高压电缆户外终端绝缘填充液的低温特性研究
导读
随着输电线路入地和城市建设的持续进行，高压电缆及其配套户外终端用量持续增长。电缆终端作为电缆本体与变压器等重要电气设备的连接部件，对电缆的密封绝缘具有重要作用。目前，国内110（66）kV及以上高压交联聚乙烯绝缘电力电缆户外终端主要采用“预制绝缘件+绝缘填充液+套管”的组合形式。
附件生产企业根据预制绝缘件型式和附件产品设计，选用不同类型的填充液。绝缘填充液既是密封防潮填充，又是终端增强绝缘的组成，终端安装时加入套管，其密封、绝缘等综合性能影响着终端运行的安全可靠性。目前，国内高压交联电缆配套的户外终端用量持续增长，该类终端多采用硅油、聚异丁烯作为绝缘填充液，国外相应绝缘材料选用与国内基本一致。
现有国家标准基于绝缘填充液高温、过热的运行条件提出了基础参数要求，使材料满足较高工作温度下不出现绝缘击穿或终端漏油等故障，但国家标准未规定低温对绝缘填充液的具体要求。近五年来，持续出现与绝缘填充液状态关联的户外终端局部放电甚至击穿故障，尤其在冬季运行期间终端故障占比明显增加，引起了用户和附件制造商的关注。某文献指出，绝缘填充液凝固是造成低温条件下高压电缆户外终端故障的主要原因。
精读
绝缘填充液低温性能及故障终端分析
1.低温特性及相关标准
目前，绝缘填充液相关的高压电缆附件国家标准包括GB/T 11017.3—2014、GB/T 18890.3—2015、GB/T 22078.3—2008，国家标准规定“液体绝缘填充剂应与相接触的绝缘材料及结构材料具有相容性。对乙丙橡胶应力锥，推荐采用硅油或聚异丁烯作为绝缘填充剂。对硅橡胶应力锥，推荐采用聚异丁烯或高黏度硅油作为绝缘填充剂。”国家标准附录中提供了绝缘填充液的基础参数，包括运动黏度、闪点、折光指数、击穿电压和体积电阻率等，但未给出低温下的性能要求。GB/T 21218—2007《电气用未使用过的硅绝缘液体》中规定了硅油的倾点指标，但未针对性给出电缆附件用途的具体要求。此外，硅油、聚异丁烯有相应材料的通用化工标准，包括HG/T 2366—2015，HG/T 4787—2014等，但缺乏与电气绝缘有关的技术指标。
绝缘填充液最低可流动的温度称为绝缘填充液的倾点，倾点是户外高压电气设备和装置的重要指标。在气候寒冷的地区，低倾点可确保绝缘填充液低温条件时在套管内的流动性，实现固-液界面的微隙填充和电气水平稳定。甲基硅油通常具有较好黏温性能，倾点可达-40℃甚至更低。目前，国内大部分高压电缆附件企业参照电缆附件国家标准推荐，根据预制绝缘件材质选择相应的填充液类型（如甲基硅油、聚异丁烯等），少量企业采用了高倾点的绝缘填充液（如聚异丁烯、改性硅油等）。
依据GB/T 3535-2006，以业内常用的5种绝缘填充液为代表进行取样测试，测试结果见表1。
表1 绝缘填充液倾点测试结果
由表1可知，3种甲基硅油的倾点均在-60℃以下，两种聚异丁烯的倾点较高，黏度较大的5号填充液倾点达到了-3 ℃。以样品4聚异丁烯为例，在倾点试验过程中，至-15 ℃时大部分凝固，到达倾点温度时则完全凝固，丧失流动性，如图1所示。
图1 绝缘填充液的液态和凝固情况
由图1可知，终端安装在环境温度较低的高海拔、高纬度地区，且采用倾点较高的绝缘填充液（如聚异丁烯）时，运行过程中容易出现绝缘填充液凝固情况。
2.低温条件故障终端分析
某文献对某一工作在较低环境温度的故障电缆户外终端进行解剖，发现其绝缘填充液出现了以下异常：①终端套管受损，内部绝缘填充液凝固，保持稳定的圆柱形态；②凝固的绝缘填充液与套管内壁可分离，与绝缘线芯可剥离；③凝固的绝缘填充液内表面或其内层出现放电炭痕；④电缆绝缘线芯击穿点位于预制橡胶绝缘件内，邻近绝缘屏蔽断口；邻近击穿点的电缆绝缘屏蔽片状烧蚀；⑤绝缘件的内部、内表面或外表面出现放电炭痕。
终端内部的放电主要发生在预制绝缘件内部、电缆与绝缘填充液-绝缘件界面。鉴于线路发生故障前未出现运行电压波动和暂态过电压情况，考虑故障原因为低温环境下绝缘填充液出现凝固现象，并在终端内部形成气泡、间隙，附着于绝缘件或电缆的表面，致使相应部位和界面电场出现改变，增加了局部放电概率。因此，需要研究绝缘填充液-绝缘件的界面处微缺陷对放电特性的影响，并对电缆终端运行时绝缘填充液热场分布情况进行研究。
终端热场与电场仿真分析
根据前文所述，低温环境下绝缘填充液会出现凝固的情况，且绝缘填充液的凝固可能会导致绝缘填充液-绝缘件界面的局部放电。因此需要对低温下终端内部的绝缘填充液进行热场仿真分析和电场仿真分析，从热场角度解释终端内部绝缘填充液凝固的成因，并从电场的角度分析绝缘填充液凝固的影响。
1.热场仿真
本工作采用COMSOL仿真软件对户外终端的内部绝缘填充液在不同物态下绝缘填充液-主绝缘界面的热场分布特性进行仿真研究。按照220kV 1×2500 mm²电缆户外终端搭建仿真模型，热场仿真参数见表2。
表2 热场仿真参数设置
本工作构建的户外终端模型见图2。
图2 户外终端仿真模型
从传热学理论中散热及产热的角度，可分析出负荷和环境温度是影响绝缘填充液温度的两个基本要素。采用上述户外终端模型，通过仿真可分析负荷及环境温度的变化对户外终端内部绝缘填充液热场分布状况的影响。设置模型中导体部分通过电流为150A，并分别在外部环境温度为-10，-15，-20，-25 ℃时进行热场仿真计算，结果见图3和表3。
图3 热场仿真云图（外部环境温度为-25℃）
表3 环境温度对填充液温度分布的影响（单位：℃）
由图3和表3可知，保持线路通过电流不变时，电缆户外终端内部绝缘填充液的稳态温度最低值与环境温度相差很小，可以近似等于当前环境温度。
参考表1中绝缘填充液样品4的性能，设置外部环境温度为-20℃，进行负荷电流为150，300，450，600A的热场仿真计算，结果见表4。
表4 不同负荷下绝缘填充液的温度分布
由表4可知，负荷的变化对绝缘填充液的最高温度影响较小，并且绝缘填充液的最低温度仍与环境温度基本相同，因此仅考虑负荷变化，终端内部仍存在较高的绝缘填充液大量凝固风险；终端内部绝缘填充液的最低工作温度可采用当前环境温度进行估算。
2.电场仿真
在较低的温度下，绝缘填充液凝固后会出现凝固收缩以及绝缘件弹性下降等问题，另外绝缘填充液内部溶解气体逸出，很可能导致绝缘填充液-绝缘件界面出现气泡缺陷。因此，需要对气泡出现前后的绝缘填充液-绝缘件界面电场进行分析。户外终端仿真模型的电场仿真参数设置见表5。
表5 电场仿真参数设置
在预制绝缘件上沿设置0.5mm外径的气泡缺陷，施加工频相电压127kV，电场仿真结果见图4。
图4 电场仿真结果
由图4可知，存在气泡的绝缘填充液-绝缘件界面的场强，在气泡处达到最大值11.47kV·mm-1，相较于无气泡时的0.72kV·mm-1，电场强度大幅度增加，缺陷位置产生气体放电并作用于周边的固体和液体绝缘材料，由此带来的缺陷将进一步影响邻近的预制绝缘件和电缆的电场分布。
本工作针对低温条件下户外电缆终端故障及绝缘填充液异常，进行了终端建模、缺陷模拟，通过电场仿真分析和热场仿真分析，得出以下结论：
1.热场仿真分析结果显示，环境温度的变化与负荷的变化均会影响终端内部绝缘填充液的温度分布情况，但绝缘填充液的最低温度与环境温度基本相同。因此实际中可以考虑采用环境温度估计终端内部绝缘填充液的最低工作温度，并指导绝缘填充液选择。
2.电场仿真分析结果显示，绝缘填充液-绝缘件界面气泡处的电场强度大幅度增加，局部放电概率也大幅度增加。
户外电缆终端用绝缘填充液选型应结合终端设计或变更，进行充分的材料验证。既要关注绝缘填充液的适配性和高温老化性能，也应关注其低温性能。低温环境中，应选用二甲基硅油、倾点低于极限低温的聚异丁烯或经验证的改性硅油。今后可在绝缘填充液标准化的基础上，进一步开展低温对终端内固体绝缘结构及材料性能影响研究、固-液协同效应机理研究，以及填充介质复合增强技术的研究。
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