1、第 40 卷 第 9 期： 2627-2634 高电压技术 Vol.40, No.9: 2627-2634 2014 年 9 月 30 日 High Voltage Engineering September 30, 2014 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.09.004 硅橡胶电导特性对 XLPE 绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响 韩宝忠1，傅明利2，李春阳1，赵 洪1 ，侯 帅2，李忠华1（1. 哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室，哈尔滨150080； 2. 南方电网科学研究院有限责任公司，广州510080） 摘 要 ：交联聚乙烯 (X
2、LPE)绝缘高压直流电缆终端内各绝缘材料的电导率受温度和电场强度的影响差异较大，这是导致其电场分布复杂、研 发难度大的关键因素之一。 为此，利用多物理场耦合软 件仿真计算了以不同性质硅橡胶为增强绝缘的高压直流电 缆终端模型内的电场分布， 分析了绝缘材料的电导特性 对电场分布的影响与机理。研究结果表明：以高压交流电 缆终端中常用的硅橡胶作为 直流电缆终端的增强绝缘时 ，应力锥根部的硅橡胶内电场严重畸变，最大电场强度 (简称场强 )值约达到电缆本体平均场强的 6.7 倍；以具有合适非线性电导特性的硅橡胶做增强绝缘时，直流电缆终端内电场分布均匀，且最大场强点位于电缆 XLPE 绝缘内。说明应用电导非
3、线性硅橡胶是解决 XLPE 绝缘高压直流电缆终端制造瓶颈问题的有效方法之一。 关键词 ：交联聚乙烯；高压直流电缆；电缆终端；硅橡胶；非线性电导；电场 Effect of Silicone Rubbers Electric Conductance Characteristic on Electric Field Distribution Inside XLPE Insulated HVDC Cable Termination HAN Baozhong1, FU Mingli2, LI Chunyang1, ZHAO Hong1, HOU Shuai2, LI Zhonghua1(1. Key L
4、aboratory of Engineering Dielectrics and Its Application of the Ministry of Education, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China; 2. Electric Power Research Institute, China Southern Power Grid, Guangzhou 510080, China) Abstract： The electrical conductivity of insulating mate
5、rials inside cross linked polyethylene (XLPE) insulated HVDC cable termination is strongly affected by temperature and electric field strength, which is a key factor leading to the com-plex electric field distribution and difficult development of termination. Thus, using multiphysics coupling simula
6、ting software, we calculated the electric field distribution within the termination of HVDC cable, which had different silicone rubbers as its reinforcement insulation, and analyzed the influential mechanism of the insulating materials conductivity on the distribution. The results indicate that when
7、 the reinforcement insulation is made of common silicone rubber, the electric field distortion at the foot of silicone rubber stress relief cone is significant: the maximum field strength reaches 6.7 times the average field strength inside the cable. However, when the silicone rubber having a proper
8、 nonlinearly con-ductive property is deployed in the reinforcement insulation, the electric field within the termination structure is more uniformly profiled, and the maximum electric field strength locates in the XLPE insulation of cable. It is concluded that the use of nonlinearly conductive silic
9、one rubber is an effective method to break the bottleneck in manufacturing XLPE HVDC cable termination. Key words： XLPE; HVDC cable; cable termination; silicone rubber; non-linear conductivity; electric field 0 引言1高压直流输电具有线路损耗小、传输容量大、 基金资助项目 ：国家自然科学基金 (51337002)；国家重点基础研究发展计划 (973 计划 ) (2014CB239504)
10、；中国南方电网有限责任公司科技项目(KY2014-502)。 Project supported by National Natural Science Foundation of China (51337002), National Basic Research Program of China(973 Program) (2014CB239504), Technology Project of China Southern Power Grid Com-pany Limited(KY2014-502). 送电距离远、运行稳定性高、功率调节方便灵活等优点1-3。随着电力电子器件和控制技术的快
11、速发展，柔性直流输电技术日趋成熟， XLPE 绝缘高压直流电缆除了在联接跨越宽阔海峡的大陆电网方面继续保持绝对优势外，在异步电网陆上互联、大城市供电增容、孤立负荷送电和可再生能源发电输送等方面的应用明显增多4-7。目前世界上投运的2628 高电压技术 2014, 40(9) XLPE 绝缘高压直流电缆线路有十几条，总长度约3 000 km，绝大部分由 ABB 公司制造8。高压电缆附件内极易出现电场畸变，是电缆线路中最薄弱的部位，大部分故障均发生于此9。经过几十 a的研发与技术攻关，国内外 XLPE 绝缘高压交流电缆附件的制造质量和运行可靠性得到大幅度提升，国内企业生产的 500 kV XLPE
12、绝缘高压交流电缆附件已投入运行10。但由于交流和直流电压下的电场分布特点存在本质差别， XLPE 绝缘高压直流电缆附件的制造难度远大于交流电缆附件，其研发、设计及制造问题已成为制约我国 XLPE 绝缘高压直流电缆线路建设与发展的主要因素之一。在交流电压作用下复合绝缘中的电场分布主要取决于各绝缘材料的介电常数，对于大多数聚合物绝缘材料，在正常使用条件下该参数值几乎不发生变化，因而改善XLPE 绝缘高压交流电缆附件中的电场分布主要是通过优化设计其结构和提高安装技术水平实现。在直流电压作用下复合绝缘中的电场分布除了受空间电荷分布和界面状态影响外，主要取决于各绝缘材料的电导特性11-13，而不同绝缘材
13、料的电导率是温度和电场强度的函数且依赖性各不相同，因而XLPE 绝缘高压直流电缆附件中的电场分布十分复杂。 非线性绝缘材料具有较强的均化电场分布的能力，其在电缆附件中的应用日益受到重视14。Boettcher B 和 Daniel W 等的研究结果表明， 在中压交流电缆附件中应用添加压敏氧化锌的硅橡胶基电应力控制体能明显改善绝缘屏蔽端部的电场分布15-17。 郭文敏等以纳米碳化硅 /橡胶复合非线性绝缘材料为增强绝缘设计了 XLPE 绝缘高压交流电缆干式终端，仿真计算结果证实，该设计降低了应力锥与增强绝缘界面的电场强度18。文献 19-20报道了ABB研制出带有非线性绝缘材料的 XLPE绝缘高压
14、直流电缆接头，其中非线性材料包覆接头应力控制体的高压屏蔽与电缆本体绝缘接触，该接头与标称截面 1 200 mm2的 320 kV XLPE 绝缘电缆配合通过了型式试验。文献 21介绍了一种添加非线性材料的高压直流电缆终端，计算了不同负荷下的电场分布，指出电导非线性绝缘材料调控直流电缆终端电场的效果好于应力锥结构调控。本文设计了以电导非线性硅橡胶为增强绝缘的电缆终端用应力控制体，通过仿真计算研究了非线性绝缘材料对 XLPE绝缘高压直流电缆终端内电场分布的影响。 1 试验方法 1.1 硅橡胶基复合材料试样制备 硅橡胶试样的制备过程为：按配方比例称取液体硅橡胶的 A、 B 组分并放入混料罐中，利用多
15、功能分散机将 2 组分液体硅橡胶混合均匀，混料罐壁为中空结构，通循环水冷却，避免发生先期硫化；将混合胶倒入腔体尺寸为 100 mm100 mm0.3 mm的模具中，然后把模具放入真空干燥箱内，除去液体硅橡胶中的气泡；将模具放入温度为 120 的平板硫化机压板间，加压至 15 MPa，保持温度和压力30 min 后取出；把硫化硅橡胶在 200 的电热干燥箱内处理 4 h， 除去其中的交联副产物； 试样冷却后在 2025 的干燥环境下放置 24 h 以上待测。 硅橡胶基复合材料及试样的制备方法为：按配方比例称取液体硅橡胶的 A、 B 组分和无机填料；利用多功能分散机将 A、 B 组分液体硅橡胶分别
16、与纳米碳化硅、纳米石墨等多种无机填料混合均匀，制得 A、 B 相复合材料；利用多功能分散机将两相复合材料混合均匀，然后按前面所述方法成型、硫化和后处理。 1.2 XLPE 试样制备 XLPE 试样的制备方法为：将 2 台平板硫化机的压板分别加热并恒温至 120 和 175 ；称取适量的颗粒状高压直流电缆用可交联聚乙烯绝缘材料并放入模腔尺寸为 100 mm100 mm0.2 mm 的模具中；把装有颗粒材料的模具放到 120 的平板硫化机压板间， 加压至 15 MPa， 保持温度和压力 5 min，然后保持压力快速冷却至 50 ； 取出模具后立即将其放入 175 的平板硫化机压板间，加压至 15
17、MPa，保持温度和压力 30 min；在保持压力下以10 /min 的速率将试样降温至 10 kV/mm 时，电导率随电场强度增大的速度明显提高；在所选定的测试温度范围内，硅油的电导率随温度变化不超过 图 1 试样电导特性测试系统示意图 Fig.1 Diagram of structure of testing system for electrical conductivity of samples 图 2 不同温度下的 XLPE 的 -E 关系曲线 Fig.2 Relationship between and E of XLPE at different temperatures 图 3
18、不同温度下的硅橡胶的 -E 关系曲线 Fig.3 Relationship between and E of silicone rubber at dif-ferent temperatures 1 个数量级。 试验中还通过添加无机纳米材料制备了硅橡2630 高电压技术 2014, 40(9) 胶基非线性复合材料，其在不同测试温度下的电导特性曲线如图 5 所示。由图 5 可见，所制备的硅橡胶基复合材料的电导率受温度变化的影响也较小，70 时的电导率较 30时的电导率增大不超过 1个数量级；但当外施电场强度超过一定值后，随电场强度升高其电导率迅速增大，表现出良好的非线性电导特性。 3 仿真计算结
19、果 前述研究结果已表明，所选几种绝缘材料的电导特性有较大差别，因而包含这些材料的 XLPE 绝缘高压直流电缆终端内的电场分布将非常复杂，即使在不考虑其他因素影响的情况下，也难以通过数学解析法来求解。本文利用多物理场耦合仿真计算来研究这一复杂电场的分布状况，所设计的 XLPE绝缘高压直流电缆终端仿真模型中包含应力控制体部分的结构示意图见图 6，其为轴对称结构仿真模型的剖面图，其中 bc、 cd、 df、 fg、 gh、 hk、 km、mb 均为直线， 这 8 条直线相连构成应力控制体的外轮廓； pk 为直线， cnp 为 3 次 Bessel 曲线， n 为 Bessel曲线的最前点，直线 pk
20、、 km、 mb、 bc 和曲线 cnp构成应力锥的外轮廓； a 为电缆绝缘屏蔽与图形左端部直线的交点； e 为电缆绝缘与图形右端部直线的交点。以硅油为填充介质，增强绝缘为高压交流电缆终端用硅橡胶或电导非线性硅橡胶，电缆绝缘层厚度为 16.5 mm。 对式 (1)进行变换可得 AE= (2) 式中110BA = ，为常数。当同时再考虑温度 T 对绝缘材料电导率的影响 2eTB = (B2为常数 )及温度对非线性系数 值的影响，可用式 (3)来表征各绝缘材料的电导率与温度和电场强度的关系22，即 eTTCE = (3) 式中： T 为温度， K； C、 为常数。 由图 2图 5 所对应的试验数据
21、可得 XLPE、硅橡胶、硅油和非线性硅橡胶电导特性的方程的各参数值，见表 1。 设置电缆线芯施加直流电压为 200 kV，空气和电缆终端内线芯温度分别为 30 和 70 ，利用COMSOL Multiphysics 仿真软件 AC/DC 模块下的电场和热场耦合功能计算得到电缆终端内电场分布见图 7 和图 8。 图 4 不同温度下的硅油的 -E 关系曲线 Fig.4 Relationship between and E of silicone oil at different temperatures 图 5 不同温度下的非线性硅橡胶的 -E 关系曲线 Fig.5 Relationship be
22、tween and E of nonlinear silicone rub-ber at different temperatures 图 6 直流电缆终端中包含应力控制体部分的结构示意图 Fig.6 Structure of DC cable termination including stress con-trol body 由图 7 可见，在以 XLPE 绝缘高压交流电缆终端中常用的硅橡胶绝缘作为高压直流电缆终端的增 韩宝忠，傅明利，李春阳，等：硅橡胶电导特性对 XLPE 绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响 2631 图 7 以高压交流电缆终端用硅橡胶为增强绝缘的直流电缆终端内应力控制体
23、附近电场分布图 Fig.7 Diagram of electric field distribution near stress control body inside DC cable termination with silicone rubber used for high-voltage AC cable termination as reinforcement insulation 强绝缘时，电缆终端内的高电场强度区域位于应力锥根部附近的硅橡胶增强绝缘中，最大电场强度值达到 81.7 kV/mm， 约为电缆绝缘平均电场强度 (12.1 kV/mm)的 6.7 倍。图 8 表明，在以电
24、导非线性硅橡 图 8 以非线性硅橡胶为增强绝缘的直流电缆终端内应力控制体附近电场分布图 Fig.8 Diagram of electric field distribution near stress control body inside DC cable termination with nonlinear silicone rub-ber as reinforcement insulation 胶为增强绝缘的 XLPE 绝缘高压直流电缆终端内，高电场强度区域位于应力锥根部附近的电缆本体绝缘中，最大电场强度值为 13.4 kV/mm，仅比电缆绝缘的平均电场强度增大 10.7%。 2632
25、高电压技术 2014, 40(9) 4 分析与讨论 导致结构尺寸相同的 2 个直流电缆终端模型中电场分布差异较大的根本原因在于 2 种增强绝缘的电导特性不同。 对比图 2 和图 3 可见， 在 30 下外施电场强度较低时硅橡胶的电导率大于 XLPE，但硅橡胶的电导率随温度和电场强度升高而增大的速度明显小于 XLPE， 在 50 时前者的电导率在本研究试验电场范围内已小于后者。在仿真计算时所设定的温度边界条件下，电缆终端内的温度分布如图9 所示，可见在电缆终端内的线芯温度达到其最高允许工作温度 (70 )时，电缆本体 XLPE 绝缘与硅橡胶增强绝缘界面处的温度 60 ，增强绝缘外表面处的温度 4
26、3 。由此分析可知，在电缆本体绝缘与硅橡胶增强绝缘界面附近的一定区域内硅橡胶增强绝缘的电导率小于电缆 XLPE 绝缘。由于在直流电压作用下复合绝缘中的电场强度与材料电导率成反比的规律分布，因而以普通硅橡胶为增强绝缘的高压直流电缆终端模型中的高电场强度区域位于硅橡胶增强绝缘内，应力锥根部附近的硅橡胶需承受电缆终端内的最大电场强度。通常情况下高压直流电缆 XLPE 绝缘的击穿强度远大于硅橡胶绝缘，因而结合前面所分析的电场分布特点以及仿真计算结果可知，以普通硅橡胶为增强绝缘的 XLPE 绝缘高压直流电缆终端内的电场分布极不合理，该电缆终端在型式试验、预鉴定试验和长期运行过程中极易出现放电或被击穿。
27、比较图 2 和图 5 可见，在 30 下非线性硅橡胶的电导率大于 XLPE，尽管在直流电场强度较小时其电导率随温度升高而增大的速度小于 XLPE，但在 3070 的温度范围内其电导率一直大于XLPE。尤其在电场强度 7.64 kV/mm 时，由于非线性硅橡胶的电导非线性系数较大，使得其电导率始终大于 XLPE。结合直流电压下复合绝缘结构的电场分布规律可知，在任何工作条件下该直流电缆终端内电场强度最大的位置均处于电缆本体 XLPE 绝缘内，从 XLPE 和非线性硅橡胶的击穿特性来看，该电场分布合理。表 2 为依据 CIGRE 针对直流电缆系统的试验方法23对 XLPE 绝缘高压直流电缆施加 29
28、0 kV(1.45U0)(U0为试验电压 )和 370 kV(1.85U0)直流电压时不同终端内的最大电场强度值，可见直流电缆承受的电压越高，非线性硅橡胶改善电缆终端内电场分布的作用越明显。这是因非线性硅橡胶 表 1 各绝缘材料电导特性参数值 Table 1 Parameters of conductive characteristic of insulating materials 增强绝 缘种类 C 温度 范围 / 拐点场强/(kVmm1)直流电缆XLPE 绝缘 1033.9310154.951029.120.090.940.011.25 18.620.05T 1.95 5570 7.94
29、 35.00 交流电缆终端用硅橡胶 1020.671027.680.040.040.09 1.05 3070 20.00 硅油 1019.901037.630.040.040.26 2.80 3070 10.00 非线性 硅橡胶 1020.171072.040.050.320 7.540.02T 3070 7.64 表 2 试验电压下 XLPE 绝缘直流电缆终端内最大场强值 Table 2 Maximum field strength inside XLPE insulated DC cable termination under experimental voltage 增强绝 缘种类 电缆
30、承受电压 /kV终端内最大场强 /(kVmm1) 电缆绝缘平均场强 /(kVmm1)最大场强位置交流电缆终端用硅橡胶290 370 111.5 134.2 17.6 22.4 硅橡胶硅橡胶非线性 硅橡胶 290 370 13.4 14.6 17.6 22.4 XLPE XLPE 良好的电导与电场和温度关系特性使得电场强度越大，它与 XLPE 的电导率相差越明显。而这些设计电场值也都处于相关材料各自的直流电场强度值范围内。非线性硅橡胶的这一性质保证了在 XLPE 绝缘直流电缆终端的正常运行过程中，尤其是在较高的试验电压和过电压作用下不易发生放电或被击穿。 由图 8 可见，在电缆 XLPE 本体绝
31、缘、硅橡胶应力控制体和硅油填充绝缘这 3 种材料的界面处也出现电场集中，其根本原因也是各材料的电导特性差别较大。但由于该位置远离应力锥，电场畸变程度不显著，最大电场强度 2 kV/mm，对电缆终端的安全性能不会产生影响。 5 结论 基于对直流电缆终端中不同绝缘材料电导的温度和电场特性的试验研究，本文利用多物理场耦合方法仿真计算了以不同性质硅橡胶为增强绝缘的高压直流电缆终端模型内的电场分布，获得了如下结论： 1）本文所应用的 4 种绝缘材料的电导特性差别较大：高压直流电缆 XLPE 绝缘的电导率受温度和电场强度影响大， 最大变化约 3 个数量级； XLPE 韩宝忠，傅明利，李春阳，等：硅橡胶电导
32、特性对 XLPE 绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响 2633 图 9 电缆终端内应力控制体附近温度分布图 Fig.9 Diagram of temperature distribution near stress control body inside cable termination 绝缘高压交流电缆终端用硅橡胶和硅油的电导率受温度和电场强度的影响很小，最大变化仅约 1 个数量级；非线性硅橡胶的电导率受温度影响小，但在高电场下电导非线性系数较大。 2）当以 XLPE 绝缘高压交流电缆终端用硅橡胶作为高压直流电缆终端绝缘时，在电缆平均电场强度和负荷均较大的情况下，应力控制体和电缆本体绝缘界
33、面附近硅橡胶的电导率小于 XLPE，因此应力锥根部硅橡胶绝缘内的电场畸变严重，最高场强达 81.7 kV/mm, 极易由此发生放电，进而导致绝缘击穿。 3）改性硅橡胶的电导率大于高压直流电缆XLPE 绝缘，尤其是在电场强度较大时，该材料具有较好的电导非线性特性，应用其做增强绝缘可避免高压直流电缆终端内出现有危害的电场集中，最大电场强度接近电缆本体绝缘的平均设计电场强度，且其位置处于电缆本体绝缘内，从而保证终端性能可靠。 参考文献 References 1 曾南超 . 高压直流输电在我国电网发展中的作用 J. 高电压技术，2004， 30(11)： 11-12. ZENG Nanchao. Ro
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