摘要：电缆与附件(终端或接头)的绝缘界面一般为绝缘的薄弱环节，直流电压协同温度梯度效应将导致其界面间的空间电荷量增多。为此，基于直流电缆运行中的温度梯度效应，通过测量直流工作电场下硅橡胶(SR)／交联聚乙烯(XLPE)双层介质界面的空间电荷特性，建立了电缆接头套接电缆上的仿真模型，根据SR及XLPE的电阻率一温度特性及空间电荷测量结果，探讨了温度梯度场下空间电荷效应对直流电缆及附件界面电场的影响。研究发现：随着温度梯度(温差)的增加，电缆与附件界面的积聚电荷量增大。温度梯度效应有助于增加电缆与附件界面应力锥侧的电场强度；存在空间电荷效应时，温度梯度场下电缆与附件界面应力锥侧的电场强度略有减小，同时高压屏蔽管侧的电场强度略有增加。
关键词：直流电缆；电缆附件；界面；空间电荷；温度梯度；电场分布
0引言随着高压直流输电技术的发展及远距离大功率输电的要求，迫切需要研发高压直流塑料电缆及其附件llJ。而一般的交流电缆及其附件在直流电压下会产生空间电荷效应p川，无法直接用于直流输电。近年来，国内高压直流的发展十分迅速，其研发和投运量逐渐增长，而配套的直流电缆附件的发展相对落后。双层介质绝缘薄弱环节位于界面处，目前国内外学者普遍认同电缆与附件间的复合界面和电场应力集中区域是电力输电系统的最薄弱环节和运行故障的典型部位p圳。为此，己针对高压交流电缆与附件界面特性进行了大量的研究，如界面压力、界面粗糙度、界面涂覆条件与界面介电强度的关系，同时给出了电缆与附件界面设计电场强度S0．5 MV／m的指导建议u州2。。已有研究表明介质中空间电荷与介质老化互为因果关系u孓14J，直流电压下的空间电荷效应将严重影响着电缆长期运行的可靠性。而直流电压下尤其是协同温度梯度效应时【15d引，电缆与附件界面的空间电荷特性及附件内电场的畸变特性，至今未见报道。目前高压直流输电技术的发展要求提高直流电缆附件性能，直流电缆附件的空间电荷效应一直是直流电缆附件研究的主要内容。因此，本文基于直流电缆的运行特点，根据直流工作场下硅橡胶(SR)／交联聚乙烯(XLPE)双层介质界面空间电荷特性的测量结果，建立电缆接头的仿真模型，探讨温度梯度协同空间电荷时电缆附件与电缆内部的电场分布特性。
1直流电缆，附件运行中的温度梯度场
1．1直流电缆，附件运行特点相比交流，直流电缆运行有以下显著特点：
1)暂态运行时与材料介电常数相关，稳态运行时与材料电导率相关[19-20】。
2)电缆负荷运行时，线芯发热使电缆线芯与绝缘外侧产生温差，导致绝缘层温度呈梯度分布，电阻的负温度特性将导致电缆内部电场强度分布发生变化[15-16,18,21l。
3)直流电压下空间电荷的注入、迁移、复合和聚集特性会对电场产生畸变作用[22-24]。
4)夹层介质界面极化协同空间电荷效应影响电缆附件电场强度分布和长期运行可靠性【25。27J。
1．2直流电缆，附件温差分布文献表明：XLPE、SR的导热系数A均约为0．3W／(m·K)；复合界面的接触热阻尺血．。约为0．2m·K／W【2川。本文利用SR／XLPE复合片状试样来模拟直流电缆附件结构，通过对试样施加电场协同温度梯度场来模拟附件运行条件.
2 SR／XLPE界面空间电荷特性
2．1空间电荷测量方法根据已有的30 kV直流电缆及附件的结构(即绝缘XLPE试样厚度为4．15 rain，附件SR试样厚度为15 mm)，同时考虑30 kV直流电缆附件运行中最大过电压约为110 kV，计算得到施加在电缆／附件双层介质上最大的平均电场强度约为6 MV／m。由于脉冲电声空间电荷测量系统测试电压的限制，为保证双层介质电场强度分配不变，选择绝缘XLPE厚度约为O．1 mm(100岬)、附件SR厚度约为0．32ram(320岬1)的板状试样进行测量。空间电荷测量采用温度梯度场用脉冲电声(PEA)法空间电荷测量系统，详见文献[16．17]。试验中采用硅油作为声耦合剂。测量SR／XLPE双层介质两面在不同温差(Ao=o℃、20℃、40℃1和6MV／m电场强度下加压2 h时间(稳态)及短路10 min时间后各自的空间电荷特性。
2．2测量结果
图4为SR／XLPE双层介质试样在不同温度梯度场下加载平均电场强度6 MV／m达2 h时间后再短路10 min时间的过程中空问电荷体密度变化特性。图4中：低温俱lJ(Al电极)的温度为20℃；高温侧(SC电极)温度分别为20℃、40℃、60℃，即温差AO分别为0℃、20℃、40℃。由图4可知，随着试样内部温度梯度的增加，SR及XLPE侧电极均出现大量空间电荷注入的现象，同时界面电荷量也显著增多。由图4右侧3个短路图可见，温度梯度越高，体内残余电荷消散较快，这是由于温度的升高会导致硅橡胶绝缘电导率的增大。为消除Maxwell-Wagner-Sillars(MWS)极化电荷对空间电荷场的影响，本文认为图4中试样短路后SR／XLPE界面电荷为空间电荷效应所贡献，对此界面电荷体密度进行积分，得出界面电荷面密度随两端电极间温差的变化，如图5所示。由图5可知，短路后界面电荷面密度的积累量随温差的增大而增加。
4讨论电缆附件用硅橡胶作为无定型聚合物，由于体内无晶相，所以对外呈现较高的弹性。橡胶分子链在无定型(非晶)相中无规则排列，有利于电荷在体内的输运。由图3中电导率的测量结果可知，硅橡胶的电导率大于交联聚乙烯且对温度的依赖性远低于交联聚乙烯。一般来讲，多层介质复合界面属于不均匀介质，在直流或交流电场下界面极化的机理是自由电荷的移动。由于多层介质界面具有不连续性，所以界面更易于作为介质中的缺陷或陷阱来捕获自由电荷，形成空间电荷的局部积聚。界面电荷的极性与较高电导率、较高介电常数的介质所在一侧的电极极性相同。在直流电压施加的瞬间，介质内电场分布为暂态Laplace分布，界面电荷极性取决于介质介电常数。而在电压稳定后，介质内电场分布为稳态Poisson分布，界面电荷极性主要取决于介质电导率。由图3可知，硅橡胶电导率远高于交联聚乙烯，所以图4中界面电荷极性与硅橡胶侧的电极极性相同，以负电荷为主。另外，高温有利于降低电极注入阈值，由图4可知，温度梯度场下，阴极较多的电子注入硅橡胶体内并向界面迁移。且温度越高，电子越容易在硅橡胶体内迁移。电子的集中使得界面电荷显示为负极性，且电荷积累量随温差增大而增加。而此界面负电荷的存在将改变电缆绝缘与附件界面电场的分布。当不考虑界面空间电荷效应时，电缆运行中产生的温差会增大电缆与附件界面靠近应力锥侧电场强度。且温差越大，应力锥侧电场强度值就越高，如图8所示。由图5空间电荷测量结果可见，界面电荷极性与硅橡胶侧电极极性相同，有助于降低硅橡胶侧电场强度分布。因此当考虑界面空间电荷效应时，电缆线芯和附件外侧温差越大，界面空间电荷积累就越多，也就越有助于削弱硅橡胶内体电场强度，但是空间电荷的积累对界面靠近高压屏蔽管侧的轴向电场强度有增大作用。
5结论
本文利用SR／XLPE片状试样来模拟直流电缆与电缆附件运行条件，测量电极两侧不同温差下SR／XLPE双层介质体内以及界面的空间电荷特性，可得如下结论：
1)硅橡胶为无定型聚合物，在较低电场强度下(6 MV／m)就发生电荷注入。同时由于较高的电导率，SR／XLPE双层绝缘中界面电荷极性与硅橡胶侧的电极极性一致。
2)电极间温差的存在使电场强度由XLPE层向SR层扩散，增大了电缆与附件界面靠近应力锥侧的电场强度，且温差越大，应力锥侧的电场强度就越高。
3)温差的增大会加剧界面空间电荷的积累，空间电荷效应有助于削弱SR内体电场强度但对靠近高压屏蔽管侧的电场强度有增大作用。