劉加國(guó) 辛 欣 高運(yùn)興 于新龍 李澤冰 劉云良 王 晶

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司泰安供電公司，山東 泰安 271021；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

電力電纜是電力系統(tǒng)的重要組成部分，隨著我國(guó)電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)電力電纜的運(yùn)行要求必須是長(zhǎng)期、連續(xù)和安全穩(wěn)定的[1]，因此，對(duì)電纜絕緣狀態(tài)的檢測(cè)變得至關(guān)重要。由于傳統(tǒng)的常規(guī)性預(yù)防試驗(yàn)無法有效發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，具有破壞性，且停電會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，故近年來國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大量對(duì)電纜絕緣狀態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)的研究[2-5]。目前已提出的方法有直流疊加法、在線介質(zhì)損耗角正切法、低頻疊加法、接地線電流法等[6-9]。直流法雖能反映電纜的老化程度，但穩(wěn)定性差，抗干擾能力低；低頻法則會(huì)增加系統(tǒng)中的諧波分量，影響電能質(zhì)量。

本次研究基于Ansoft Maxwell軟件建立了城網(wǎng)10 kV單芯電纜缺陷模型，對(duì)電纜正常運(yùn)行時(shí)、絕緣層帶氣隙、水隙、有鋼釘扎入以及多缺陷組合等情況進(jìn)行了電場(chǎng)仿真，并對(duì)電纜銅屏蔽層上的泄漏電流進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了以漏電流診斷電纜絕緣缺陷的可行性[10]。

1 電纜正常運(yùn)行時(shí)周圍電場(chǎng)仿真分析

選用Ansoft Maxwell軟件對(duì)10 kV電力電纜進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，基本方法為有限元分析法。電纜導(dǎo)體上加載電壓激勵(lì)，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，由于低頻電壓下電場(chǎng)隨時(shí)間變化緩慢，分析時(shí)可將其近似看作靜電場(chǎng)。選取銅作為線芯材料，再對(duì)各層絕緣介質(zhì)分別設(shè)置電導(dǎo)率與介電常數(shù)，得到的單芯電纜截面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 單芯電纜結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)實(shí)際建立電纜仿真模型，其終端參數(shù)為：銅芯半徑為5.7 mm，絕緣半徑5.3 mm，半導(dǎo)體半徑為0.7 mm，銅屏蔽半徑為0.5 mm，鋼帶鎧裝厚度為1.0 mm，護(hù)套半徑為8.0 mm。電力電纜銅芯采用的是緊壓銅導(dǎo)體，絕緣層采用的是超凈化交聯(lián)聚乙烯材料，介電常數(shù)為2.25，電導(dǎo)率為0。

選擇靜電場(chǎng)求解器，內(nèi)層銅芯電壓設(shè)為14 140 V，屏蔽層接地端電壓設(shè)為0 V，得到電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出越靠近電纜銅芯位置電場(chǎng)強(qiáng)度越大，最大電場(chǎng)強(qiáng)度約為3.6×106V/m，屏蔽層外的電場(chǎng)為0 V/m，屏蔽層上的電場(chǎng)幾乎為0 V/m，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體屏蔽層具有屏蔽電場(chǎng)的作用。

圖2 10 kV電纜正常運(yùn)行電場(chǎng)分布

2 具有氣隙的電纜電場(chǎng)及漏電流仿真分析

保持激勵(lì)源大小不變，設(shè)置割傷角度為0.174 rad，半徑為3 mm，長(zhǎng)度為10 mm的一扇形空氣缺陷。當(dāng)氣隙靠近銅芯，且破壞半導(dǎo)體屏蔽層時(shí)，其仿真結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示，與電纜正常運(yùn)行相比較，氣隙缺陷附近的電場(chǎng)產(chǎn)生了畸變，屏蔽層附近電場(chǎng)畸變最為明顯，大約為2.6×106V/m。

圖3 屏蔽層具有氣隙的10 kV電纜電場(chǎng)分布

接著進(jìn)行電流仿真。因靜電場(chǎng)中不存在電流，故將求解器改為瞬態(tài)電場(chǎng)，再將電纜線芯中的電壓激勵(lì)設(shè)置為相應(yīng)大小的工頻正弦值，停止時(shí)間設(shè)為2個(gè)周期即40 ms，最大時(shí)間差為1 ms，得到某一時(shí)刻的仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，分布在氣隙上的電流值與電纜其他位置處的電流值有著極大的差異，并且在銅屏蔽層上達(dá)到最大。這說明氣隙的存在使周圍電場(chǎng)發(fā)生畸變，從而在銅屏蔽層上能感應(yīng)出高頻脈沖漏電流。

3 具有水隙的電纜電場(chǎng)及漏電流仿真分析

在模型中將氣隙改成水隙，其他條件不變，其仿真結(jié)果如圖5所示。可以看出，在水隙條件下整個(gè)電纜的電場(chǎng)發(fā)生了畸變，電場(chǎng)強(qiáng)度隨電纜銅芯往外逐漸減小，至半導(dǎo)體層處又開始增大，在銅屏蔽層處達(dá)到最大值，約為7.5×106V/m。

圖4 具有氣隙的10 kV電纜表面電流分布

圖5 具有水隙缺陷的10 kV電纜電場(chǎng)分布

在瞬態(tài)電場(chǎng)中，選取某一時(shí)刻的電流仿真結(jié)果如圖6所示。由于所選水介質(zhì)具有一定的導(dǎo)電性，故電流在水隙中的分布比在氣隙中的分布要廣，且在銅屏蔽層上達(dá)到最大值。

4 鋼釘扎入電纜的電場(chǎng)及漏電流仿真分析

建立深6 mm，厚度2 mm，弧度為0.087 rad的扇形鋼釘，其仿真結(jié)果如圖7所示。鋼釘扎入電纜主絕緣后使其附近電場(chǎng)發(fā)生畸變，整個(gè)電場(chǎng)不再是沿半徑向外逐漸減小，在鋼釘針尖處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，大約為1.2×107V/m。

圖6 具有水隙的10 kV電纜表面電流分布

圖7 有鋼釘扎入時(shí)10 kV電纜電場(chǎng)分布

具有鋼釘扎入缺陷的電流仿真結(jié)果如圖8所示。由于鋼釘本身電導(dǎo)率大，在鋼釘扎入處的電流值明顯高于電纜其他位置，且鋼釘與銅介質(zhì)相接處電流值達(dá)到最大。

圖8 有鋼釘扎入的10 kV電纜表面電流分布

5 多缺陷組合下的電場(chǎng)及漏電流仿真分析

建立以電纜軸心為對(duì)稱的氣隙和水隙缺陷，其參數(shù)設(shè)置與前面的一致，在靜電場(chǎng)下其電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖9所示。當(dāng)氣隙與水隙同時(shí)存在時(shí)，2種缺陷周圍電場(chǎng)均發(fā)生畸變，且與單獨(dú)存在時(shí)不同。氣隙周圍電場(chǎng)最大值約為4.1×106V/m，水隙周圍電場(chǎng)最大值約為3.3×106V/m，其均在單缺陷最大電場(chǎng)值之間。

圖9 具有組合缺陷的10 kV電纜電場(chǎng)分布

組合缺陷下的10 kV電纜表面電流仿真結(jié)果如圖10所示。由于水隙的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于氣隙，故因電場(chǎng)畸變產(chǎn)生的電流幾乎都分布在水隙上，再通過銅屏蔽層流至接地端。

圖10 組合缺陷下10 kV電纜表面電流分布

6 結(jié) 語

根據(jù)仿真結(jié)果分析可知，與電纜正常運(yùn)行時(shí)相比，在有缺陷的情況下電纜內(nèi)部電場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)體間絕緣易發(fā)生擊穿，如果持續(xù)保持這種狀態(tài)，將會(huì)出現(xiàn)高頻放電現(xiàn)象，在銅屏蔽層上產(chǎn)生高頻漏電流。高頻電流分量隨著銅屏蔽網(wǎng)流至接地端，故可在電纜接頭出口處測(cè)得漏電流值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜故障的診斷。該仿真結(jié)果為利用漏電流診斷電纜絕緣缺陷方法提供了可行性證明和理論依據(jù)。