李捍平 叢 贇 李小炳 張振鵬 劉 勇

(1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司 舟山 316000； 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司 武漢 430074； 3. 天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 天津 300072)

1 引言

高壓直流電纜輸電具有送電容量大、損耗低、線路走廊窄、可控性高等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電能輸送、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)、可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、跨海全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要方式。針對(duì)舟山群島等沿海島嶼，利用交通橋梁實(shí)現(xiàn)高壓直流電纜敷設(shè)，與海底電纜或海底隧道敷設(shè)方案相比，具有更優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好性，可突破海纜導(dǎo)體截面限制，降低海纜高額造價(jià)，提高電纜輸送容量[1-2]。同時(shí)，隨橋敷設(shè)電纜可利用橋梁檢修通道開展電纜線路的檢修和維護(hù)工作，大幅提高電纜運(yùn)行的可靠性。隨橋敷設(shè)高壓電纜在國(guó)外已廣泛使用，工程案例包括：美國(guó)(VIADUCT大橋115 kV充油電纜等)、日本(大鳴門橋 187 kV交聯(lián)電纜、瀨戶內(nèi)海大橋500 kV充油電纜、新四木橋與新荒川橋275 kV充油電纜)、委內(nèi)瑞拉(馬拉開波湖大橋230 kV充油電纜)等。

高壓直流電纜接頭是用于電纜之間的連接的關(guān)鍵部分[3-4]。隨橋敷設(shè)高壓直流電纜中間接頭主要借鑒了交流電纜接頭的絕緣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以硅橡膠或乙丙橡膠作為附件絕緣，采用應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)改善屏蔽層末端電場(chǎng)分布；但與交流電纜附件不同，直流情況下附件內(nèi)部的電場(chǎng)分布取決于多層絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)率。研究發(fā)現(xiàn)，直流電纜接頭的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率不匹配，導(dǎo)致電場(chǎng)分布極不均勻，是高壓電纜線路中最薄弱的環(huán)節(jié)[5-6]。另一方面，相比于海底電纜或海底隧道敷設(shè)方式，隨橋敷設(shè)高壓直流電纜及中間接頭運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，根據(jù)電纜敷設(shè)通道可分為鋼平臺(tái)敷設(shè)、鋼箱梁敷設(shè)和混凝土箱梁敷設(shè)。不同敷設(shè)條件下電纜運(yùn)行環(huán)境存在極大差異，研究表明敷設(shè)于橋梁中分帶腹板下方的鋼平臺(tái)環(huán)境溫度一般為20 ℃；而混凝土箱梁和鋼箱梁中空氣流通不暢，導(dǎo)致電纜運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量難以向外傳遞，電纜通道環(huán)境溫度超過40 ℃，最高可達(dá)到50 ℃。直流電纜中間接頭內(nèi)部存在“內(nèi)高外低”的溫度梯度場(chǎng)，在溫度梯度場(chǎng)下交聯(lián)聚乙烯電纜主絕緣和電纜接頭硅橡膠絕緣的電導(dǎo)率相差最大可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致電纜主絕緣、附件絕緣與應(yīng)力錐或高壓屏蔽管三結(jié)合點(diǎn)處出現(xiàn)嚴(yán)重的電場(chǎng)應(yīng)力集中[7-8]。因此，開展隨橋敷設(shè)高壓直流電纜中間接頭電-熱場(chǎng)分布特性研究與電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

非線性電導(dǎo)復(fù)合材料是用于改善直流電氣設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)分布的新型絕緣材料。通過在聚合物基體中填充具有非線性電導(dǎo)率的無(wú)機(jī)填料(如ZnO、SiC等)或?qū)щ娞盍希蛊潆妼?dǎo)率隨電場(chǎng)增大呈現(xiàn)非線性變化趨勢(shì)，從而“智能”地均化電氣設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)分布。文獻(xiàn)[9]研究了不同含量、純度、晶型的SiC填料對(duì)復(fù)合材料非線性電導(dǎo)特性的影響，隨著SiC顆粒含量的增加，復(fù)合材料的閾值電場(chǎng)下降、非線性系數(shù)上升；純度較低的黑SiC顆粒中存在較多的導(dǎo)電雜質(zhì)，填充黑SiC顆粒的復(fù)合材料具有更強(qiáng)的非線性電導(dǎo)特性；β-SiC顆粒呈長(zhǎng)條狀，而α-SiC顆粒近似呈圓形，β-SiC顆粒填充的復(fù)合材料的電導(dǎo)率更高。文獻(xiàn)[10]采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)SiC晶須進(jìn)行修飾，使SiC晶須更均勻地分散在環(huán)氧樹脂基體中，增強(qiáng)了填料與基體間的相容性，從而有效改善了SiC晶須/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的電導(dǎo)特性。文獻(xiàn)[11]利用ZnO顆粒對(duì)環(huán)氧樹脂基體進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料具有良好的非線性電導(dǎo)特性，在強(qiáng)場(chǎng)下勢(shì)壘高度降低，有利于空間電荷的擴(kuò)散，提升了絕緣介質(zhì)抗高能電子輻射的性能。高壓直流電纜中間接頭運(yùn)行過程中，接頭增強(qiáng)絕緣承受電、熱、機(jī)械應(yīng)力的共同作用，然而非線性電導(dǎo)復(fù)合絕緣在電-熱-力多場(chǎng)下的電導(dǎo)特性演變規(guī)律目前尚不清楚。

綜上，本文針對(duì)直流電纜中間接頭增強(qiáng)絕緣，采用非線性電導(dǎo)復(fù)合絕緣對(duì)接頭電場(chǎng)分布進(jìn)行調(diào)控，研究了直流電纜接頭擴(kuò)徑率變化引起的增強(qiáng)絕緣拉伸率對(duì)電場(chǎng)分布的影響，獲得了改性硅橡膠絕緣材料對(duì)高壓直流電纜中間接頭電場(chǎng)分布的調(diào)控 作用。

2 試樣制備與試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

采用機(jī)械共混方法制備SiC/硅橡膠復(fù)合材料，其中硅橡膠復(fù)合絕緣材料由聚二甲基乙烯基硅橡膠、白炭黑、雙二五硫化劑混煉制得，白炭黑填料平均粒徑為50 nm，SiC填料平均粒徑為8 μm，SiC填料添加量為60 phr。取適量SiC/硅橡膠復(fù)合材料置于平板硫化機(jī)中硫化15 min獲得試驗(yàn)樣品，根據(jù)SiC填料含量分別命名為M0和M60。采用掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope，SEM)來(lái)表征SiC填料在硅橡膠復(fù)合絕緣中的分散情況。圖1是SiC/硅橡膠復(fù)合材料斷面形貌SEM圖，由圖1a可見SiO2顆粒在M0中的分布較為均勻，粒徑均不超過0.1 μm；由圖1b可見SiC顆粒在硅橡膠基體中均勻分布，無(wú)明顯顆粒團(tuán)聚。

圖1 SiC/硅橡膠復(fù)合材料斷面形貌SEM圖

利用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)SiC/硅橡膠復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，采用500 mm/min的拉伸速率，獲得硅橡膠和SiC/硅橡膠復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。由圖2可見，隨著SiC填料的加入，SiC/硅橡膠復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率下降，而拉伸強(qiáng)度上升。這是由于SiC顆粒表面與聚合物分子鏈相互作用，增加了大分子鏈之間的作用力，有助于提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度；然而削弱了分子鏈在拉伸過程中延展性，導(dǎo)致斷裂長(zhǎng)率下降。

圖2 SiC/硅橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.2 非線性電導(dǎo)測(cè)試方法

直流電纜中間接頭一般采用組合預(yù)制式形式，接頭增強(qiáng)絕緣通過預(yù)擴(kuò)徑與電纜XLPE絕緣實(shí)現(xiàn)過盈配合，因此電纜接頭絕緣長(zhǎng)期處于擴(kuò)張拉伸狀態(tài)[4]。為了模擬直流電纜中間接頭絕緣所承受的電-熱-機(jī)復(fù)合場(chǎng)，搭建了基于三電極系統(tǒng)的可變電壓、可控溫度、可變拉伸率的直流電導(dǎo)率測(cè)量裝置，如圖3a所示。該測(cè)量系統(tǒng)主要包括：直流電源、皮安表、保護(hù)電阻、測(cè)量電極、高壓電極、環(huán)形保護(hù)電極等。采用了DW-P303- 5ACDE正極性直流電源(天津市東文高壓電源股份有限公司生產(chǎn))，輸出電壓范圍為0～30 kV，額定輸出電流為5 mA。測(cè)量裝置采用Keithley 6517B型靜電計(jì)，測(cè)量范圍為1 fA～20 mA。通過恒溫箱控制試驗(yàn)溫度分別為30 ℃、50 ℃、70 ℃，通過機(jī)械拉伸裝置控制樣品的機(jī)械拉伸率(圖3b)，拉伸率范圍為0%～60%。測(cè)量得到不同電場(chǎng)強(qiáng)度(E)、溫度(T)、拉伸率(γ)下的電導(dǎo)電流值，并計(jì)算得到直流電導(dǎo)率。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖

電導(dǎo)率σ計(jì)算公式如下

式中，I為電導(dǎo)電流；U為電壓源輸出電壓；L為試樣的厚度；d為測(cè)量電極直徑；g為測(cè)量電極與保護(hù)電極的間距。

2.3 電纜中間接頭電-熱復(fù)合場(chǎng)仿真

利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件，搭建了±320 kV隨橋敷設(shè)直流電纜中間接頭模型，如圖4所示[12]。

圖4 ±320 kV直流電纜中間接頭模型

試驗(yàn)獲得電-熱-機(jī)械應(yīng)力多物理場(chǎng)下復(fù)合絕緣電導(dǎo)特性，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，確定隨橋敷設(shè)直流電纜中間接頭模型中各個(gè)材料的密度、電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和恒壓比熱容等參數(shù)，如表1所示[12]。在某一特定拉伸率下，XLPE絕緣的電導(dǎo)率會(huì)受到溫度和電場(chǎng)影響，其與溫度T和場(chǎng)強(qiáng)E的關(guān)系可以表示為

表1 電纜中間接頭模型所用材料參數(shù)

式中，A是與聚合物材料有關(guān)的常數(shù)；φ是活化能；q是電子電量；kb是玻爾茲曼常數(shù)；B是電場(chǎng)系數(shù)?；谖墨I(xiàn)[12]，A取值為7.69×107V/(Ω·m2)；φ為0.92 eV；B為1.45×10-7m/V。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的電-熱-機(jī)復(fù)合場(chǎng)下SiC/硅橡膠復(fù)合材料的電導(dǎo)率特性曲線σ(E,T,γ)，然后以電場(chǎng)、溫度、拉伸率為自變量對(duì)復(fù)合材料電導(dǎo)率特性曲線進(jìn)行插值擬合，可以得到SiC/硅橡膠復(fù)合材料的電導(dǎo)率σ與電場(chǎng)強(qiáng)度(E)、溫度(T)、拉伸率(γ)的關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電-機(jī)場(chǎng)下非線性復(fù)合絕緣電導(dǎo)特性

圖5表示30 ℃下，硅橡膠絕緣與SiC/硅橡膠復(fù)合絕緣在不同拉伸率下的直流電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，直流電導(dǎo)與電場(chǎng)強(qiáng)度均采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)來(lái)表示?？梢钥闯鼋^緣樣品的電導(dǎo)率都與電場(chǎng)強(qiáng)度呈正相關(guān)，即電導(dǎo)率隨著電場(chǎng)的增加而增加。

圖5 30 ℃下硅橡膠與SiC/硅橡膠復(fù)合絕緣電導(dǎo)特性

對(duì)于M0試樣，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，其電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加變化很不明顯，而當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到20 kV/mm時(shí)，其電導(dǎo)率出現(xiàn)顯著上升，這是由于在高電場(chǎng)下產(chǎn)生的空間電荷注入現(xiàn)象，形成較大的空間電荷限制電流所致。而M60試樣的電導(dǎo)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一般認(rèn)為顆粒填充型復(fù)合材料的電導(dǎo)率變化可分為四個(gè)階段[13]：歐姆區(qū)、非線性區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。當(dāng)電場(chǎng)較低時(shí)，復(fù)合材料的直流電導(dǎo)率接近常數(shù)，符合歐姆定律，位于歐姆區(qū)；在非線性區(qū)內(nèi)，隨著電場(chǎng)的增加，電導(dǎo)率迅速上升；當(dāng)電場(chǎng)進(jìn)一步增加，電導(dǎo)率又開始趨于穩(wěn)定，位于飽和區(qū)；如果電場(chǎng)繼續(xù)增加，復(fù)合材料則會(huì)被擊穿?？梢钥闯觯狙芯克玫腟iC/硅橡膠復(fù)合材料的電導(dǎo)率位于歐姆區(qū)和非線性區(qū)。歐姆區(qū)和非線性區(qū)交界處的電場(chǎng)，即圖5中直線斜率增加時(shí)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)，稱為閾值電場(chǎng)。M60試樣非線性電導(dǎo)的閾值電場(chǎng)約為2 kV/mm，明顯低于M0試樣的20 kV/mm。非線性區(qū)的電導(dǎo)率σ和電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系可表示為

式中，α是與材料性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)；β是非線性系數(shù)。

圖5也表明機(jī)械拉伸對(duì)SiC/硅橡膠復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)特性產(chǎn)生了顯著影響。結(jié)果表明隨著拉伸率的增加，M0的電導(dǎo)率小幅下降。對(duì)于M60而言，當(dāng)拉伸率從0%增加到10%時(shí)，非線性系數(shù)小幅增大，其電導(dǎo)率上升；當(dāng)拉伸率進(jìn)一步上升時(shí)，非線性系數(shù)顯著降低，其電導(dǎo)率明顯下降。

基于跳躍電導(dǎo)模型，分析機(jī)械拉伸對(duì)于SiC/硅橡膠復(fù)合材料非線性電導(dǎo)特性的影響機(jī)理。硅橡膠材料的分子鏈間的范德華力很弱，其結(jié)構(gòu)很容易受到外部機(jī)械拉伸的影響。隨著拉伸率的增加，硅橡膠材料中分子鏈的取向趨于有序，分子鏈間缺陷形成的淺陷阱減少。因此，機(jī)械拉伸導(dǎo)致M0式樣中跳躍電導(dǎo)減弱，抑制載流子遷移，進(jìn)而導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。而對(duì)于M60而言，SiC填料在硅橡膠基體內(nèi)形成逾滲網(wǎng)絡(luò)。在拉伸率較小時(shí)，機(jī)械拉伸產(chǎn)生的橫向壓縮占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致SiC顆粒之間接觸的幾率增加，有利于在復(fù)合材料內(nèi)部形成新的導(dǎo)電路徑；隨著拉伸率的進(jìn)一步增加，機(jī)械拉伸產(chǎn)生的縱向拉伸的影響變得顯著，使SiC顆粒沿著拉伸應(yīng)變的方向發(fā)生較大位移，破壞了之前形成的臨時(shí)導(dǎo)電路徑。

3.2 電-熱-機(jī)場(chǎng)下非線性復(fù)合絕緣電導(dǎo)特性

圖6和圖7分別為硅橡膠絕緣與SiC/硅橡膠復(fù)合絕緣在不同拉伸率下直流電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。在不考慮機(jī)械拉伸的情況下，硅橡膠絕緣中載流子熱運(yùn)動(dòng)隨溫度的升高而加劇，使其更容易在試樣中遷移，因此隨著溫度由30 ℃升高至70 ℃，M0的電導(dǎo)率較時(shí)上升。但M0的電導(dǎo)率隨電場(chǎng)的變化幅度仍然處于較低水平，這是因?yàn)楣柘鹉z絕緣的大多數(shù)載流子仍屬于跳躍電導(dǎo)，載流子遷移率較低。而隨著溫度升高，M60的電導(dǎo)率大幅增大，同時(shí)圖6b和圖7b中直流電導(dǎo)的歐姆區(qū)消失，只有非線性區(qū)，表明非線性電導(dǎo)的閾值電場(chǎng)降低。隨著拉伸率的增加，M0直流電導(dǎo)率出現(xiàn)了較小幅度的降低，而M60直流電導(dǎo)率顯著下降，在20 kV/mm電場(chǎng)下的下降幅度達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖6 50 ℃下硅橡膠與SiC/硅橡膠復(fù)合絕緣電導(dǎo)特性

圖7 70 ℃下硅橡膠與SiC/硅橡膠復(fù)合絕緣電導(dǎo)特性

在不同溫度條件下，機(jī)械拉伸對(duì)摻雜SiC顆粒的硅橡膠復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)特性的影響有差異。為了進(jìn)一步研究這種不同溫度下的差異，計(jì)算了不同溫度、不同拉伸率下?lián)诫sSiC顆粒的硅橡膠復(fù)合材料的非線性系數(shù)，如圖8所示。當(dāng)拉伸應(yīng)變?yōu)?時(shí)，M60在30 ℃、50 ℃和70 ℃下的非線性系數(shù)分別為3.71、2.74、2.26。隨著溫度的升高，非線性系數(shù)顯著下降。這主要是因?yàn)楦邷匾鸬腟iC晶格振動(dòng)提高了載流子散射的概率[14]，阻礙了載流子的定向傳輸，導(dǎo)致溫度甚至削弱了SiC/硅橡膠復(fù)合材料電導(dǎo)率隨外施電場(chǎng)的增加幅度。同時(shí)，M60在30 ℃下隨著拉伸率增加到10%時(shí)，非線性系數(shù)上升，并隨著拉伸率的進(jìn)一步增加而下降；在50 ℃和70 ℃下的非線性系數(shù)隨著拉伸率的增加而下降。

圖8 不同溫度、不同拉伸率下SiC/硅橡膠復(fù)合材料 (M60)的非線性系數(shù)

高溫下機(jī)械拉伸對(duì)SiC/硅橡膠復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)特性的影響不同于室溫，分析認(rèn)為這主要是因?yàn)楣柘鹉z基體和SiC顆粒的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of thermal expansion，CTE)的差異。硅橡膠的熱膨脹系數(shù)處于較高水平(為1×10-6～3×10-6K-1)[15-16]，而SiC的熱膨脹系數(shù)很低，大致低硅橡膠兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，當(dāng)SiC/硅橡膠復(fù)合材料處于高溫條件時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)的差異，硅橡膠基體受熱膨脹的程度遠(yuǎn)大于SiC顆粒，導(dǎo)致SiC顆粒之間相對(duì)位置的變化，進(jìn)而影響材料內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而SiC/硅橡膠復(fù)合材料的非線性電導(dǎo)特性又和其內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有著密切的聯(lián)系。因此，高溫下SiC/硅橡膠復(fù)合材料的熱膨脹效應(yīng)影響了機(jī)械拉伸對(duì)其非線性電導(dǎo)特性的作用。

3.3 隨橋敷設(shè)電纜接頭電-熱場(chǎng)分布

高壓直流電纜滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體溫度為70 ℃，鋼箱梁中環(huán)境溫度可達(dá)40 ℃，因此設(shè)定圖4中高壓直流電纜接頭電-熱場(chǎng)仿真模型的邊界條件如下：當(dāng)電纜處于滿載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，邊界a-b的溫度設(shè)定為343.15 K，環(huán)境溫度設(shè)定為313.15 K，熱量通過邊界h-i-j-k進(jìn)行空氣的自然對(duì)流換熱，鋼箱梁中空氣對(duì)流較弱，因此電纜對(duì)流換熱系數(shù)取2 W/(m2·K)；當(dāng)電纜處于空載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，邊界a-b和邊界h-i-j-k的溫度均設(shè)定為313.15 K。中間接頭增強(qiáng)絕緣擴(kuò)徑。

3.3.1 直流電纜中間接頭滿載運(yùn)行條件

圖9展示了±320 kV高壓直流電纜中間接頭的溫度場(chǎng)分布。由圖9中所示的三維溫度分布可知，高壓直流電纜中間接頭內(nèi)部存在內(nèi)高外低的溫度梯度場(chǎng)。

圖9 高壓直流電纜滿載運(yùn)行條件下中間接頭溫度分布

設(shè)置高壓直流電纜中間接頭內(nèi)部溫度場(chǎng)分布如圖9所示，基于傳統(tǒng)硅橡膠增強(qiáng)絕緣和新型SiC/硅橡膠復(fù)合增強(qiáng)絕緣的電導(dǎo)率擬合方程，仿真研究了電纜接頭絕緣在不同拉伸率下的電場(chǎng)分布情況，分別如圖10和圖11所示。圖12顯示了不同拉伸率下電纜接頭增強(qiáng)絕緣內(nèi)部電場(chǎng)的最大值?？梢钥闯?，滿載條件下，采用SiC/硅橡膠復(fù)合增強(qiáng)絕緣的電纜接頭內(nèi)部的最大電場(chǎng)遠(yuǎn)低于采用傳統(tǒng)硅橡膠增強(qiáng)絕緣的電纜接頭，并且采用傳統(tǒng)增強(qiáng)絕緣的電纜接頭應(yīng)力錐根部的增強(qiáng)絕緣處電場(chǎng)最強(qiáng)，而采用新型增強(qiáng)絕緣的電纜接頭內(nèi)部的最大電場(chǎng)出現(xiàn)于XLPE絕緣內(nèi)部。結(jié)果表明，采用新型增強(qiáng)絕緣的電纜接頭中的電場(chǎng)分布更加合理，新型增強(qiáng)絕緣的非線性電導(dǎo)特性有利于改善電纜接頭內(nèi)部的電場(chǎng)畸變情況。

圖10 滿載運(yùn)行條件下，硅橡膠絕緣中間接頭電場(chǎng)分布

圖11 滿載運(yùn)行條件下，SiC/硅橡膠復(fù)合絕緣 中間接頭電場(chǎng)分布

圖12 滿載運(yùn)行條件下，中間接頭絕緣電場(chǎng)的 最大值隨拉伸率的變化

另外，隨著中間接頭擴(kuò)徑率的增大，增強(qiáng)絕緣拉伸率增大，電場(chǎng)分布畸變程度不斷加劇。對(duì)傳統(tǒng)硅橡膠增強(qiáng)絕緣而言，拉伸率為60%時(shí)其內(nèi)部的最大電場(chǎng)達(dá)到40.05 kV/mm，比沒有機(jī)械拉伸作用時(shí)升高了8.13%。拉伸率為60%時(shí)新型增強(qiáng)絕緣內(nèi)部的最大電場(chǎng)為19.54 kV/mm，相比沒有機(jī)械拉伸作用時(shí)，電場(chǎng)分布情況較差。結(jié)果表明，電纜接頭處于擴(kuò)徑狀態(tài)時(shí)，增強(qiáng)絕緣會(huì)受到機(jī)械拉伸的作用，此時(shí)非線性材料對(duì)電纜接頭內(nèi)部電場(chǎng)的改善效果受到削弱，因此在設(shè)計(jì)高壓直流電纜附件時(shí)應(yīng)充分考慮機(jī)械應(yīng)力的影響。

3.3.2 直流電纜中間接頭空載運(yùn)行條件

圖13和圖14分別展示了高壓直流電纜處于空載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，硅橡膠絕緣電纜接頭與SiC/硅橡膠復(fù)合絕緣中間接頭在不同拉伸率下的電場(chǎng)分布情況。由圖可見，采用傳統(tǒng)增強(qiáng)絕緣和新型增強(qiáng)絕緣的電纜接頭中最大電場(chǎng)出現(xiàn)的位置不同，分別為應(yīng)力錐頭根部和高壓屏蔽層附近區(qū)域。進(jìn)一步計(jì)算得到不同拉伸率下應(yīng)力錐根部和高壓屏蔽層附近區(qū)域增強(qiáng)絕緣的電場(chǎng)最大值，如圖15所示?？梢姡瑐鹘y(tǒng)增強(qiáng)絕緣的電纜接頭應(yīng)力錐根部存在最大場(chǎng)強(qiáng)，并且隨著拉伸率的增加，最大場(chǎng)強(qiáng)上升，電場(chǎng)畸變情況變得更加嚴(yán)重；而采用新型增強(qiáng)絕緣的電纜接頭內(nèi)部的最大電場(chǎng)出現(xiàn)在高壓屏蔽層附近區(qū)域，最大 電場(chǎng)隨著拉伸率的增加出現(xiàn)了小幅的下降。對(duì)于傳統(tǒng)增強(qiáng)絕緣的電纜接頭，拉伸率為60%時(shí)其內(nèi)部的最大電場(chǎng)達(dá)到了18.08 kV/mm，比沒有機(jī)械拉伸作用時(shí)增大了14.87%。而采用非線性復(fù)合絕緣作為電纜接頭增強(qiáng)絕緣，當(dāng)拉伸率為60%時(shí)內(nèi)部的最大電場(chǎng)為17.7 kV/mm，且相比沒有機(jī)械拉伸作用時(shí)降低了0.84%。分析認(rèn)為，當(dāng)電纜空載運(yùn)行時(shí)，新型增強(qiáng)絕緣的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于XLPE絕緣，機(jī)械拉伸的作用削弱了新型增強(qiáng)非線性系數(shù)，導(dǎo)致接頭絕緣與XLPE絕緣電導(dǎo)率的差距減小，因此電場(chǎng)畸變減弱。

圖13 空載運(yùn)行條件下，硅橡膠絕緣中間接頭電場(chǎng)分布

圖14 空載運(yùn)行條件下，SiC/硅橡膠復(fù)合絕緣中間 接頭電場(chǎng)分布

圖15 空載運(yùn)行條件下，中間接頭絕緣電場(chǎng)的最大值 隨拉伸率的變化

4 結(jié)論

針對(duì)隨橋敷設(shè)高壓直流電纜接頭絕緣電-熱場(chǎng)分布問題，開展基于非線性電導(dǎo)增強(qiáng)絕緣的高壓直流電纜接頭電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。主要獲得如下結(jié)論。

(1) SiC/硅橡膠復(fù)合復(fù)合絕緣的非線性電導(dǎo)特性受電場(chǎng)、熱場(chǎng)和機(jī)械應(yīng)力的顯著影響。隨著機(jī)械拉伸率的增大，直流電導(dǎo)率與非線性系數(shù)顯著降低。

(2) 相比于傳統(tǒng)硅橡膠增強(qiáng)絕緣，SiC/硅橡膠非線性電導(dǎo)復(fù)合絕緣可有效調(diào)控電纜接頭絕緣電場(chǎng)分布，最大電場(chǎng)強(qiáng)度顯著下降。

(3) 電纜滿載條件下，隨著增強(qiáng)絕緣拉伸率增大，直流電纜接頭最大電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，因此在設(shè)計(jì)高壓直流電纜附件時(shí)應(yīng)充分考慮機(jī)械應(yīng)力的影響。電纜空載條件下，采用傳統(tǒng)增強(qiáng)絕緣和新型增強(qiáng)絕緣的電纜接頭中最大電場(chǎng)出現(xiàn)的位置不同，分別為應(yīng)力錐頭根部和高壓屏蔽層附近區(qū)域。

(4) 本文僅研究了非線性電導(dǎo)增強(qiáng)絕緣對(duì)橋梁電纜接頭電場(chǎng)分布的影響。針對(duì)電纜隨橋敷設(shè)的較高環(huán)境溫度，下一步可通過提高中間接頭增強(qiáng)絕緣熱導(dǎo)率以降低絕緣內(nèi)外層溫差，調(diào)控電-熱場(chǎng)分布。