓力。絕緣層的材質(zhì)多為聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯和油浸紙等。絕緣層內(nèi)外均設(shè)有屏蔽層，屏蔽電磁干擾，起到保護(hù)電纜線芯和電纜絕緣層的作用。保護(hù)層制作在絕緣層的外部，可分為內(nèi)護(hù)層和外護(hù)層，外護(hù)層由內(nèi)至外依次為內(nèi)襯層、鎧裝層和外被層。根據(jù)電纜型號和用途的不同，電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計也不同。目前電力市場上中低壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜占有很大比重，在電力行業(yè)中普遍應(yīng)用，圖2為電壓等級為330kV的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜實物圖。

圖1 電力電纜的結(jié)構(gòu)組成

圖2 330kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜

2 電纜附件中的電場分布

電纜附件包括電纜終端和電纜接頭，分別用于電纜與設(shè)備的連接終端和電纜與電纜間的連接處。電纜運行中電纜終端處電場分布與電纜本體不同，在正常運行的高壓電纜中，三相電纜的每相纜芯都有屏蔽層，與大地相連。因此在電纜正常運行中，電纜上的電場分布與纜芯軸線相垂直，形成由纜芯指向屏蔽層的徑向電場分布。在這種情況下電場可均勻分布，電纜能夠可靠運行。但在電纜終端制作過程中，通常要切斷電纜屏蔽層。屏蔽層的切斷會影響電纜中電場均勻分布，屏蔽層斷口處的電場會發(fā)生畸變，如圖3所示。電纜屏蔽層斷面處場強(qiáng)分布出現(xiàn)不均勻變化，導(dǎo)致在電纜中不僅存在徑向電場分布，同時屏蔽層斷面會產(chǎn)生軸向彎曲的電場線，即沿著纜芯軸線彎屏蔽層斷面的不均勻電力線（電應(yīng)力），并且集中于屏蔽層斷面，因此屏蔽層斷面的電場強(qiáng)度極高，在外加高電壓的條件下，此處極易造成電場局部擊穿，使電纜絕緣破壞，最終導(dǎo)致電纜運行失效。

圖3 剝?nèi)テ帘螌与娎|終端的電場分布

3 電應(yīng)力控制方法

電力電纜附件在電網(wǎng)中起到安全可靠的連接作用，能否有效控制電纜斷面屏蔽層電應(yīng)力集中是電纜附件設(shè)計制作的關(guān)鍵。電應(yīng)力控制的實質(zhì)是控制電纜附件中電場強(qiáng)度的大小和分布。采取結(jié)構(gòu)設(shè)計等有效措施疏散電纜附件內(nèi)部的集中電場，達(dá)到均化電場的目的，減小發(fā)生局部擊穿的概率，從而提高電纜附件運行的可靠性和使用壽命。根據(jù)電力電纜的結(jié)構(gòu)組成，電場集中度最大的區(qū)域通常位于電纜附件外屏蔽的斷面，同時在電纜接頭處絕緣層的斷面電場畸變也較為嚴(yán)重。因此，對電纜附件處進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，加厚絕緣層，同時采用應(yīng)力錐分散法或加入電應(yīng)力控制層來分散集中應(yīng)力，改善電場分布。

3.1 應(yīng)力錐分散法

應(yīng)力錐分散法就是合理外延電纜外屏蔽層的斷口，形成具有弧形的應(yīng)力錐狀，使其零電位形成外張的喇叭形狀，增加電力線的弧度，這樣可疏散集中的電場強(qiáng)度，改善電場分布（見圖4）。在電氣角度上，應(yīng)力錐分散法是最安全可靠的方法。但對電纜附件的絕緣層尺寸要求極為嚴(yán)格，并且在電纜接頭處安裝復(fù)雜，同時要引入潤滑油避免形成新的尖端。

圖4 有無應(yīng)力錐電場分布對比

應(yīng)力錐通常是以硅橡膠（SIR）、三元乙丙橡膠（EPDM）做為絕緣材料，兩種絕緣材料性能差異很大。研究指出，高溫下SIR的體積電阻率很低，而在25kV／mm電場強(qiáng)度下幾乎與場強(qiáng)無關(guān)，因此目前超高壓電纜附件主絕緣多采用硅橡膠。

應(yīng)力錐施加在屏蔽層邊緣場強(qiáng)集中的位置，其表面為一錐形曲面（見圖4），并與屏蔽層相連形成零電位，錐面為等位面。調(diào)整應(yīng)力錐曲線形狀參數(shù)或應(yīng)力錐端曲率，可以改變其內(nèi)電場分布，進(jìn)而均化電場。目前，廣泛采用有限元法分析設(shè)計應(yīng)力錐形狀參數(shù)或錐端曲率。此法將分析對象劃分成有限個單元，每個單元含有若干個節(jié)點，根據(jù)一定邊界和初始條件求解每個節(jié)點電勢及其他相關(guān)量，直觀的分析電場分布，改變錐形參數(shù)或曲率，調(diào)節(jié)電場分布。此方法引入計算模型的初始椎形參數(shù)，可通過下面公式得到

式中:x，y為應(yīng)力錐面坐標(biāo)；U為工頻試驗電壓；Et為錐面軸向場強(qiáng)；r為電纜屏蔽層外半徑；R為電纜絕緣外半徑；Lk為理想應(yīng)力錐軸向長度；Rn為增繞絕緣半徑。

3.2 電應(yīng)力層控制法

電應(yīng)力層控制法，即在電纜半導(dǎo)電屏蔽層斷口引入一種具有高介電常數(shù)的復(fù)合電介質(zhì)層（電應(yīng)力層），通過調(diào)節(jié)電應(yīng)力層介質(zhì)的電氣參數(shù)來調(diào)控屏蔽層斷口處絕緣表面的電位分布，改善電場分布（見圖5）。通常高介電常數(shù)電應(yīng)力控制材料是以聚乙烯或乙丙橡膠等為基體添加膠料而成的復(fù)合材料，其介電常數(shù)大于20，體積電阻率108～1012Ω·cm。

圖5 有無電應(yīng)力層電場分布對比

電纜絕緣本體和表面的電阻、電容參數(shù)的變化直接影響絕緣表面電位的分布。由于電纜屏蔽切斷后留下的絕緣本體參數(shù)無法改變，只能通過改變此段絕緣表面參數(shù)來均化電位。改變電纜末端絕緣表面電阻能有效降低電位，但同時會因表面泄露電流的增加而使電纜絕緣表面發(fā)熱，電纜會在短時失效，降低其使用壽命。因此，可以增加電纜屏蔽處絕緣表面的電容參數(shù)，使其容抗值下降，降低電位。此方法雖會增加電纜屏蔽處絕緣表面電容電流，但電纜不會發(fā)熱失效。由于電容與介質(zhì)材料的介電常數(shù)成正比，所以可在電纜屏蔽斷口處附加一層具有高介電常數(shù)的介質(zhì)材料作為電應(yīng)力控制層，增大絕緣層表面電容值，降低絕緣層電位，均化畸變的電場。

電應(yīng)力層控制法能有效緩解電纜終端的集中電場，保證電纜運行的安全可靠，此方法的作用效果在相關(guān)研究中得到證實。在電纜絕緣材料中加入具有高介電常數(shù)的BaTiO3陶瓷填料，然后在一定面積導(dǎo)體線芯上施加電壓，研究絕緣中電場與填料含量間的關(guān)系，如圖6所示。增加高介電常數(shù)BaTiO3填料的加入量，提高復(fù)合材料的介電常數(shù)，使絕緣中最大電應(yīng)力降低，起到均化電場分布的作用。

圖6 BaTiO3填加量與絕緣中電應(yīng)力的關(guān)系

4 高介電常數(shù)復(fù)合介質(zhì)在電纜附件中的應(yīng)用

采用高介電常數(shù)復(fù)合材料制作而成的電應(yīng)力器件，如電應(yīng)力管、電應(yīng)力帶等，被廣泛應(yīng)用于電力電纜附件中。將這些應(yīng)力控制器件附在電纜屏蔽層斷口處，來疏散此處集中的電應(yīng)力，使電場沿電纜方向成均勻分布。現(xiàn)有電應(yīng)力控制材料中膠料多含納米氧化鋅、TiO2、BaTiO3、炭黑等，并且要在這些填料的高含量下形成復(fù)合材料介電常數(shù)才會達(dá)到較高數(shù)值。這些材料一般用于中低壓35kV等級及以下電纜附件上，高電壓條件下電應(yīng)力控制器件受熱而失效。因此，開發(fā)新型高介電耐高溫電應(yīng)力控制材料，成為提高電纜電應(yīng)力控制成效的重要方向。相關(guān)研究表明:納米級高介電陶瓷填料（如鈦酸銅鈣，CCTO）能有效增加高分子聚合物基體的介電常數(shù)，并保持基體良好的機(jī)械特性和絕緣特性，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

因此，選擇高介電常數(shù)的納米填料，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及界面調(diào)控手段，實現(xiàn)在低濃度用料下提高控制材料的高介電、耐高溫特性，并滿足其體積電阻率的控制要求。此方案可提高電纜附件電應(yīng)力控制器件用料的純度，降低其成本，實現(xiàn)高壓電纜電應(yīng)力的有效控制，具有廣泛的應(yīng)用前景。

表1 CCTO／聚合物復(fù)合電介質(zhì)材料介電性能

5 結(jié)束語

目前電力電纜正向著超高壓、特高壓方向發(fā)展，而電壓等級越高，電纜終端上的電場畸變越顯著，為此解決電纜附件應(yīng)力集中問題十分必要。在電力電纜附件的設(shè)計制作中，應(yīng)采用應(yīng)力錐或引入電應(yīng)力控制層的方法來疏散電纜屏蔽層斷口處的畸變電場。在實際應(yīng)用中，電應(yīng)力控制層法的優(yōu)越性更為顯著，而在超高壓及以上電壓等級的應(yīng)用，目前還存在應(yīng)力控制不足。因此，開發(fā)新型高介電耐高溫電應(yīng)力控制材料是一個重要途徑，能夠加快促進(jìn)電應(yīng)力層控制法在超高壓及特高壓電力電纜附件中的應(yīng)用。

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