湖南省电线电缆产品质量监督检验中心 黄 海

最初国内常用的电除尘电力电缆主要是油浸纸绝缘电缆，但这种电缆存在生产工艺复杂、敷设施工时接头不便、受场地落差影响大、使用过程中容易产生漏油且受潮后会大幅降低绝缘电气性能等不利因素。交联聚乙烯绝缘高压直流电缆与油浸纸绝缘电缆相比，具有线路损耗小、散热性能好、制造工艺成熟、安装敷设简便、工作环境要求低等优势。

1 电除尘电力电缆绝缘空间电荷特性

电除尘器通常需要使用正电荷或负电荷，电缆的交联聚乙烯绝缘介质会长时间工作在固定的直流电压环境下，正电荷或负电荷会不断向绝缘介质内部注入，导致绝缘的导体屏蔽和绝缘屏蔽交界面以及绝缘介质内部都会产生空间电荷。交联聚乙烯绝缘材料本身具有一定抑制产生空间电荷的能力，电缆运行初期产生的空间电荷数量并不多，但在电缆长时间运行后空间电荷会不断的积聚，从而导致绝缘介质内出现畸变的局部场强，受到长时间作用的热应力和电场应力，绝缘介质材料老化被加速，造成交联聚乙烯绝缘材料内部缺陷增多，导致绝缘介质的击穿和老化，使电缆的运行安全出现隐患。相关研究结果显示，对直流电力电缆安全运行造成影响的主要因素就是绝缘介质内电场出现畸变而产生的电气击穿，这种绝缘介质内产生的畸变电场主要有以下两个原因。

1.1 绝缘材料的电导率随温度和场强变化

当电缆工作在交流电场时，绝缘材料的介电常数ε通常不会因温度或电场出现较明显变化，可看做绝缘的介电常数保持恒定。但在直流电场下绝缘材料的电导率σ则直接影响了内部电场的分布。绝缘介质的电导率不同于介电常数，易受工作温度和运行电场的影响。电缆空载时电场强度最高值出现在绝缘层内侧；电缆负载时导体损耗发热造成电缆的绝缘层内侧和外侧间产生温度差，绝缘层内侧的绝缘电阻远低于绝缘层外侧的绝缘电阻，电场强度最高值产生在绝缘层外侧（图1），这与交流工况下电缆绝缘导体屏蔽表面的电场强度分布最高、绝缘表面的电场强度分布最小的情况完全相反。

图1 不同工况下绝缘层的电场强度

1.2 绝缘材料的空间电荷积聚

有文献表明，长时间受到直流电场的作用时电力电缆的绝缘层中会积聚异质空间电荷，导体屏蔽层交界面的电场强度可增强到理论值的8倍[1]。在电压极性逆相的瞬间，直流电力电缆上的电压可增加到原始传输电压的2.5倍，很易导致电缆击穿[2]。这是因为交联聚乙烯绝缘在生产过程中易出现大量空间电荷陷阱，受到直流电场的影响空间电荷积聚非常容易，导致电缆绝缘局部电场强度增加，使绝缘击穿低于设计电场。

2 电除尘电力电缆绝缘的击穿场强

在直流电压工况下，绝缘材料的电阻系数是温度和电场的函数，绝缘电阻系数随温度的升高呈指数下降，而电导则随温度的升高呈指数增长，通过大量的测试可推导出公式，式中ρ0为标准温度下的电阻率；α为绝缘材料的温度系数；β为绝缘材料的场强系数[3]。电场强度在绝缘层半径上的分布则满足下式，式中r1为导体屏蔽半径；r2为绝缘层半径；V为工作电压；λ为绝缘材料的热导率：

3 电除尘电力电缆绝缘的设计

3.1 绝缘材料的选择

为了解交联聚乙烯绝缘材料在直流工况下空间电荷积聚问题，研究人员对空间电荷抑制技术开展了大量研究，常用解决办法一是提高交联聚乙烯材料的纯度、二是在交联聚乙烯材料中增加适当浓度的无机填料或极性基团如纳米SiO2、纳米MgO等。试验表明，绝缘材料中的无机填料或极性基团能有效捕集交联剂分解残渣、离子杂质等载流子，从而抑制电荷的运动，提高绝缘材料的体积电阻率。但考虑到纳米材料的不同介电性能，最佳填充浓度将有所不同，具体填充参数应根据电缆绝缘的实际需要选择[4]。

工程中常用的直流电缆材料通常使用以北欧化学工业为代表的超纯交联聚乙烯材料和以陶氏化学工业为代表的纳米改性交联聚乙烯材料。两种材料的目的都是为了提高直流电力电缆抑制空间电荷产生的能力，并确保直流电缆的安全稳定运行。

3.2 绝缘层厚度的确定

电除尘电力电缆工作时承受电压为Vdc=V0×K1×K2×K3，式中V0为额定工作电压、K1为老化系数、K2为温度系数、K3为不确定性的安全系数；需要耐受的雷电冲击电压为Vimp=[(P×M+K)×V0]×K1×K2×K3，式中V0为额定工作电压、P为避雷器保护等级、M为避雷器保护等级容差、K为空间电荷对冲击击穿电压的影响指数、K1为老化系数、K2为温度系数、K3为不确定性的安全系数。

在实际使用中，电除尘电力电缆由于空间电荷特性，电缆工作时绝缘材料中储存的空间电荷不能及时释放，会与极性反转时的冲击电压形成电场叠加的情况，此时的实际电场强度为工频电场强度与冲击电场强调之和，即V=Vimp'+k×Vdc，式中imp'为工频电压与冲击电压产生的叠加电压、k为与叠加电压相关的参数；绝缘厚度d选择上述三种电压下计算的最大值，即，式中Ed为工频电压电场强度、Eimp为冲击电压电场强度、E为叠加电压电场强度。

3.3 绝缘层的脱气处理

脱气处理是将挤包的绝缘线芯放置在专门的脱气房内，通过循环的热空气，经过一段时间后脱除绝缘层中交联副产物的工艺过程。交联聚乙烯在绝缘挤出过程中会产生交联副产物，如α-甲基苯乙烯、枯基醇、苯乙酮、甲烷和水等[5]，在高电场下，交联副产物电解产生的杂质离子将在绝缘层和半导体屏蔽层交界面间形成不均匀的空间电荷，增强局部电场，很容易在交界处造成击穿[6]。为避免这一问题的产生，绝缘层挤包完成后一定要对绝缘线芯进行脱气处理。相关研究表明，相同厚度的绝缘材料，随着脱气时间的增加击穿场强明显增大，厚度越厚脱气对击穿场强的增强作用越明显，见图2[7]。

图2 不同脱气时间后的击穿场强比较

综上，电除尘器用交联聚乙烯绝缘电力电缆是一种特殊的中压直流电缆，绝缘设计时需充分考虑空间电荷特性，选用具有空间电荷抑制能力和高纯度的交联聚乙烯材料，绝缘线芯必须进行脱气工艺处理来保证电缆性能的稳定。