高频谐波对电缆终端表面热点形成的影响

对于非线性应力控制型电缆，高频谐波会导致电缆半导电层截断位置处的局部电场强度增大、总功率损耗密度增加，从而在电缆终端表面形成过热点；对于应力锥型电缆终端，由于材料的电导率受谐波频率变化的影响不大，总功率损耗密度也很小，因而其发热并不严重，没有热点出现。

目前，随着城市电力电缆使用量的快速增加，与之配合使用的电缆终端应用越来越普遍，但是电缆终端却是电力电缆线路中的相对薄弱环节，电缆终端击穿甚至终端炸头的事件时有发生，电缆终端的运行和维护成为困扰电力运行单位的一大难题。

伴随着最近几年的发展，交-直-交供电系统的应用，尤其是一些高压、大功率等非线性电力电子器件的广泛应用，加之接受端系统设备复杂性的增加，特别是一些大容量和非线性负载的使用，加剧了电网系统中的高频谐波等一系列问题。谐波电压中含有众多的高次谐波成分，高频谐波使设备的绝缘问题变得严重，导致设备出现热故障、击穿故障和过早损坏等一系列问题。

为理清高频谐波对电缆终端表面热点形成的影响，国网宁夏电力有限公司超高压公司、国网宁夏电力有限公司的研究人员赵庆杰、史磊、柴斌，在2022年第5期《电气技术》上撰文，对两种不同类型的电缆终端建立其电-热耦合场有限元仿真模型，并利用COMSOL仿真软件对电缆终端表面热点现象进行电-热耦合场有限元仿真，从而深入理解电缆终端表面热点受高频谐波变化影响而出现的特征，理清谐波频率对电缆终端内部瞬态电场及表面热点的具体影响。

研究人员指出，本课题所使用的电缆终端为SG型电缆终端和GEO型电缆终端。其中SG型电缆终端的非线性应力控制层材料主要成分是半导电材料，其主要作用是疏散外半导电层截断处集中的电场，当外半导电层截断处的局部电场强度增大时，其所对应的电导率成指数规律增加，有助于电场能量的释放。GEO型电缆终端利用应力锥的几何结构特点将电场分散到整个锥形结构上，能够有效控制电场强度。两种电缆终端简化模型如图1所示。

图1 两种电缆终端简化模型

研究人员表示，通过在不同谐波频率作用下对两种类型电缆终端的电场强度及总功率损耗密度的仿真分析可以得出，对于SG型电缆终端，电场强度最强处在其半导电层截断处附近，同时，在此处的电场畸变比较严重，总功率损耗密度最大，发热也比较严重，因此，此处极易形成局部热点。

随着谐波频率的增大，SG型电缆终端处的局部功率损耗密度不断升高，特别是总功率损耗密度成指数关系升高。而对于GEO型电缆终端，由于其材料的不同，电导率受谐波频率变化的影响并不大，因而总功率损耗密度也不大。

另外，随着谐波频率的增加，SG型和GEO型电缆终端的电场强度及总功率损耗密度均在增加，并且SG型电缆终端的总功率损耗密度在增长率和数值上要明显高于GEO型电缆终端，使SG型电缆终端具有明显的热效应。