項恩新，王科，李麗妮，徐肖偉，黃繼盛，車雨軒

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都611756；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局，云南 臨滄677000)

0 前言

35 kV 電纜作為配電網(wǎng)的重要組成部分，承擔(dān)了傳輸電能的關(guān)鍵作用，而電纜終端作為其絕緣最為薄弱的部分，其電氣絕緣性能的優(yōu)劣，直接影響了輸電系統(tǒng)和用電設(shè)備的有效運行[1]，關(guān)系到配電網(wǎng)的可靠性。根據(jù)電纜線路的故障數(shù)據(jù)表明，35 kV 電纜中，終端的運行故障事故約占電纜線路運行故障事故總數(shù)的70%[2]。電纜終端在現(xiàn)場安裝時需要將電纜本體外半導(dǎo)體屏蔽層、導(dǎo)電屏蔽層、護套截斷，而截斷處在運行過程中易發(fā)生電場畸變問題[3-4]，影響電纜終端的絕緣性能；同時在預(yù)制過程中，因環(huán)境、制作工藝的問題，極易引入導(dǎo)電雜質(zhì)，改變電纜終端電場分布，影響其電氣絕緣性能。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對電纜各類缺陷問題，開展了多方面研究，取得了豐碩的成果。華南理工大學(xué)劉剛團隊研究了電纜接頭主絕緣含雜質(zhì)情況下的擊穿特性，研究結(jié)果表明含雜質(zhì)缺陷將引起電纜接頭內(nèi)部的部分電場發(fā)生畸變，嚴(yán)重情況下將擊穿絕緣材料[5]；Rittmam G W等學(xué)者通過研究內(nèi)含雜質(zhì)的電纜接頭局部放電信息，為電纜接頭的故障診斷提供一些方向[5]；華北電力大學(xué)學(xué)者目前正在研究通過合理的材料和結(jié)構(gòu)，使電纜附件內(nèi)部電場能夠有效的優(yōu)化[7]。然而關(guān)于導(dǎo)電雜質(zhì)混入后，35 kV 電纜終端在缺陷存在下電場如何畸變、不同參數(shù)的雜質(zhì)對電場最高值有何影響，導(dǎo)電雜質(zhì)處的放電如何發(fā)展，以及放電導(dǎo)致終端絕緣性能怎樣變化等系列問題則報道較少，亟需開展相關(guān)研究。

基于此，本文通過研究當(dāng)電纜終端內(nèi)導(dǎo)電雜質(zhì)位于不同位置時對內(nèi)部電場分布的影響，找出影響結(jié)果最大的位置，以便在安裝預(yù)制與正常運行時重點關(guān)注；并通過局部放電測試，提取關(guān)鍵信息，探究內(nèi)部含雜質(zhì)時的局部放電特征，為故障診斷提供了基礎(chǔ)。

1 電場分析

1.1 電纜終端模型搭建

根據(jù)現(xiàn)場解剖結(jié)果及出廠資料可知，電纜終端是將電纜本體的外半導(dǎo)體層、導(dǎo)電屏蔽層和護套截斷[8]，將能均勻電場分布的應(yīng)控管、熱縮管逐層熱縮預(yù)制，最后套上用于隔離防水的傘裙，所以電纜終端屬于多層結(jié)構(gòu)，其模型如圖1所示。

圖1電纜終端模型圖

本研究需要進行35 kV 電纜終端的電場分析，所需要的材料參數(shù)有電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)，通過了解出廠參數(shù)及現(xiàn)場測試，相關(guān)的材料參數(shù)如表1所示。

1.2 電場理論分析

電纜終端運行于35 kV 工頻電，工頻電在時間上變化緩慢，可使用靜電場求解，靜電場屬于有散無旋場，需要滿足以下幾個基本方程[9]：

其中，公式(1)中的E 是電場強度，該公式表明靜電場的環(huán)路特性是無旋場；公式(2)中的D是電通密度，p是電荷密度，該公式是高斯定律的微分方程，表明靜電場是有散場，靜電場中的任意一點上的電通量密度的散度等于該點的自由電荷體密度。

表1材料參數(shù)表

電纜終端屬于多層結(jié)構(gòu)，層與層的材料不一致，屬于不同媒介，不同媒介的分界面兩側(cè)需要滿足銜接關(guān)系，如式(3)所示，其中，D1、D2如圖2所示，D1為第一層材料的電通密度法向分量，D2為第二層材料的電通密度法向分量，σ是自由電荷面密度，式(3)表明分界面兩側(cè)的電通密度法向分量不連續(xù)，其不連續(xù)量等于分界面上的自由電荷面密度。同時，本研究使用的是有限元仿真分析，對于每層材料，都需要進行網(wǎng)格劃分，對于同一層材料內(nèi)的網(wǎng)格間，需要滿足電通密度不隨網(wǎng)格劃分而改變。

圖2電介質(zhì)分界面圖

1.3 仿真結(jié)果分析

1.3.1 未出現(xiàn)導(dǎo)電雜質(zhì)的電場仿真

根據(jù)實際運行工況，該電纜終端運行于工頻35 kV 下，設(shè)置導(dǎo)電屏蔽層接地，其電場分布如圖3所示。

圖3未出現(xiàn)導(dǎo)電雜質(zhì)時電纜終端電場分布

從圖3中可知，當(dāng)電纜終端未出現(xiàn)導(dǎo)電雜質(zhì)時，電場強度最大值出現(xiàn)在外半導(dǎo)體層截斷處，最大值為6.83 MV/m，從放大圖中可看出，電場強度較大值分布在絕緣層區(qū)域，在最大值的附近，電場分布畸變明顯。

1.3.2 含導(dǎo)電雜質(zhì)的電場仿真

電纜終端屬于多層結(jié)構(gòu)，在安裝過程中，由于環(huán)境及制作工藝等原因，在熱縮過程中易引入導(dǎo)電雜質(zhì)，為更好的分析導(dǎo)電雜質(zhì)的引入對電纜終端絕緣性能造成的影響，本文搭建導(dǎo)電雜質(zhì)在不同位置的電纜終端模型，分別在距離外半導(dǎo)體層截斷處0 mm，65 mm，130 mm，193 mm，193.5 mm，194 mm，258 mm 的位置放置一個底邊為1 mm，高度為1 mm 的三角形導(dǎo)電微粒，仿真出在35 kV 工頻電下電纜終端的電場分布情況，其中，距離外半導(dǎo)體層截斷處194 mm 是應(yīng)控管和尾部膠的連接處。如圖4(a)-(g)分別對應(yīng)了7個不同位置引入導(dǎo)電顆粒的電場分布。

綜上所述，臨床針對腎結(jié)石患者在選擇手術(shù)方案時，需要依據(jù)腎結(jié)石患者具體情況合理選擇輸尿管軟鏡碎石術(shù)以及經(jīng)皮腎鏡取石術(shù)，提高腎結(jié)石患者的治療效果及生活質(zhì)量。

圖4含導(dǎo)電雜質(zhì)的電纜終端電場分布圖

從圖4中可知，當(dāng)電纜終端內(nèi)部引入導(dǎo)電雜質(zhì)時，電場分布畸變加?。蝗鐖D4(a)，導(dǎo)電雜質(zhì)位于外導(dǎo)體層截斷處，電場強度最大值為7.6 MV/m，比未出現(xiàn)導(dǎo)電雜質(zhì)時電場強度最大值增大了11.7%，該位置也是引入導(dǎo)電雜質(zhì)時電場強度最大值影響最小的位置；從圖4(b)、4(c)可知，導(dǎo)電雜質(zhì)位于應(yīng)控管和絕緣層之間時，電場強度有所增大，但是通過對比這兩個位置可知，在這兩個位置的一定范圍內(nèi)，導(dǎo)電雜質(zhì)的引入位置對電場強度的分布影響較??；圖4(d)-4(f)為導(dǎo)電雜質(zhì)引入至應(yīng)控管和尾部膠的連接處附近，從圖中可看出，在該位置附近引入導(dǎo)電雜質(zhì)對電場分布的影響較大，特別是導(dǎo)電雜質(zhì)引入的位置距離外半導(dǎo)體層截斷處194 mm 處，是引入導(dǎo)電雜質(zhì)的所有位置中電場分布影響最大的位置，最大電場強度為18.7 MV/m，是未引入導(dǎo)電雜質(zhì)時電場強度最大值的3倍，最大值的位置為電纜終端模型對應(yīng)的(356，20)位置，而乙丙橡膠的擊穿場強為20～45 MV/m[10]，該電場強度最大值已經(jīng)接近擊穿場強，若長時間運行在該情況下，將不斷加速絕緣損耗，易發(fā)生絕緣擊穿事故；圖4(g)為導(dǎo)電雜質(zhì)引入至尾部膠與絕緣層交界處，在導(dǎo)電雜質(zhì)與絕緣層交界處附近，電場畸變十分嚴(yán)重，最大電場強度為15.2 MV/m，比未引入導(dǎo)電雜質(zhì)時的電場強度最大值增加了123.5%，所以在尾部膠部分引入導(dǎo)電雜質(zhì)對電纜終端的絕緣性能影響極大，在安裝預(yù)制時需要重點關(guān)注。

為了更好的分析引入導(dǎo)電雜質(zhì)對電纜終端電場分布的影響，繪制了未引入導(dǎo)電雜質(zhì)時及7個位置引入導(dǎo)電雜質(zhì)時電場強度隨絕緣層與外半導(dǎo)體層交界處延長線徑向長度變化的分布圖，如圖5所示。

圖5電場強度分布曲線圖

從圖5中可看出，在未引入導(dǎo)電雜質(zhì)時，在外半導(dǎo)體層截斷處出現(xiàn)電場畸變；當(dāng)引入了導(dǎo)電雜質(zhì)后，在半導(dǎo)體層與絕緣層交界線的延長線上，出現(xiàn)兩個電場畸變明顯的位置，其中一個位置位于外半導(dǎo)體層截斷處，另外一個位置出現(xiàn)在引入導(dǎo)電雜質(zhì)的位置，在該位置的附近，電場畸變十分嚴(yán)重，電場強度變化最大可從0.5 MV/m 急速上升到18.7 MV/m，然后又急速下降，急速畸變的電場更加加速該位置附近絕緣老化，降低絕緣性能。

2 實驗驗證

為了更加直觀的探究引入導(dǎo)電雜質(zhì)對電纜終端絕緣性能的影響，本研究選取了2個位置導(dǎo)電雜質(zhì)引入，分別是最易引入雜質(zhì)的外半導(dǎo)體層截斷處及造成電場分布畸變最嚴(yán)重的位置即距離截斷處194 mm 處，將寬度為1 mm，高度為1 mm 的三角形導(dǎo)電雜質(zhì)放入指定位置，再按照指定順序?qū)?yīng)控管、絕緣管、傘裙依次進行安裝。

電纜終端因自身結(jié)構(gòu)特征及預(yù)制過程中引入的微型缺陷，在正常工況運行過程中一些特殊部位電場畸變嚴(yán)重，部分區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)輕微的放電，長期運行加速絕緣老化，進一步加大局部放電，反復(fù)作用將造成絕緣擊穿事故[11-12]，所以局部放電信號的檢測對于診斷電纜終端缺陷故障具有重大意義。

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[13-14]，搭建了如圖6局部放電測試回路，記未引入導(dǎo)電雜質(zhì)的電纜終端試樣為1號試樣，導(dǎo)電雜質(zhì)引入位置為外半導(dǎo)體層截斷處的電纜終端試樣為2號試樣，導(dǎo)電雜質(zhì)引入位置為距離外半導(dǎo)體層截斷處194 mm的電纜終端試樣為3號試樣，對3個電纜終端試樣進行局部放電測試。

圖6局部放電測試回路

采用本局部放電測試平臺對3種電纜終端試樣進行測試，每次加壓的步長為0.5 kV[15]，每次加壓后，穩(wěn)定1 min，觀察放電情況，當(dāng)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象時，以0.1 kV 的步長逐漸減小，穩(wěn)定時間為1 min，以此逐漸降低電壓，直到出現(xiàn)放電現(xiàn)象消失，再以0.1 kV 的步長逐漸增加，穩(wěn)定1 min，直到放電現(xiàn)象再次出現(xiàn)，記錄當(dāng)前電壓值，記為起始放電電壓，其中1至3號電纜試樣的起始放電電壓分別為18.3 kV，13.5 kV，3.7 kV，從起始放電電壓可知，電場畸變較輕微的電纜終端起始放電電壓較低；然后逐步將電壓升高至35 kV，測試3個電纜試樣5個周期內(nèi)的放電譜圖，如圖7所示。

圖7電纜終端試樣的φ-q-n譜圖

從圖7中可知，當(dāng)電纜終端未引入導(dǎo)電雜質(zhì)時，放電集中在3個區(qū)域，分別是45°～100°，200°～220°，270°～300°放電量普遍分布在10 pC左右，最大的放電次數(shù)為4次；當(dāng)電纜終端在外半導(dǎo)電層截斷處引入導(dǎo)電雜質(zhì)后，放電活動活躍，主要集中在80°～100°及245°～300°之間，放電量最大達(dá)到150 pC；從圖7(c)可知，當(dāng)電纜終端引入導(dǎo)電雜質(zhì)的位置距離外半導(dǎo)體層截斷處194 mm 時，放電活動十分活躍，放電量最大值可達(dá)到350 pC，且放電活動不在局限于在運行電壓的峰值附近，在整個周期內(nèi)都存在明顯的放電現(xiàn)象；由此可知，當(dāng)引入導(dǎo)電雜質(zhì)后，電纜終端內(nèi)部電場畸變嚴(yán)重，將加大內(nèi)部的放電活動，放電活動越活躍，放電量越大，極易加速電纜內(nèi)部的絕緣老化，長期運行最終將引發(fā)電纜終端的擊穿事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

3 結(jié)束語

本文通過使用有限元仿真軟件模擬電纜終端在不同位置引入導(dǎo)電雜質(zhì)時的電場分布及通過局部放電測試平臺測試電纜終端的局部放電信息，得到如下結(jié)論：

1）電纜終端在距離半導(dǎo)體層截斷處194 mm 位置，即應(yīng)控管和尾部膠的連接處引入導(dǎo)電雜質(zhì)時，電場畸變最嚴(yán)重，電場強度最大值為18.7 MV/m；

2）局部放電檢測的結(jié)果表明，導(dǎo)電雜質(zhì)的引入使電纜終端內(nèi)部放電活動更活躍，其中，當(dāng)導(dǎo)電雜質(zhì)引入距離半導(dǎo)體層截斷處194 mm處時，放電量最大值可達(dá)到350 pC。