绝缘层厚度对高压直流电缆电场和温度场分布有何影响？青岛科技大学等单位学者发表研究成果

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高压直流电缆作为柔性直流输电技术的关键部件，在远距离供电、跨海输电和新能源并网等方面发挥着重要作用。截止2020年，我国已投入运行的直流电缆输电工程主要有广东南澳±160kV、浙江舟山±200kV、福建厦门±320kV，以及张北工程±535kV。

随着高压电缆的发展和电压等级的提高，国内外电缆制造厂家不断对电缆绝缘厚度进行优化设计。高压直流电缆绝缘厚度与电缆绝缘材料、半导电屏蔽材料、导体温度、生产工艺、运行条件等因素有关。电缆绝缘厚度优化，一方面可以节省材料消耗、减轻电缆重量，便于运输和敷设；另一方面，从绝缘局部缺陷的角度，可以提高电缆安全可靠性。

高压直流电缆载流量和敷设方式是影响电缆绝缘层温度场分布的重要因素。在长期运行工作过程中，绝缘层持续高温会加速材料老化，容易发生击穿，尤其是在夏季，环境温度和高负荷工作的情况下，绝缘层温升较为严重，容易引起电缆绝缘薄弱处发生局部放电。

XLPE电缆的寿命在工作温度超过长期允许的8%时会减半；超过长期允许的15%时寿命会变成原来的1/4，采用XLPE绝缘的高压直流电缆，目前最高运行温度为70℃，载流量是影响电缆温度的主要因素，对于不同绝缘厚度的电缆其载流量承受能力不同。此外，随着智慧城市的建设，地下电缆敷设方式不断发展，主要包括管道敷设和隧道敷设，不同的敷设方式对电缆的散热具有较大的影响。

青岛科技大学先进电工材料研究院、特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司、西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室的魏艳慧、郑元浩、龙海泳、李国倡、李盛涛，在2022年第15期《电工技术学报》上撰文，分析了高压直流电缆绝缘层和半导电屏蔽层的电阻特性和导热特性。在此基础上，通过建立高压直流电缆电-热耦合仿真模型，计算了绝缘层厚度对电缆电场和温度场分布的影响规律，讨论载流量和敷设方式对不同绝缘层厚度高压直流电缆温度场分布的影响。

图1不同敷设方式下电缆仿真结构示意图

他们指出，交联聚乙烯电阻率随着温度的升高（25-90℃），电阻率下降约2-3个量级，半导电屏蔽层电阻率由21.4Ω·cm增加至75.5Ω·cm；整体上，半导电屏蔽层导热系数约为绝缘层的两倍，室温下二者导热系数分别为0.32W/(m·K)和0.68W/(m·K)。

图2 不同敷设方式下绝缘层内侧温度随厚度的变化

另外，随着电缆绝缘层厚度的增加（20-35mm），绝缘内侧电场强度从31.8kV/mm降低到20.8kV/mm，降低了约34%；绝缘层内外温度差由8.2℃增加至12.6℃。当载流量为2400A时，绝缘层内侧温度达到90℃左右，随着载流量的增加，绝缘层温差由800A的3.5℃，增加到2400A的31.4℃。当载流量大于约1200A时，由于绝缘层内侧和外侧电阻率变化，电缆绝缘层出现电场翻转现象。

研究人员通过对比不同敷设方式，发现隧道敷设的散热最好，其次是直埋敷设，管道敷设的散热相对较差；直埋敷设导体的温度为81℃，管道敷设导体的温度为86.9℃，隧道敷设导体的温度为61.4℃。此外，随着电缆绝缘厚度的增加，三种敷设的绝缘层内侧温度也随之上升，当绝缘层厚度从20mm增加到35mm时，直埋敷设绝缘层内侧温度由78℃增加到82.4℃，管道敷设温度由83.1℃增加到88℃，隧道敷设温度则由58℃增加到63℃。

本文编自2022年第15期《电工技术学报》，论文标题为“绝缘层厚度对高压直流电缆电场和温度场分布的影响”。本课题得到山东省重大科技创新工程资助项目的支持。

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