陶玉寧，陳皇熹，趙國偉，方春華

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443000；2.國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司，山西 大同 037000)

0 引言

電力電纜憑借線間絕緣距離小、占地少、安全可靠等優(yōu)點在城市線路改造工程中被廣泛應(yīng)用。電纜線路應(yīng)用快速增長的同時，電纜故障[1—5]引發(fā)的事故數(shù)量也呈上升趨勢。據(jù)故障案例統(tǒng)計表明，電纜故障多發(fā)生于電纜中間接頭位置[6—9]，即電纜中間接頭絕緣性能的劣化是造成電纜故障的直接原因[10—12]。為此，國內(nèi)外學(xué)者針對電纜中間接頭及接頭缺陷進行了大量試驗和仿真。

通過對缺陷電場的研究，可直觀了解缺陷對中間接頭絕緣強度的影響程度。文獻[13—16]通過有限元軟件建立常見缺陷的二維模型，得出主絕緣劃傷、連接管毛刺缺陷或主絕緣含雜質(zhì)缺陷均會引起電場的畸變，但缺陷的存在破壞了附件對稱性，因此二維模型存在較大誤差，必須使用三維立體模型才能真實模擬缺陷實際狀況。文獻[17—18]建立三維電纜中間接頭模型，分析部分典型缺陷對絕緣的影響程度，但未考慮同一類型缺陷在不同位置時對電場分布的影響。為了掌握缺陷在實際線路中表現(xiàn)特征，目前應(yīng)用最廣泛的方法是對接頭缺陷進行局部放電試驗。文獻[19]對目前主要存在的電纜中間接頭缺陷以及缺陷形成原因做出總結(jié)，指出目前局放等檢測技術(shù)需要在靈敏度、抗干擾能力方面進行提升改進。文獻[20]對局部放電檢測方法進行深入研究，重點分析局部放電信號在交聯(lián)聚乙烯(cross-inked polyethylene,XLPE)電纜接頭中的傳輸衰變特性、特征提取和識別技術(shù)。文獻[21]利用數(shù)理統(tǒng)計方法，對比分析超低頻和工頻電壓下局部放電試驗的等效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)2種電壓下的局部放電量的差異與缺陷類型密切相關(guān)。

缺陷會降低電纜中間接頭的絕緣性能。針對缺陷在不同位置時的表現(xiàn)特征以及對絕緣的影響程度，目前研究較少。因此，開展中間接頭典型施工缺陷電場及局部放電特性研究，探究接頭缺陷的電場與放電特征的規(guī)律對于研究故障發(fā)生機理、準確判斷故障類型等具有重要意義。

文中通過ANSYS有限元軟件對缺陷接頭進行三維模型下的靜電場仿真計算，分析中間接頭存在硅脂涂抹方式不正確、接頭受潮和主絕緣劃傷缺陷時的電場分布情況，研究缺陷位置與電場強度的關(guān)系。同時搭建工頻交流電壓局部放電試驗平臺，對3種缺陷試片進行局部放電試驗，利用Matlab軟件對局放試驗原始波形進行后處理，根據(jù)局部放電次數(shù)等局放特征量具體分析不同缺陷對絕緣強度的影響。

1 電纜中間接頭仿真模型

圖1 電纜中間接頭三維模型Fig.1 3D model of cable intermediate joint

表1 模型材料參數(shù)Table 1 Parameters of model materials

2 中間接頭典型缺陷電場分析

2.1 硅脂涂抹缺陷

2.1.1 硅脂涂抹不均勻與正常情況對比

圖2(a)為正常涂有硅脂時電場分布，XLPE內(nèi)半導(dǎo)電層交界處場強最大，為1.35 MV/m。該情況下導(dǎo)體線芯、應(yīng)力錐、連接管、銅網(wǎng)場強接近為0，XLPE與硅橡膠界面最大場強為0.581 MV/m。硅脂中設(shè)置6 mm×5 mm×0.3 mm的長方體型空氣隙模擬硅脂涂抹不均勻缺陷，此時電場分布見圖2(b)，XLPE與硅橡膠界面最大場強為1.140 MV/m。XLPE與硅橡膠界面存在空氣時，氣隙與絕緣層介電常數(shù)的差異導(dǎo)致電場在交界處發(fā)生畸變。場強的畸變易引發(fā)局部放電，長期放電會加速XLPE的老化，從而降低接頭的絕緣強度。

圖2 硅脂涂抹不同情況電場分布云圖Fig.2 Clouds of electric field distribution under different conditions of silicone grease coating

圖3為自電纜接頭膠帶外端至電纜外半導(dǎo)電層處的電場分布，氣隙處的場強明顯高于相同位置正常涂有硅脂時的場強。這說明正常涂抹硅脂能優(yōu)化XLPE與硅橡膠界面處的電場分布，降低電場畸變程度，提高接頭絕緣性能。

圖3 硅脂涂抹不同情況電場分布Fig.3 Electric field distribution under different silicon grease coating conditions

2.1.2 涂抹不均勻處不同位置對電場的影響

圖4為空氣隙距外半導(dǎo)切斷處軸向方向不同位置時的電場分布。

圖4 空氣隙不同位置電場分布Fig.4 Electric field distribution at different positions of air gap

當空氣隙遠離外半導(dǎo)切斷處時，氣隙處場強呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在應(yīng)力錐倒角處達到最大值，為1.140 MV/m?？諝馀c硅脂介電常數(shù)的差異導(dǎo)致氣隙處場強發(fā)生突變。施工時應(yīng)重點排查應(yīng)力錐倒角處附近是否存在硅脂涂抹不均勻。

2.2 主絕緣劃傷缺陷

2.2.1 主絕緣劃傷缺陷與正常情況對比

主絕緣劃傷時劃痕多為短劃痕，即空氣間隙多為小氣隙，因此設(shè)置長度為5 mm、厚度為2 mm的長方體小氣隙模擬主絕緣劃傷缺陷。主絕緣劃傷缺陷和正常情況下，相同位置處的電場分布見圖5。

圖5 主絕緣劃傷及正常情況相同位置電場分布Fig.5 Electric field distribution at the same position of main insulation scratches and normal conditions

當出現(xiàn)主絕緣劃傷時，劃傷處的場強為1.459 MV/m；而在正常情況下，相同位置電場強度僅為0.531 MV/m。主絕緣劃傷處場強是正常情況下場強的2.75倍，這說明電場發(fā)生了嚴重畸變。造成該情況的主要原因是空氣間隙的存在使得介質(zhì)材料不連續(xù)，引起該處場強增大。主絕緣劃傷及正常情況電場分布見圖5(c)，主絕緣劃傷處電場畸變嚴重，而其他位置場強基本為0，與正常情況下的電場分布情況差距較大。劃傷一方面損傷電纜主絕緣，造成劃傷處絕緣厚度降低；另一方面產(chǎn)生的氣隙，會引起局部氣隙放電，嚴重時擊穿接頭，引發(fā)線路停電事故。

2.2.2 主絕緣劃傷不同位置對電場的影響

進一步地研究劃傷位置對電場影響，分別將劃傷位置設(shè)置在距離外半導(dǎo)切斷處軸向方向0 mm，0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，3.5 mm，仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著軸向方向上遠離外半導(dǎo)切斷處，主絕緣劃傷處的場強整體趨勢是逐漸減小的。劃傷位置在外半導(dǎo)切斷處時，劃傷氣隙的場強最大，達到了2.385 MV/m。因此，實際剝切外半導(dǎo)電層時應(yīng)重點排查外半導(dǎo)切斷處主絕緣是否劃傷。

圖6 主絕緣劃傷不同位置電場分布Fig.6 Electric field distribution of main insulation scratches at different positions

2.3 接頭受潮缺陷

2.3.1 接頭受潮缺陷與正常情況對比

若電纜中間接頭安裝在濕度較大的環(huán)境，或敷設(shè)環(huán)境存在化學(xué)腐蝕導(dǎo)致接頭密封失效，均會造成接頭絕緣浸水受潮，導(dǎo)致XLPE與硅橡膠界面夾雜一層水膜。為探究接頭受潮時水膜對接頭內(nèi)電場分布的影響，文中設(shè)置水膜模型為長5 mm、厚0.3 mm、寬5 mm的長方體，得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 接頭受潮及正常情況相同位置電場分布Fig.7 Electric field distribution at the same position under damp and normal conditions

從圖7(a)可知，當接頭受潮時，水膜處場強為0.659 MV/m，而在正常情況下與水膜相同位置處場強大小則為0.582 MV/m，受潮水膜處場強是正常情況下場強的1.13倍。主要原因是電纜接頭滲水屬于導(dǎo)體，會產(chǎn)生懸浮電位，導(dǎo)致水膜與硅橡膠界面電場集中，嚴重時會產(chǎn)生界面爬電。此外水膜在電場作用下，易發(fā)生電泳現(xiàn)象，誘發(fā)水樹枝生長。因此在進行線路規(guī)劃時應(yīng)進行詳盡的地質(zhì)勘探，避免電纜線路經(jīng)過潮濕或化學(xué)腐蝕地區(qū)。

2.3.2 接頭受潮不同位置對電場的影響

以外半導(dǎo)切斷處為基準，分別將水膜設(shè)置在距離外半導(dǎo)切斷處軸向位置為10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm處，進一步探究水膜位置與電場關(guān)系，圖8為相應(yīng)的仿真結(jié)果。

圖8 接頭受潮不同位置電場分布Fig.8 Electric field distribution in different position of joint affected by moisture

由圖8可知，受潮時水膜位置在距離外半導(dǎo)切斷0～20 mm與50～80 mm處時，水膜處場強較小，而相對場強較高的位置區(qū)間為30～40 mm處，此區(qū)間對應(yīng)圖8(a)中電纜接頭膠帶外端至電纜外半導(dǎo)電層方向上距離應(yīng)力錐倒角處10 mm內(nèi)。水膜在應(yīng)力錐倒角處場強達到最大值，為0.659 MV/m。因此施工中應(yīng)格外注意應(yīng)力錐處是否有受潮受濕的情況。

3 局部放電試驗研究

3.1 試驗設(shè)備

為探究硅脂涂抹不均勻、主絕緣劃傷、接頭受潮3種缺陷下局部放電特性，根據(jù)局部放電試驗原理搭建了一套實驗室工頻交流電壓下局部放電試驗平臺。文中對人工缺陷試樣進行的局部放電試驗采用脈沖電流測量法測取局放信號，脈沖電流法的基本原理如圖9所示。調(diào)壓器型號為ZX-15-11,額定容量為15 kV·A;變壓器型號為YDJ，容量為10 kV·A/100 kV；分壓器額定電壓為50 kV，分壓比為3 000∶1。試驗電極為板-板電極，固定在環(huán)氧樹脂的載物臺上。

圖9 脈沖電流法基本原理示意Fig.9 Schematic diagram of the pulse current method

3.2 試驗方法

人工制作正常無缺陷試樣以及3種缺陷試樣，以模擬存在不同缺陷時的電纜中間接頭實際情況。在制作缺陷前，確保XLPE表面平整光滑，無毛刺、雜質(zhì)或其他制造過程中的瑕疵，并用無水乙醇對XLPE進行漂洗，去除表面灰層污物后在自然干燥條件下晾干，以避免雜質(zhì)、毛刺灰層污物等對試驗結(jié)果造成干擾。制作正常無缺陷試樣時，在XLPE表面均勻涂抹硅脂，硅脂涂抹厚度為0.3 mm，其他附件均正常敷設(shè)、安裝。在應(yīng)力錐附近的XLPE表面1 cm2區(qū)域內(nèi)不涂硅脂，其余區(qū)域同正常試樣均勻涂抹硅脂，以模擬硅脂涂抹不均勻缺陷。用剝切刀在外半導(dǎo)切斷處的XLPE表面沿徑向制造長10 mm、深2 mm的劃痕，然后正常涂抹硅脂，以制造主絕緣劃傷缺陷。施工過程中形成的接頭受潮大多由于在濕度環(huán)境較大天氣下施工，水分極容易附著在接頭XLPE表面，因此利用注射器在應(yīng)力錐附近的XLPE表面注入少許水，在其他區(qū)域均勻涂抹硅脂，以模擬接頭受潮缺陷。

對每組缺陷試樣以0.5U0為電壓梯度，從0到2U0逐級加壓，分別采集0.5U0，U0，1.5U0，2U0這4個電壓等級下不同缺陷試樣和無缺陷試樣組的局部放電信號，并用Matlab軟件對局放信號進行去噪處理。最后對不同電壓等級下不同缺陷試樣以及正常無缺陷試樣局部放電特征量進行對比分析，探究不同缺陷局部放電特征。其中U0為10 kV電纜的額定電壓8.7 kV。

3.3 試驗結(jié)果分析

從試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)3種缺陷試樣起始放電電壓均小于U0，隨著電壓增大，示波器顯示波形的局放脈沖數(shù)越密集。利用Matlab軟件對原始波形進行濾波處理，局放電流與相位的關(guān)系見圖10，放電量與相位的關(guān)系見圖11。

圖10 局放電流與相位關(guān)系Fig.10 The relationship between local discharge current and phase

圖11 放電量與相位的關(guān)系Fig.11 The relationship between discharge and phase

從局放脈沖的個數(shù)在相位上的分布來看，硅脂涂抹不均勻缺陷，放電頻次較高的相位區(qū)間分布在180°～270°。主絕緣劃傷缺陷造成的放電次數(shù)相位區(qū)間主要集中在0°～90°、180°～270°，且區(qū)間內(nèi)各相位值對應(yīng)的放電頻次之間相差不大，分布較為均衡。針對受潮缺陷，放電次數(shù)較大的區(qū)間較小，在200°～270°之間，且放電頻次集中在該區(qū)間的中段。

計算試樣在20個周波內(nèi)的放電次數(shù)，正常無缺陷、硅脂涂抹不均勻、接頭受潮與主絕緣劃傷缺陷分別放電2次、224次、75次和510次。試樣沒有任何缺陷時，在額定電壓U0下幾乎沒有局放現(xiàn)象。比較硅脂涂抹不均勻、受潮、主絕緣劃傷3種缺陷可知，試樣的各類存在缺陷均會不同程度對試樣的絕緣強度造成影響，體現(xiàn)在局放次數(shù)出現(xiàn)不同程度的增加。相比完整試樣的放電次數(shù)，在施加同一電壓等級U0時，主絕緣劃傷缺陷導(dǎo)致的放電次數(shù)是無缺陷時的255倍，而接頭受潮和硅脂涂抹不均勻缺陷則分別為正常情況下放電次數(shù)的37.5倍和122倍。顯然，主絕緣劃傷缺陷對XLPE 絕緣的影響程度最大，接頭受潮對絕緣強度的影響則最小，硅脂涂抹不均勻的影響程度處于二者之間。

3.4 場強和局部放電特征關(guān)系

結(jié)合仿真計算結(jié)果，將3種缺陷的電場強度與局放次數(shù)作對比，匯總?cè)绫?所示。

表2 仿真與試驗對比Table 2 Comparison of simulation and experiment

將3種缺陷下靜電場仿真計算結(jié)果與工頻交流電壓下局部放電試驗做比較，發(fā)現(xiàn)主絕緣劃傷、硅脂涂抹不均勻、接頭受潮3種缺陷仿真結(jié)果和試驗結(jié)果保持一致。主絕緣劃傷缺陷對XLPE 絕緣絕緣強度影響最大，接頭受潮對XLPE 絕緣的絕緣強度影響最小。

4 結(jié)論

文中開展了10 kV電纜中間接頭典型施工缺陷電場仿真，模擬了局放檢測試驗，得到的結(jié)果對提升敷設(shè)安裝的技術(shù)規(guī)范度，提高電纜接頭可靠性具有重要意義，結(jié)論如下：

(1)硅脂涂抹不均勻時，空氣隙在應(yīng)力錐周圍時電場畸變最為嚴重，逐漸遠離應(yīng)力錐，則場強逐漸減小。電纜接頭制作過程中應(yīng)重點排查應(yīng)力錐處硅脂是否涂抹均勻。

(2)主絕緣劃傷時，電場畸變最為嚴重，空氣隙在外半導(dǎo)切斷處場強最大。劃傷位置逐漸遠離外半導(dǎo)切斷處，場強逐漸減小。制作接頭時應(yīng)仔細排查該處是否有劃傷。

(3)接頭受潮后，水膜位于應(yīng)力錐附近電場畸變程度最為劇烈，逐漸遠離應(yīng)力錐，則水膜對接頭電場影響減小。線路規(guī)劃時避免電纜線路經(jīng)過潮濕或化學(xué)腐蝕地區(qū)。

(4)主絕緣劃傷、硅脂涂抹不均勻、接頭受潮3種缺陷均會造成接頭發(fā)生嚴重的局部放電。3種缺陷對試樣絕緣強度的影響依次減小，仿真與試驗結(jié)果一致。