丁曼

摘要：使用多物理場(chǎng)耦合仿真軟件COMSOL Multiphysics對(duì)高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜接頭進(jìn)行建模，仿真分析接頭絕緣與電纜主絕緣界面在不同缺陷情況下的電場(chǎng)分布情況，最終得到界面的絕緣性能，為增強(qiáng)絕緣層的絕緣性能提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓直流;交聯(lián)聚乙烯;電纜接頭;界面;絕緣性能

0 引言

高壓直流輸電相較于交流輸電具有傳輸容量大、可靠性更高、適合長(zhǎng)距離傳輸、功率和能量損耗小、能夠限制系統(tǒng)短路電流等顯著優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為遠(yuǎn)距離輸電的主流形式。截至2016年，我國(guó)共建設(shè)1 000 kV特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)共計(jì)7 366 km，建設(shè)±800 kV特高壓直流電網(wǎng)共計(jì)12 300 km，可滿足整個(gè)華中、華東電力高負(fù)荷地區(qū)對(duì)電能的需求。高壓直流電纜作為直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠、安全地運(yùn)行對(duì)高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性極為重要。交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜憑借其優(yōu)異的熱/機(jī)械特性、電氣性能及易安裝維護(hù)、介質(zhì)損耗低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市配電網(wǎng)中[1]。在電纜帶電運(yùn)行過程中，會(huì)受到電、熱、水分和運(yùn)行環(huán)境等各種因素影響，絕緣性能劣化，引發(fā)放電事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的可靠供電[2-4]。研究表明，運(yùn)行高壓電纜故障很大比例來自于電纜接頭故障，因此，研究高壓直流電纜接頭的絕緣性能對(duì)提高高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于高壓直流輸電電纜終端電場(chǎng)研究較為廣泛，劉禹成以110 kV HVDC電纜復(fù)合終端為研究對(duì)象，以應(yīng)力錐曲率和不同增強(qiáng)絕緣材料為變量因素，分別建立了不同應(yīng)力錐曲率半徑和不同增強(qiáng)絕緣材料的電纜終端模型，利用COMSOL軟件分析平臺(tái)，分別對(duì)極性反轉(zhuǎn)電壓與雷電沖擊電壓作用下，應(yīng)力錐曲面、增強(qiáng)絕緣層、XLPE絕緣層中的電場(chǎng)強(qiáng)度及XLPE絕緣與增強(qiáng)絕緣交界面的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析[5];曹雯等利用COMSOL Multiphysics有限元仿真計(jì)算軟件建立了電纜接頭模型，研究表明，界面粗糙顆粒、劃痕和濕度都會(huì)使附近的區(qū)域局部電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生畸變，進(jìn)而改變電纜接頭復(fù)合界面電場(chǎng)的分布，影響沿面放電的進(jìn)程[6];張軒等基于電場(chǎng)數(shù)值分析的理論基礎(chǔ)，以COMSOL軟件為求解工具，建立工頻電壓下的35 kV電纜模型，針對(duì)電纜中最常見且危害性較高的外半導(dǎo)電屏蔽內(nèi)陷、外半導(dǎo)電屏蔽與主絕緣破損、電屏蔽主絕緣中導(dǎo)電性雜質(zhì)球這3種缺陷進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，得到了最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電纜絕緣材料損壞程度的關(guān)系[7]。

本文采用仿真建模的方法，使用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件對(duì)高壓直流電纜接頭進(jìn)行建模，分析計(jì)算高壓直流電纜主絕緣和接頭絕緣界面處的電場(chǎng)分布，研究界面處不同缺陷情況下的電場(chǎng)變化，探討界面絕緣劣化的機(jī)理。

1 高壓直流電纜接頭的模型建立

電纜主要是由銅芯導(dǎo)體、半導(dǎo)電屏蔽層、交聯(lián)聚乙烯主絕緣構(gòu)成，接頭絕緣使用硅橡膠材料，最外層是聚乙烯護(hù)套。

在仿真軟件中對(duì)電纜接頭各部分的材料進(jìn)行定義與賦值，本文中所使用到材料、參數(shù)如表1所示。

本文引入電流和固體傳熱兩個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合分析計(jì)算，通過控制變量的方法獲取在多種因素條件下電纜接頭的電場(chǎng)分布。

2 高壓直流電纜接頭電場(chǎng)仿真分析

對(duì)電纜接頭施加±320 kV直流電壓，可以得到電纜接頭各部分軸向電場(chǎng)分布，如圖1所示。

由1可知，當(dāng)電纜運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)情況下，在電纜接頭軸向硅橡膠處靠近銅芯內(nèi)層的電場(chǎng)強(qiáng)度為6 kV/mm，遠(yuǎn)離銅芯處的外層電場(chǎng)強(qiáng)度為4 kV/mm;交聯(lián)聚乙烯處的內(nèi)層電場(chǎng)強(qiáng)度為14 kV/mm，外層電場(chǎng)強(qiáng)度為7 kV/mm?？梢娫诮宦?lián)聚乙烯處會(huì)出現(xiàn)較為明顯的電場(chǎng)畸變，可能是因?yàn)楦邏弘娎|在直流電壓作用下的空間電荷積聚，空間電荷會(huì)直接影響電場(chǎng)的變化，電荷密度越大，電場(chǎng)的畸變程度越大。

研究表明，電纜長(zhǎng)期運(yùn)行過程中電纜主絕緣及接頭絕緣界面處產(chǎn)生的缺陷會(huì)導(dǎo)致界面電場(chǎng)畸變，從而導(dǎo)致電纜接頭發(fā)生故障，因此本文在電纜主絕緣和接頭絕緣界面處引入缺陷，研究缺陷對(duì)界面電場(chǎng)分布的影響。

在電纜主絕緣交聯(lián)聚乙烯材料與接頭絕緣硅橡膠材料的界面處設(shè)置水滴缺陷，界面電場(chǎng)分布如2所示。由圖2可知，水滴正中心的軸線上位于電纜兩頭電場(chǎng)強(qiáng)度改變最明顯，場(chǎng)強(qiáng)為12 kV/mm，而在電纜分接頭的兩端電場(chǎng)強(qiáng)度為26 kV/mm，從數(shù)值上與不含缺陷的運(yùn)行電纜比較就可以看出，水滴使得電纜兩頭的電場(chǎng)畸變程度要高于電纜中間部分，這就需要加強(qiáng)電纜接頭的絕緣性能，防止電壓畸變程度過大引發(fā)絕緣介質(zhì)被擊穿。

3 結(jié)語(yǔ)

本文使用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)電纜接頭進(jìn)行建模，并計(jì)算得到電纜主絕緣與接頭絕緣界面處的電場(chǎng)分布情況，研究了缺陷對(duì)界面電場(chǎng)分布的影響。結(jié)果表明，界面缺陷會(huì)使該處的電場(chǎng)發(fā)生畸變，使得電場(chǎng)強(qiáng)度在缺陷處突然增加。在實(shí)際運(yùn)行中，需要對(duì)高壓直流電纜絕緣材料進(jìn)行復(fù)合加工，以增強(qiáng)絕緣層的絕緣性能。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李忠磊，杜伯學(xué).高壓直流交聯(lián)聚乙烯電纜運(yùn)行與研究現(xiàn)狀[J].絕緣材料，2016，49（11）：9-14.

[2] 王洪新，程樹康，文習(xí)山，等.XLPE老化過程中交流絕緣參數(shù)特性[J].高電壓技術(shù)，2005，31（3）：7-9.

[3] 陳廣輝，王安妮，李云強(qiáng)，等.交流電場(chǎng)下XLPE絕緣空間電荷研究綜述[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（7）：31-35.

[4] 張運(yùn)周，馮冰，李明，等.退役110 kV XLPE電纜絕緣材料聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分析[J].絕緣材料，2016，49（7）：20-26.

[5] 劉禹成.XLPE絕緣直流電纜終端場(chǎng)強(qiáng)分布的仿真分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2019.

[6] 曹雯，張?jiān)凭?，麻煥成，?缺陷對(duì)電纜接頭復(fù)合界面電場(chǎng)分布影響的仿真分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2016，32（11）：31-36.

[7] 張軒，萬(wàn)書亭，劉榮海，等.電纜主絕緣缺陷電場(chǎng)數(shù)值分析[J].云南電力技術(shù)，2015（3）：105-109.