高压电缆附件界面压力和电场分析设计

高压电缆附件界面压力和电场分析设计

张辉

张辉

（耐克森阳谷新日辉电缆有限公司山东聊城252311）

摘要：电场分布和界面压力是现代高压电缆附件的基本设计内容，其正确性和精确度会直接影响所设计的电缆附件的性能。高压电缆附件中包含着很多界面，尤其是位于场强控制元件和电缆绝缘体之间的界面性能对电缆附件的品质起着决定性的作用。界面的性能不仅与材料品质、安装条件以及表面的处理状态有关，还受应力和温度因素的影响，因此界面的设计是电-力-热多场耦合的复杂过程。通过对一些高压电缆附件的设计实际，论述了电场控制和界面压力设计的基本理念、计算方法和结果处理。

关键词：高压电缆；附件界面压力；电场设计

高压电缆及其附件的故障可能源自设计、生产、安装、使用不当（包括外力破坏）等多方面的原因，但是产品设计是最基本环节。严格地讲，产品设计应该尽可能将生产、安装和使用中可能发生的问题降低到最小。

一、界面压力与粗糙度

由于材料表面本身粗糙高低不平，当两种材料直接接触时，会形半实半空的接触形态。空隙的存在会引起界面局部放电，导致电气强度下降。当对界面逐渐施加压力后，界面接触面积增大，空隙缺陷减少，界面电气强度逐渐提高。通过研究乙丙橡胶/硅橡胶夹层界面的击穿强度和面压的关系，发现界面电气强度随面压呈线性增长。理想状态下，当外界压力增加到一定值时，界面接触完好，无气隙缺陷，此时界面电气强度将趋近于材料本体击穿场强。相反，界面压力越低，材料表面粗糙度越高时，界面击穿强度越小，接近空气击穿强度。

因此，在一定的界面压力下，为提高界面的介电特性，通常在电缆附件安装过程中对电缆表面用细砂打磨以提高其光滑度。电缆XLPE绝缘表面经不同目数砂纸打磨后与硅橡胶绝缘构成夹层介质的交流击穿电压特性，结果当界面经400目及以上砂纸打磨后，其击穿电压高于未打磨试样。由此可知，在实际工程中可用400目及以上砂纸对电缆绝缘表面进行打磨。

由于绝对光滑平整的材料表面不可能实现，为进一步提高电缆附件界面击穿强度，一般在材料表面涂覆硅脂以密封/填充界面空隙。将乙丙橡胶和硅橡胶夹层界面涂覆硅脂后，发现界面的击穿强度大幅度上升，且随压力的增加呈指数增长，后逐渐趋于饱和。饱和现象的形成原因可解释为附件绝缘与电缆绝缘界面在一定压力下，硅脂填满界面空隙，界面形成一层薄硅脂膜，此时界面的击穿强度趋近于硅脂本体的击穿强度，与面压无关。

另外，在对实际电缆附件研究中发现，由于硅脂对有机绝缘的溶胀作用，在涂覆数周后硅脂会逐渐渗入附件绝缘或电缆绝缘内。随着弹性材料分子链的蠕动，渗入的硅脂一方面有助于降低介质表面粗糙度，但另一方面界面硅脂的流失导致界面变干，界面性能劣化，从而降低界面电阻直至击穿。随着附件运行时间的延长，暂不考虑材料应力松弛对界面压力的影响，在同一面压下，乙丙橡胶/硅橡胶夹层界面击穿强度介于直接接触和表面涂覆硅脂之间。因此，为保证电缆附件运行的可靠性，电缆附件在设计过程中，切线/沿面场强一般要求小于1kV/mm，典型值为0.4——0.7kV/mm[9-10]。

二、界面压力与温度

电缆在运行中温度升高，而温升会造成电缆绝缘性能劣化。根据国际AEIC电缆应急运行规范，对于XLPE绝缘电缆，在负荷循环运行时允许短期（15min）运行温升达130℃。已知XLPE材料的熔点约为108℃，而橡胶材料熔点超过200℃，这意味着电缆附件终端或接头的运行温度高于电缆的熔点。通过测量XLPE及乙丙橡胶材料在不同温度下的弹性模量发现，随着温度的升高，乙丙橡胶的弹性模量几乎不变，而XLPE的弹性模量逐渐下降。当温度超过105℃时，XLPE的弹性模量低于乙丙橡胶的弹性模量。

对于冷缩或预制型电缆附件，一般与电缆过盈配合实现一定的界面压力。当运行温度高于电缆熔点时，由于XLPE的弹性模量低于乙丙橡胶的弹性模量，此时乙丙橡胶的硬度超过XLPE材料，电缆绝缘变为易于变形的弹性体。在电缆附件绝缘的过盈界面压力下，将导致电缆XLPE绝缘压缩形变，当温度降低后，形变被固化，造成“竹节”现象，损坏电缆绝缘。由于高温导致电缆绝缘厚度降低达10%。而高温下绝缘厚度的减小必将导致附件绝缘过盈配合的界面压力降低。因此，为避免出现明显的“竹节”现象，通过高压电缆附件的电场及界面压力设计表明，界面最大压力要求不高于0.3MPa。一般电缆的工作温度低于70℃，70℃以下电缆XLPE绝缘的弹性模量远高于附件绝缘的弹性模量。通过实际电缆的高温热循环实验和面压测量发现，当温度高于75℃以上时，温度越高，界面压力损失率越大。由此可认为70℃以下电缆接头界面压力随温度变化基本保持不变。

三、界面压力与应力松弛

电缆附件与电缆绝缘间界面压力的实现依赖于附件用高弹性硅橡胶或乙丙橡胶等材料处于高弹态所表现出来的力学特性。但是，此高弹性材料的发展具有时间依赖性，即松弛特性。当橡胶材料长期处于扩张状态下，其内应力将随时间延长出现由分子运动导致链段随外力方向调整的逐渐衰减的现象，即应力松弛现象，且应力松弛随温度的升高而加快。针对附件硅橡胶绝缘安装后的扩张率，根据时温等效原理，反推出附件绝缘在40℃、70℃及90℃下的力学松弛特性（面压下降率）。

结语：

电缆附件的可靠性是输电线路安全运行的关键，而电缆附件和电缆绝缘间的界面压力是附件可靠性的关键。因此，在确保附件安装工艺可靠的基础上，通过增加界面光滑度、严格检测电缆运行温升、选择耐松弛性附件绝缘料等措施，可提高电缆附件的长期运行可靠性。

参考文献：

［1］王佩龙，车年坚。高压交联电力电缆附件选型的若干问题［J］。电力设备，2004，5（8）：18-22.

［2］应启良，王佩龙，魏东，等。城市电网地下输电用高压电缆附件的发展［C］∥1996年亚洲线缆会议文集，上海，1996:51-61.

［3］应启良，魏东，高小庆，等。我国高压及超高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的应用与发展［J］。电线电缆，2001（3）：3-9.