李如鋒，梁 奕，張軍建，趙習(xí)建

(國(guó)網(wǎng)邯鄲市供電公司，河北 邯鄲 056000)

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微間隙形狀對(duì)電纜中間接頭場(chǎng)強(qiáng)分布影響性研究

李如鋒，梁 奕，張軍建，趙習(xí)建

(國(guó)網(wǎng)邯鄲市供電公司，河北 邯鄲 056000)

因近年來(lái)由電纜中間接頭造成的電纜絕緣擊穿、電纜爆炸的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，其中主要原因是局部場(chǎng)強(qiáng)畸變而引起的局部放電，而局部微間隙的存在是造成場(chǎng)強(qiáng)過(guò)于集中的主要因素之一，因此針對(duì)電纜中間接頭存在不同形狀的局部微間隙進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)分析是有意義的。通過(guò)對(duì)含有局部微間隙的電纜中間接頭進(jìn)行有限元分析求解，結(jié)果表明微間隙存在，會(huì)使內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，且場(chǎng)強(qiáng)的畸變程序與微間隙的面積成正比關(guān)系；微間隙的面積相同、形狀不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值是不同的，圓斑狀間隙比較于其它間隙形狀時(shí)，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值最小，但應(yīng)力錐處場(chǎng)強(qiáng)最大；而正方形狀間隙，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值取到最大值。直接表明局部微間隙形狀對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布是有顯著影響的。

電纜中間接頭；局部微間隙；形狀；場(chǎng)強(qiáng)

因交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)有著傳統(tǒng)電纜更多優(yōu)點(diǎn)，如允許溫度高、介質(zhì)損耗小、電氣強(qiáng)度高、重量輕等，所以被大量使用在城市供電系統(tǒng)中。但是電力電纜的長(zhǎng)度受生產(chǎn)技術(shù)，運(yùn)輸條件和施工等條件限制，在實(shí)際生產(chǎn)中需要使用大量的中間接頭。大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，電纜接頭已成為電力電纜供電系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)[1,2]。在安裝的過(guò)程中，需要將電纜的內(nèi)、外半導(dǎo)電層和金屬屏蔽層切掉一部分，則使電纜的切斷口處電位的等位面嚴(yán)重扭曲，附近的電場(chǎng)過(guò)于集中，不僅有沿著電纜接頭長(zhǎng)度的軸向分量，還有沿著電纜半徑的徑向分量[2-4]。對(duì)近十年來(lái)全國(guó)XLPE電力電纜運(yùn)行故障類型和數(shù)量的統(tǒng)計(jì)分析表明,電纜中間接頭擊穿故障的比例約占電纜運(yùn)行故障總數(shù)的31%。其中因多層固體復(fù)合介質(zhì)沿面放電原因?qū)е陆宇^擊穿故障約占電纜接頭故障總數(shù)的97%以上[5]。

1 微間隙產(chǎn)生

因現(xiàn)場(chǎng)電纜中間接頭安裝過(guò)程中，均采用現(xiàn)場(chǎng)人工手工制作。由于安裝完成后接頭后內(nèi)殘留的微量灰塵、導(dǎo)電微粒、氣隙、水分等雜質(zhì)，這些微雜質(zhì)即是構(gòu)成電纜中間接頭界面存在局部微間隙之一，同時(shí)也是潛伏性故障隱患主要因素之一。另外，即使是良好性能的電纜，由于生產(chǎn)過(guò)程中的工藝問(wèn)題，使介質(zhì)層間或介質(zhì)與電極之間或介質(zhì)內(nèi)部留下有小氣隙，或是因?yàn)榻n劑冷卻時(shí)收縮或運(yùn)行中的熱脹冷縮造成小氣隙，又或是介質(zhì)在運(yùn)行中分解出氣體，形成小氣泡，也或是大氣中的水分侵入后在電場(chǎng)作用下電離造成小氣泡，這些客觀因素的存在，均會(huì)使電纜中間接頭界面處存在局部微間隙。

表2 電纜中間不同微間隙尺寸對(duì)應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值比較

局部微間隙的存在，則會(huì)形成高強(qiáng)度的局部集中電場(chǎng)，而局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高，是放電的產(chǎn)生與發(fā)展的源泉[6]。會(huì)極易引發(fā)局部放電， 隨著放電的發(fā)生發(fā)展，電纜本體的絕緣介質(zhì)被分解，會(huì)產(chǎn)生有導(dǎo)電性的黑色炭顆粒，逐漸在界面上形成放電通道，由應(yīng)激效應(yīng)，更一步引起電場(chǎng)的畸變，最終導(dǎo)致電纜附件絕緣擊穿。因此，對(duì)電纜局部微間隙的場(chǎng)強(qiáng)分析討論，是很有必要的。

2 微間隙對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的影響分析

2.1 微間隙尺寸不同對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布影響

為了對(duì)定性分析微間隙對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響，文中對(duì)有限元分析軟件對(duì)10 kV電纜中間接頭進(jìn)行建模，又因電纜中間接頭可視為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu), 則可以用二維場(chǎng)來(lái)計(jì)算其內(nèi)部的電場(chǎng)分布[7]，同時(shí)由于工頻電壓下電場(chǎng)隨時(shí)間變化緩慢，計(jì)算時(shí)可按電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)來(lái)處理[8]。通過(guò)查詢相關(guān)資料，得到電纜中間接頭相關(guān)材料屬性見(jiàn)表1[9]。

表1 電纜中間接頭各材料屬性

圖1 不同間隙場(chǎng)強(qiáng)分布云圖

同時(shí)，為了更一步研究圓斑狀間隙尺寸大小對(duì)電纜中間接頭應(yīng)力錐處最大場(chǎng)強(qiáng)、微間隙內(nèi)部最大場(chǎng)強(qiáng)的影響，現(xiàn)羅列出不同尺寸時(shí)對(duì)應(yīng)各場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，如表2所示。

從表2中可以看出，當(dāng)圓斑狀微間隙存在時(shí)，會(huì)對(duì)電纜中間接頭場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生影響，間隙的存在會(huì)對(duì)間隙內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重畸變的場(chǎng)強(qiáng)，間隙內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值隨著間隙尺寸的增大而增大，對(duì)應(yīng)1、4 mm時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值比無(wú)間隙時(shí)分別高29.17%、38.17%，且隨著間隙處增大，場(chǎng)強(qiáng)增大幅度則更為顯著，由于應(yīng)激效應(yīng)可知，間隙增大致使場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)一步增大，畸變的場(chǎng)強(qiáng)可能使內(nèi)部發(fā)生局部放電，電蝕的作用則使微間隙進(jìn)一步加大，從而又進(jìn)步加大場(chǎng)強(qiáng)，久之，會(huì)造成內(nèi)部形成碳化通道，進(jìn)而發(fā)生擊穿。而對(duì)應(yīng)力錐處最大場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值分析得知，間隙尺寸比較小時(shí)，應(yīng)力錐處場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值比無(wú)間隙時(shí)要偏大，而隨著尺寸的增大，場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值會(huì)隨著減小，如間隙為0.5、4 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)應(yīng)力錐處場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值比無(wú)間隙時(shí)場(chǎng)強(qiáng)分別高于3.71%、-9.1%。整體上分析，微間隙的存在對(duì)改變間隙內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)效果顯著，而對(duì)應(yīng)力錐處場(chǎng)強(qiáng)影響作用相對(duì)較小。

2.2 不同微間隙形狀、相同間隙面積對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布影響

因外界環(huán)境因素或者是其它客觀因素的不確定性，導(dǎo)致中間接頭存在不同形狀的局部微間隙，現(xiàn)設(shè)定局部微間隙為以下不同形狀：圓斑狀、正方形、長(zhǎng)方形、橢圓。通過(guò)編寫不同APDL程序以實(shí)現(xiàn)不同形狀的微間隙，因研究形狀參數(shù)對(duì)電纜中間接頭場(chǎng)強(qiáng)分布的影響，設(shè)置各不同形狀間隙的面積是一致的，以上小節(jié)面積圓斑尺寸為3 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)面積為3.14 mm×3 mm×3 mm為基本標(biāo)準(zhǔn)，則微間隙為正方形形狀時(shí)，其對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)為5.137 mm，但在長(zhǎng)方形形狀時(shí)，可設(shè)長(zhǎng)乘寬分別為4 mm×7.1 mm，同時(shí)又可令7.1 mm×4 mm，即表2中分別列出不同的長(zhǎng)與寬尺寸時(shí)，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，即長(zhǎng)方形1，長(zhǎng)方形2。同理，在橢圓形狀時(shí)，可設(shè)長(zhǎng)短半軸分別為，則橢圓2長(zhǎng)短半軸可設(shè)尺寸分別為2.25、4 mm?，F(xiàn)求出各種形狀、面積相同的微間隙的場(chǎng)強(qiáng)分布云圖，如圖2所示。

表3 不同微間隙形狀、相同間隙面積的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值比較

圖2 不同微間隙形狀、相同間隙面積的場(chǎng)強(qiáng)分布云圖

同時(shí)，因長(zhǎng)方形的長(zhǎng)寬、橢圓的長(zhǎng)短半軸的不同，則長(zhǎng)方形狀、橢圓狀的微間隙對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)分布也存在著不同數(shù)值，則針對(duì)上述的相同面積，不同形狀的微間隙，得到應(yīng)力錐處最大場(chǎng)強(qiáng)、微間隙內(nèi)部最大場(chǎng)強(qiáng)值，如表3所示。

由表3得知，在微間隙面積相同的情況下，對(duì)應(yīng)圓斑狀的微間隙其應(yīng)力錐處場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值比其它形狀時(shí)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值要大，如比橢圓1場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值高4.31%，但微間隙內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)值卻取到最小值；正方形形狀時(shí)，間隙內(nèi)部取到最大場(chǎng)強(qiáng)值，比圓斑狀內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)高15.3%；長(zhǎng)方形狀微間隙，應(yīng)力錐處最大場(chǎng)強(qiáng)與長(zhǎng)方形的寬有關(guān)，寬度微增使場(chǎng)強(qiáng)也隨著增大，但整體來(lái)看,改變長(zhǎng)寬比例兩處數(shù)值相差不太大；橢圓狀微間隙時(shí)，應(yīng)力錐處最大場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值及微間隙內(nèi)部最大場(chǎng)強(qiáng)值均與橢圓短半軸略相關(guān)，即隨著短半軸的增大，場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值也微增?，F(xiàn)總結(jié)以上相同面積而不同形狀的微間隙時(shí)，在間隙內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)正方形狀對(duì)應(yīng)間隙內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)最為嚴(yán)重，局部場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值最高，局部放電的概率較高，其次是橢圓狀，而長(zhǎng)方形狀相對(duì)影響較?。辉趹?yīng)力錐處，圓斑狀的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最大值，可能導(dǎo)致在應(yīng)力錐處產(chǎn)生電暈或放電。

3 結(jié)論

(1)電纜中間接頭的微間隙存在，會(huì)使內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生局部畸變，且場(chǎng)強(qiáng)的畸變程序與微間隙的面積成正比關(guān)系。

(2)微間隙的面積相同、形狀不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值是不同的，圓斑狀間隙比較于其它間隙形狀時(shí)，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值最小，應(yīng)力錐處場(chǎng)強(qiáng)最大；而正方形狀間隙，內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值取到最大值。

(3)在制作電纜中間接頭或者是機(jī)械化生產(chǎn)過(guò)程中，盡可能避免產(chǎn)生局部微間隙，特別是間隙形態(tài)為球形或正方體，因局部間隙內(nèi)與應(yīng)力錐處場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值較高，發(fā)生放電機(jī)率較大。

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(本文編輯：嚴(yán) 加)

Influence of Micro-Gap Shape on Cable Middle Joint Field Strength Distribution

LI Ru-feng, LIANG Yi, ZHANG Jun-jian, ZHAO Xi-jian

(State Grid, Han Dan Electric Power Supply Bureau , Handan 056000, China)

In recent years, the cable insulation breakdown and cable explosions caused by intermediate cable connector are common occurrences, which is mainly due to the partial discharge for the local field strength distortion, and the presence of local micro-gap is mainly responsible for the field strength too focused. The field strength analysis of different shapes of local micro-gap is meaningful. The intermediate cable containing local micro-gap joint is studied by finite element analysis software. The results showed that: 1. a micro gap can make a serious distortion of the internal field, and the field strength is proportional to the area of distortion; 2. with the same micro-gap area and different shape, the corresponding field strength values are different; compared to the other shapes of the gap, the internal field strength value of a round gap is the smallest, but its field strength is strongest at stress cone; the internal field strength of a square-shaped gap can have the maximum value. It is concluded that the different shapes of gaps have a significant influence on field strength distribution.

cable joints; local micro-gap; shape; field strength

10.11973/dlyny201605007

李如鋒(1986)，男，碩士，工程師，從事變壓器檢修工作。

TM247

B

2095-1256(2016)05-0564-04

2016-08-13