2018中压电缆附件电场应力控制的发展

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　　摘 要：为了使电缆使用超过30年，用于中压电缆系统中的电缆附件需要有着非常可靠的应力控制单元，所谓的电场应力控制是在减小电缆在屏蔽断口处的电应力。本文将着重介绍应力控制单元的发展，将提及到以前从未尝试过的金属氧化物基质的应力控制方式。
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　　关键词：应力控制技术 电缆附件
　　
　　一、概要
　　在中压同轴电缆结构中，绝缘屏蔽层被连接至接地系统，使内部电场为呈放射状分布的均匀场强，当在安装电缆终端或中间接头时，电缆外部的外半导电层被剥去，那么内部的场强就被发生畸变，变为一不均匀场强。中压系统的电缆附件需要控制电场应力使之低于绝缘介质的击穿水平，和电缆一样，电缆附件的使用寿命也必须要超过30年。附件的应力控制单元首要的目的就是控制屏蔽层端口处的高场强，如果没有应力控制，屏蔽端口就会发生放电，终端的使用寿命被缩小，如图1所示在没有应力控制的情况下，中压电缆在屏蔽端口处的应力集中。在沿着主绝缘表面在外半导电层端口处的场强最高。
　　图2显示在临界部位的电气放电（电晕），此处表面击穿强度下降，如果电场没有被控制，终端将在此处发生故障。为了避免运行过程中屏蔽端口的放电，保证30年的使用寿命，对于5KV及以上电压等级的屏蔽电缆，要求必须要进行应力控制。
　　图2 屏蔽断口处电晕放电
　　二、几何法
　　传统减小电应力以及确保电缆长期使用的方式是在电缆屏蔽的端口安装应力锥，电极与电缆主绝缘之间的绝缘材料可以被看成一附加电容，会导致电位的重新分配，不同的数学模型被用于应力锥的设计，这种方法被称为几何法或电容应力控制法，在许多文献中被提及到，也被广泛使用。用这种方式控制应力的设备都是终端或中间接头，锥形电极被模制在体积电阻率为R为102Ωcm的弹性橡胶内，电缆附件包括了一由金属（铅或铝）制作的锥体，被焊接或用金属箔缠绕到电缆的金属屏蔽层上。
　　三、阻抗法
　　工程师们可以修改或制作特殊性能的聚合材料来满足物理和电气性能。碳黑材料因为有着非常好的电气性能已经成为非常重要的混合材料。在中压电缆中，通过改变绝缘聚合材料中的碳黑填充物多少来调整其体积电阻来控制电场应力，然而整个材料的体积电阻与所添加的填充物并不成线性关系。
　　这个现象主要是聚合物中导电填充物的统计规律有关，一个更准确推断的填充物和聚合物之间的关系是当填充物足够多超过一定程度时，在聚合物内可能会形成一导电通道，然而，测量聚合物基质内的分布导电微粒却远低于预期。
　　混合和制作工艺决定了最终产品的特性。对于高压和中压产品应力控制的应用要求对聚合物和碳黑材料必须要精心选择，材料的选择和一系列的工艺方法是得到好的电气特性最基本要求。
　　当直流电场施加于聚合物上时，体积电阻将展示一个非线性的，这对中压电缆中间接头和终端应力控制是有帮助的。除了碳黑填充物，其他像SiC和ZnO都可以被用在电场应力控制上，这将在本文的下面被描述。
　　先前的描述是在热塑性和热弹性复合物发现的。今天最主要的两个工艺是化学交联和辐照交联。化学交联主要用于电缆工业中，而辐照交联对高级的材料技术和复杂的聚合物例如像先前描述过应力梯度更有吸引力。对于可再生的应用，建议用辐照交联。辐照工艺使得聚合物公式不受影响，也不会像化学交联那样产生化学副产物，这可能影响到材料所期望的性能和长期老化性能。受高能量光束辐照的半晶体聚合物将它无序的部分变成了三维的晶格。由此产生的结果是该掺有杂质的聚合物在物理特性上产生了基本变化。
　　超过晶体熔点后聚合物显示了弹性的特性，并能变化不同形状和尺寸，当材料再一次冷却后会固化。在聚合物形态转变过程中设计阻抗保持稳定，并在需要的限制内保持电气应力梯度分布。辐照充分渐少了半晶体聚合物的不规则成分。该聚合物显示了增强了的耐化学性，和降低的MVT，改善了形状稳定性（在溶解条件下膨胀减少），并改善了气密性。
　　四、金属氧化剂基质
　　新开发的应力控制系统是基于特殊的陶瓷粉末，其操作方法有别于文章前面提到的碳黑填充应力控制系统。由聚合物和陶瓷粉末合成的应力控制化合物，可提供独一无二的电气性能。图4展示了在电子显微镜下观察的陶瓷粉末粒子。
　　特别研制的煅烧方法可从每个单独的粒子产生球形变阻器。变阻器的中心是导电的，但由单独的粒子建立界面的边缘层是绝缘程度很好的。这些非常薄的边界控制着陶瓷内的电流通道。两个粒子之间的每个层，也被称作边界颗粒，象征一个定义了域值电压的微变阻器。当外施电压超了阈值电压时这些边界颗粒就具有了导电性。多个微变阻器构成了一个三维电气网络，这里，陶瓷粉末的电气性能主要受ZnO化学特性和煅烧技术的影响，这与碳黑技术是非常不同的。煅烧后的陶瓷粉末嵌在一个聚合体机制内。这种特殊的化合物可以用于挤出或注塑工艺。目前的制造技术完全可以加工此种材料。
　　图4给出了陶瓷粉末的特性以及特性阻抗(ohm cm)和电场(KV/cm)的关系。这种材料提供了极端非线性特性并得到了一个阈值电压(转换点)。这个特性和二极管或变阻器(两极都可用)的相似，在半导体技术方面是众所周知的
　　图4 陶瓷粉末的电气特性
　　如果电应力(外施电压)低于阈值电压，对于这种材料在I/U特性表的线性区域内像准绝缘体。当电气应力升高并达到阈值电压，陶瓷粒子(微变阻器)的完全转换并释放自由电子。较高的电应力将被限制并沿着应力控制体系保持恒定。这个技术补偿了由电气瞬变和脉冲电压导致的材料过应力，这对于在电气分布网络里需求是非常有用的。阈值电压可按需要调整从而为电缆附件或其它电气组件、设备的应力控制机制设计需求。
　　ZnO粒子用特别改良的聚乙烯做为载体。单独的ZnO粒子的边界层是高度绝缘的，这些非常薄的边界控制着陶瓷内的电流通道。等效电气回路可被设计成一个复杂的变阻器、电阻和电容的网络。
　　典型的电气性能如图5以中压终端为例。电缆的关键点是外导电层的边缘。电缆外被的击穿引起非常高的电气应力(电场集中)，因此必须使应力控制得到一个平稳的电场分布。
　　图5 ZnO微阻器的电气特性
　　如果电应力升高并达到转换点，根据电流电压特性，单独的陶瓷粒子(微变阻器)具有了导电性。根据转换点的设计，电应力总是有限的，这可避免关键区域的过应力。这个具有应力限制的先进的基质在电网中高AC和BIL等级时表现非常好(瞬时电压，雷电过电压和电气开关的分合操作等)。
　　电应力根据转换点的设计总是有限的。对于更高电压等级，更长的应力控制距离会被建立，也是必要的。这个非线性应力控制特性提供的极好的电气性能。
　　五、结论
　　金属氧化物应力控制基质是独一无二的，以前从未尝试过。这个基质提供了绝好的沿终端的电应力分布，并防止了尤其是随着高电气脉冲的材料过应力。这个基质可以很好的处理电网中的外部过电压和瞬时电压。加入了含杂质的陶瓷粉末的聚合物应力控制聚合物可以注塑也可以挤出。根据这一独特的技术，可以设计多种应用。
　　参考文献：
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　　 Institute of Electrical Engineers, January/February