尚英強 張恒東 邰寶宇 時晨杰

1．國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司 北京 100022 2．北京卓越電力建設(shè)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(shè)備,隨著我國城市內(nèi)電網(wǎng)電纜化率的不斷提升,高壓交聯(lián)聚乙烯電纜的使用也在不斷普及。交聯(lián)聚乙烯(XLPE)結(jié)構(gòu)簡單,介電響應(yīng)性能好,結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)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(lián)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(xué)者從交聯(lián)溫度、交聯(lián)時間、交聯(lián)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(lián)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(chǎn)生微孔和雜質(zhì),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(zhì)會引起XLPE電纜內(nèi)部電場發(fā)生畸變,引發(fā)一系列老化現(xiàn)象[4]。

本文基于有限元計算方法,分析了導(dǎo)電雜質(zhì)在XLPE電纜絕緣內(nèi)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(jù)點位來求解電場強度,公式見(1)所示

式中,φ為各個節(jié)點上電位的加權(quán)值,即

1．2 計算電荷密度 根據(jù)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(zhì)的介電常數(shù)。在雜質(zhì)和電介質(zhì)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(lián)聚乙烯電纜進行建模計算,導(dǎo)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(dǎo)電包帶厚度為0．2mm,導(dǎo)體屏蔽厚度為1．2mm,絕緣屏蔽厚度為1．0mm,半導(dǎo)電阻水緩沖層厚度為3．0mm。不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)見表1。

表1 不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)

2．2 不含雜質(zhì)的電場分布計算 首先針對絕緣內(nèi)不含雜質(zhì)的情況進行了電場分布的有限元計算。當(dāng)電纜工作電壓為220k V,無雜質(zhì)情況下,電纜內(nèi)部的電場強度最高點出現(xiàn)于導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)電雜質(zhì)的電場分布計算 導(dǎo)電雜質(zhì)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(dǎo)電雜質(zhì)內(nèi)部的電場強度非常小。而在導(dǎo)電雜質(zhì)與XLPE絕緣的邊界上,最大場強出現(xiàn)在導(dǎo)電雜質(zhì)的邊緣上。

XLPE絕緣由于其良好的介電性能,在電壓作用下內(nèi)部電流的傳導(dǎo)十分微弱,但導(dǎo)電雜質(zhì)的高電導(dǎo)率使雜質(zhì)內(nèi)部電流傳導(dǎo)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(dǎo)電雜質(zhì)顆粒的邊界層附近會發(fā)生電離過程,負的帶電離子注入XLPE絕緣的內(nèi)部,使雜質(zhì)帶正電荷。雜質(zhì)邊界最大電場強度為103．6k V/cm。

2．4 不同介電常數(shù)導(dǎo)電雜質(zhì)對電場分布的影響 在上述模型的基礎(chǔ)上,將雜質(zhì)顆粒的介電常數(shù)分別改為1、50和150,以研究不同介電常數(shù)對電纜內(nèi)部電場強度分布的影響。

在相同電壓條件下,不同介電常數(shù)對雜質(zhì)周邊電場強度分布存在一定影響,介電常數(shù)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(zhì)內(nèi)部的電場強度越小,在絕緣與雜質(zhì)界面出現(xiàn)的最大電場強度也就越大。

3 結(jié)論

本文研究了XLPE電纜絕緣中導(dǎo)電雜質(zhì)對電纜內(nèi)部電場分布的影響,并通過改變導(dǎo)電雜質(zhì)的介電常數(shù),得出如下結(jié)論:

(1)對于不含雜質(zhì)的220k V XLPE電纜,在額定電壓作用下,線芯內(nèi)部電場強度為零,最大電場強度出現(xiàn)在導(dǎo)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(dǎo)電雜質(zhì)的220k V電纜,電場在雜質(zhì)與XLPE絕緣交界面處發(fā)生畸變,該處電場強度高于導(dǎo)體屏蔽與絕緣交界面處,雜質(zhì)內(nèi)部電場強度較小。

(3)雜質(zhì)與XLPE絕緣交界面處最大電場強度隨介電常數(shù)增大而增大。

綜上所述,當(dāng)XLPE電纜絕緣內(nèi)部存在導(dǎo)電雜質(zhì)時,會造成絕緣內(nèi)部電場發(fā)生畸變,存在引起絕緣劣化的可能性。