高压直流输电系统中，高压直流电缆作为柔性直流技术的核心组件，在远距离电力输送、跨海联网及新能源并网场景中扮演着不可替代的角色。随着电缆制造技术的进步与电压等级的提升，国内外厂商持续开展电缆绝缘层厚度的优化设计研究。高压直流电缆绝缘厚度的确定需综合考虑绝缘材料特性、半导电屏蔽层性能、导体运行温度、生产工艺控制及实际运行环境等多维度因素。绝缘层厚度的科学优化具有双重价值：既可通过减少材料用量降低电缆重量，提升运输与敷设效率；又能通过改善绝缘层内部电场分布均匀性，降低局部缺陷引发的局部放电风险，增强电缆运行安全性。高压直流电缆载流量和敷设方式是影响电缆绝缘层温度场分布的重要因素。在长期运行工作过程中，绝缘层持续高温会加速材料老化，容易发生击穿，尤其是在夏季，环境温度和高负荷工作的情况下，绝缘层温升较为严重，容易引起电缆绝缘薄弱处发生局部放电。XLPE电缆的寿命在工作温度超过长期允许的8%时会减半；超过长期允许的15%时寿命会变成原来的1/4，采用XLPE绝缘的高压直流电缆，目前最高运行温度为70℃，载流量是影响电缆温度的主要因素，对于不同绝缘厚度的电缆其载流量承受能力不同。此外，随着智慧城市的建设，地下电缆敷设方式不断发展，主要包括管道敷设和隧道敷设，不同的敷设方式对电缆的散热具有较大的影响。本研究聚焦高压直流电缆绝缘层与半导电屏蔽层的电阻-导热复合特性分析，构建了电-热多物理场耦合仿真模型，系统探究了绝缘厚度对电缆电场与温度场分布的影响规律，并深入讨论了载流量及敷设方式对不同厚度绝缘层电缆温度场分布的作用机制。
图1 不同敷设方式下电缆仿真结构示意图
结果指出，交联聚乙烯电阻率随着温度的升高（25-90℃），电阻率下降约2-3个量级，半导电屏蔽层电阻率由21.4Ω·cm增加至75.5Ω·cm；整体上，半导电屏蔽层导热系数约为绝缘层的两倍，室温下二者导热系数分别为0.32W/(m·K)和0.68W/(m·K)。
图2 不同敷设方式下绝缘层内侧温度随厚度的变化
另外，随着电缆绝缘层厚度的增加（20-35mm），绝缘内侧电场强度从31.8kV/mm降低到20.8kV/mm，降低了约34%；绝缘层内外温度差由8.2℃增加至12.6℃。当载流量为2400A时，绝缘层内侧温度达到90℃左右，随着载流量的增加，绝缘层温差由800A的3.5℃，增加到2400A的31.4℃。当载流量大于约1200A时，由于绝缘层内侧和外侧电阻率变化，电缆绝缘层出现电场翻转现象。
通过对比不同敷设方式，发现隧道敷设的散热最好，其次是直埋敷设，管道敷设的散热相对较差；直埋敷设导体的温度为81℃，管道敷设导体的温度为86.9℃，隧道敷设导体的温度为61.4℃。此外，随着电缆绝缘厚度的增加，三种敷设的绝缘层内侧温度也随之上升，当绝缘层厚度从20mm增加到35mm时，直埋敷设绝缘层内侧温度由78℃增加到82.4℃，管道敷设温度由83.1℃增加到88℃，隧道敷设温度则由58℃增加到63℃。
