- 頭條絕緣層厚度對高壓直流電纜電場和溫度場分布有何影響？2023-03-06 作者：魏艷慧、鄭元浩 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語青島科技大學先進電工材料研究院、特變電工山東魯能泰山電纜有限公司、西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室的魏艷慧、鄭元浩、龍海泳、李國倡、李盛濤，在2022年第15期《電工技術學報》上撰文，分析了高壓直流電纜絕緣層和半導電屏蔽層的電阻特性和導熱特性。在此基礎上，通過建立高壓直流電纜電-熱耦合仿真模型，計算了絕緣層厚度對電纜電場和溫度場分布的影響規律，討論載流量和敷設方式對不同絕緣層厚度高壓直流電纜溫度場分布的影響。
高壓直流電纜作為柔性直流輸電技術的關鍵部件，在遠距離供電、跨海輸電和新能源并網等方面發揮著重要作用。截止2020年，我國已投入運行的直流電纜輸電工程主要有廣東南澳±160kV、浙江舟山±200kV、福建廈門±320kV，以及張北工程±535kV。
隨著高壓電纜的發展和電壓等級的提高，國內外電纜制造廠家不斷對電纜絕緣厚度進行優化設計。高壓直流電纜絕緣厚度與電纜絕緣材料、半導電屏蔽材料、導體溫度、生產工藝、運行條件等因素有關。電纜絕緣厚度優化，一方面可以節省材料消耗、減輕電纜重量，便于運輸和敷設；另一方面，從絕緣局部缺陷的角度，可以提高電纜安全可靠性。
高壓直流電纜載流量和敷設方式是影響電纜絕緣層溫度場分布的重要因素。在長期運行工作過程中，絕緣層持續高溫會加速材料老化，容易發生擊穿，尤其是在夏季，環境溫度和高負荷工作的情況下，絕緣層溫升較為嚴重，容易引起電纜絕緣薄弱處發生局部放電。
XLPE電纜的壽命在工作溫度超過長期允許的8%時會減半；超過長期允許的15%時壽命會變成原來的1/4，采用XLPE絕緣的高壓直流電纜，目前最高運行溫度為70℃，載流量是影響電纜溫度的主要因素，對于不同絕緣厚度的電纜其載流量承受能力不同。此外，隨著智慧城市的建設，地下電纜敷設方式不斷發展，主要包括管道敷設和隧道敷設，不同的敷設方式對電纜的散熱具有較大的影響。
青島科技大學先進電工材料研究院、特變電工山東魯能泰山電纜有限公司、西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室的魏艷慧、鄭元浩、龍海泳、李國倡、李盛濤，在2022年第15期《電工技術學報》上撰文，分析了高壓直流電纜絕緣層和半導電屏蔽層的電阻特性和導熱特性。在此基礎上，通過建立高壓直流電纜電-熱耦合仿真模型，計算了絕緣層厚度對電纜電場和溫度場分布的影響規律，討論載流量和敷設方式對不同絕緣層厚度高壓直流電纜溫度場分布的影響。
圖1不同敷設方式下電纜仿真結構示意圖
他們指出，交聯聚乙烯電阻率隨著溫度的升高（25-90℃），電阻率下降約2-3個量級，半導電屏蔽層電阻率由21.4Ω·cm增加至75.5Ω·cm；整體上，半導電屏蔽層導熱系數約為絕緣層的兩倍，室溫下二者導熱系數分別為0.32W/(m·K)和0.68W/(m·K)。
圖2 絕緣層內側溫度隨厚度的變化
另外，隨著電纜絕緣層厚度的增加（20-35mm），絕緣內側電場強度從31.8kV/mm降低到20.8kV/mm，降低了約34%；絕緣層內外溫度差由8.2℃增加至12.6℃。當載流量為2400A時，絕緣層內側溫度達到90℃左右，隨著載流量的增加，絕緣層溫差由800A的3.5℃，增加到2400A的31.4℃。當載流量大于約1200A時，由于絕緣層內側和外側電阻率變化，電纜絕緣層出現電場翻轉現象。
研究人員通過對比不同敷設方式，發現隧道敷設的散熱最好，其次是直埋敷設，管道敷設的散熱相對較差；直埋敷設導體的溫度為81℃，管道敷設導體的溫度為86.9℃，隧道敷設導體的溫度為61.4℃。此外，隨著電纜絕緣厚度的增加，三種敷設的絕緣層內側溫度也隨之上升，當絕緣層厚度從20mm增加到35mm時，直埋敷設絕緣層內側溫度由78℃增加到82.4℃，管道敷設溫度由83.1℃增加到88℃，隧道敷設溫度則由58℃增加到63℃。
本文編自2022年第15期《電工技術學報》，論文標題為“絕緣層厚度對高壓直流電纜電場和溫度場分布的影響”。本課題得到山東省重大科技創新工程資助項目的支持。
