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高壓直流電纜作為柔性直流輸電技術(shù)的關(guān)鍵部件，在遠(yuǎn)距離供電、跨海輸電和新能源并網(wǎng)等方面發(fā)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(fā)展和電壓等級的提高，國內(nèi)外電纜制造廠家不斷對電纜絕緣厚度進行優(yōu)化設(shè)計。高壓直流電纜絕緣厚度與電纜絕緣材料、半導(dǎo)電屏蔽材料、導(dǎo)體溫度、生產(chǎn)工藝、運行條件等因素有關(guān)。電纜絕緣厚度優(yōu)化，一方面可以節(jié)省材料消耗、減輕電纜重量，便于運輸和敷設(shè)；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(shè)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(xù)高溫會加速材料老化，容易發(fā)生擊穿，尤其是在夏季，環(huán)境溫度和高負(fù)荷工作的情況下，絕緣層溫升較為嚴(yán)重，容易引起電纜絕緣薄弱處發(fā)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(shè)，地下電纜敷設(shè)方式不斷發(fā)展，主要包括管道敷設(shè)和隧道敷設(shè)，不同的敷設(shè)方式對電纜的散熱具有較大的影響。

青島科技大學(xué)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(xué)電力設(shè)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(shù)學(xué)報》上撰文，分析了高壓直流電纜絕緣層和半導(dǎo)電屏蔽層的電阻特性和導(dǎo)熱特性。在此基礎(chǔ)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(guī)律，討論載流量和敷設(shè)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(shè)方式下電纜仿真結(jié)構(gòu)示意圖

他們指出，交聯(lián)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(dǎo)電屏蔽層電阻率由21.4Ω·cm增加至75.5Ω·cm；整體上，半導(dǎo)電屏蔽層導(dǎo)熱系數(shù)約為絕緣層的兩倍，室溫下二者導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.32W/(m·K)和0.68W/(m·K)。

圖2 絕緣層內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)電場強度從31.8kV/mm降低到20.8kV/mm，降低了約34%；絕緣層內(nèi)外溫度差由8.2℃增加至12.6℃。當(dāng)載流量為2400A時，絕緣層內(nèi)側(cè)溫度達(dá)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(dāng)載流量大于約1200A時，由于絕緣層內(nèi)側(cè)和外側(cè)電阻率變化，電纜絕緣層出現(xiàn)電場翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

研究人員通過對比不同敷設(shè)方式，發(fā)現(xiàn)隧道敷設(shè)的散熱最好，其次是直埋敷設(shè)，管道敷設(shè)的散熱相對較差；直埋敷設(shè)導(dǎo)體的溫度為81℃，管道敷設(shè)導(dǎo)體的溫度為86.9℃，隧道敷設(shè)導(dǎo)體的溫度為61.4℃。此外，隨著電纜絕緣厚度的增加，三種敷設(shè)的絕緣層內(nèi)側(cè)溫度也隨之上升，當(dāng)絕緣層厚度從20mm增加到35mm時，直埋敷設(shè)絕緣層內(nèi)側(cè)溫度由78℃增加到82.4℃，管道敷設(shè)溫度由83.1℃增加到88℃，隧道敷設(shè)溫度則由58℃增加到63℃。

本文編自2022年第15期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)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(chuàng)新工程資助項目的支持。