什么是油浸纸绝缘电缆的作用原理？

油浸纸绝缘电缆（OILFLEX或PILC）是一种利用油-纸复合介质实现高绝缘强度的经典电缆结构，其核心原理在于通过油与纸的协同作用构建多重绝缘屏障。尽管逐渐被交联聚乙烯（XLPE）电缆替代，但在高压直流输电等特殊场景仍不可替代。以下从材料特性、绝缘机制、电场控制及老化防护四层剖析其作用原理：

一、材料协同：油与纸的物理化学互补

1.绝缘纸功能（木浆/牛皮纸）

物理屏障：多层纸带螺旋缠绕导体（重叠率≥25%），形成厚度精确的纤维素骨架（0.08~0.15mm/层），阻断放电通道；

介电性能：相对介电常数ε_r≈3.5（60Hz），击穿场强＞60kV/mm（20℃干燥态），但天然孔隙需油脂填充。

2.绝缘油作用（矿物油/合成烷基苯）

孔隙填充：低粘度油（40℃黏度＜8cSt）渗入纸层微孔，消除气隙（空气ε_r=1易电离）；

散热介质：热导率（0.15W/m·K）＞空气10倍，强化导体散热；

化学稳定：精炼油含抗氧剂（如DBPC），抑制酸性物质生成。

>关键配合：油浸渍使复合介质ε_r降至3.0~3.3，介质损耗tanδ＜0.002（90℃），优于单一材料。

二、绝缘机制：分层阻断电荷迁移

1.界面极化抑制

油-纸界面存在麦克斯韦-瓦格纳极化效应，多层交叠结构使界面电荷积聚分散，减少局部电场畸变。

示例：110kV电缆需绕包50层纸带，层间油膜形成数百万个微型电容，均匀化电场分布。

2.电离防护双保险

气隙消除：油填充纸纤维间0.1~10μm孔隙，将局部放电起始电压（PDIV）提升至工作电压2倍以上；

电荷吸附：油中芳香烃分子捕获自由电子，抑制电子崩发展（电离系数α下降30%）。

三、电场控制：轴向与径向双重优化

>结构示例：220kV电缆绝缘厚度达20mm，采用“导体屏蔽-绝缘-绝缘屏蔽-金属护套”四层结构，工作场强控制在8~10kV/mm。

四、压力系统：维持绝缘油动态平衡

1.重力供油箱（GFP）

电缆高位安装油槽（落差≥15m），油压维持0.02~0.3MPa，补偿热胀冷缩导致的油体积变化；

油路连接波纹铝管，配置压力继电器（动作阈值±10%）。

2.充油电缆（OF）

导体中心设螺旋油道（直径6~12mm），泵站强制循环冷却油，适用500kV以上等级；

油流量≥100L/min，确保温升≤15K（载流量提升30%）。

五、老化防护：材料与结构的抗劣化设计

1.水分阻隔

金属护套（铅套厚度≥2.5mm）防水透湿率＜0.1g/m²·day；

阻水带（聚丙烯酸钠）遇水膨胀300倍，堵塞渗漏路径。

2.热老化延缓

绝缘纸聚合度（DP）≥1000，90℃下寿命＞40年（阿伦尼乌斯模型）；

油中添加BTA缓蚀剂（苯并三氮唑），抑制铜导体氧化。

3.电树抑制

油中精控含气量（O₂＜0.1%，N₂＜0.5%），防止气隙放电引发电树枝；

绝缘纸碱处理（pH＞9.5），增强抗电解腐蚀能力。

六、性能边界：油纸电缆的物理极限

电压上限：交流≤500kV（直流±600kV），受限于油纸介质厚度与重量；

温度窗口：长期运行90℃，短路允许250℃/2s（油碳化温度＞300℃）；

敷设限制：最大落差≤30m（重力供油系统），弯曲半径≥20倍外径。

技术总结：经典结构的不可替代性

油浸纸绝缘电缆凭借自愈性绝缘（油流动修复局部缺陷）及超高场强耐受，至今仍是高压直流输电的首选（如±500kV葛洲坝工程）。其原理本质是材料协同（油填隙）+结构优化（多层屏蔽）+动态维护（压力供油）的三位一体体系。然而在环保与成本压力下，新型PPLP（聚丙烯层压纸）绝缘正逐步替代传统纸绝缘，将介电强度进一步提升至＞80kV/mm。