陳 胤 黃瑞梅

基于電-熱場(chǎng)耦合的35kV電纜中間接頭氣隙缺陷仿真分析

陳 胤1黃瑞梅2

（1. 國(guó)網(wǎng)廈門供電公司，福建 廈門 361000；2. 福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000）

為了研究電纜接頭在不同尺寸空氣楔形間隙下的運(yùn)行性能，本文采用有限元計(jì)算方法，設(shè)計(jì)35kV電纜接頭精細(xì)化模型，計(jì)算電纜接頭在發(fā)生單相短路故障時(shí)的電場(chǎng)和溫度分布。結(jié)果表明，電纜接頭內(nèi)的空氣間隙電場(chǎng)強(qiáng)度集中，絕緣層存在劣化隱患。隨著空氣間隙長(zhǎng)度的增加，氣隙內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大；隨著空氣間隙深度的增大，氣隙內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度呈先減小后增大的變化規(guī)律；氣隙內(nèi)熱量的積聚會(huì)進(jìn)一步造成絕緣層的老化。最后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際缺陷案例，提出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控和防治措施。

電纜接頭；空氣間隙；電場(chǎng)；溫度分布

0 引言

電力電纜具有安全性強(qiáng)、對(duì)城市環(huán)境友好且受自然條件限制小等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為城市電網(wǎng)中不可或缺的電力設(shè)施[1-2]。隨著電力電纜制作工藝的不斷革新，其覆蓋率和使用率越來越高，城市電網(wǎng)供電可靠性和穩(wěn)定性也相應(yīng)逐步增強(qiáng)[3]。

由于電纜終端或中間接頭在制作過程中需要?jiǎng)內(nèi)ピY(jié)構(gòu)層，可能會(huì)劃傷絕緣層而產(chǎn)生空氣間隙，使絕緣層表面電場(chǎng)分布不均，甚至發(fā)生放電、異常溫升和材料老化等現(xiàn)象，進(jìn)而影響電纜絕緣層的性能[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電纜附件發(fā)生的事故占電纜總事故的70%左右[6]。因此，分析電纜接頭的電場(chǎng)和溫度分布對(duì)研究和控制電纜事故具有重要意義[7-9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電力電纜附件運(yùn)行狀況開展了大量的研究。目前，通過老化試驗(yàn)及仿真計(jì)算，已建立了較為成熟的電纜壽命老化模型[10-11]。電纜接頭內(nèi)部缺陷的放電過程和機(jī)理也有較多研究[12-13]，研究表明，電纜接頭主絕緣含有雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)附近電場(chǎng)畸變嚴(yán)重。由于電纜接頭內(nèi)部缺陷導(dǎo)致局部放電時(shí)，電-熱效應(yīng)共同作用影響電纜運(yùn)行性能。文獻(xiàn)[14]建立了電纜接頭運(yùn)行過程中的溫度計(jì)算模型。文獻(xiàn)[15-16]通過仿真計(jì)算得到電纜接頭的溫度分布，并且發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)畸變和異常溫升相互作用，加速絕緣層的老化。為了進(jìn)一步分析實(shí)際運(yùn)行過程中電纜中間接頭的事故原因，需要分析并總結(jié)常見內(nèi)部缺陷形態(tài)、電纜接頭內(nèi)部的電場(chǎng)和溫度分布規(guī)律。

本文針對(duì)35kV電力電纜中間接頭開展仿真計(jì)算，按照實(shí)際電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精細(xì)化模型。在實(shí)際工作和事故案例中，中間接頭由于拖拽、制作工藝等因素被劃傷而產(chǎn)生楔形缺陷的情況較多，因此本文在中間接頭繞包應(yīng)力錐處設(shè)計(jì)多種寬度、深度的楔形空氣間隙缺陷，著重分析有缺陷時(shí)的電場(chǎng)和溫度分布，探究35kV電力電纜在不同尺寸的楔形劃傷缺陷下的運(yùn)行狀態(tài)，為電纜中間接頭事故原因分析和溯源提供理論指導(dǎo)。

1 電纜接頭仿真計(jì)算模型

1.1 電纜接頭模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際35kV電纜接頭結(jié)構(gòu)構(gòu)建仿真計(jì)算模型。從內(nèi)層到外層的結(jié)構(gòu)依次為：線芯、金屬連接管、內(nèi)半導(dǎo)體繞包層、電纜絕緣層、增強(qiáng)繞包絕緣層、屏蔽銅網(wǎng)、半導(dǎo)體帶繞包層和外護(hù)套管[17]。線芯直徑為16mm，電纜絕緣外徑為40mm，增強(qiáng)絕緣（應(yīng)力錐）外徑為66mm，金屬連接管長(zhǎng)100mm。35kV電纜接頭剖面圖如圖1所示。

圖1 35kV電纜接頭剖面圖

1.2 控制方程

電場(chǎng)計(jì)算可當(dāng)作電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)來處理，相應(yīng)控制方程為

再根據(jù)時(shí)諧場(chǎng)基本方程

根據(jù)傳熱學(xué)，仿真模型服從穩(wěn)態(tài)、內(nèi)部熱源模型，控制方程為

1.3 仿真計(jì)算材料參數(shù)

在電纜接頭無缺陷情況下，電纜各層護(hù)套絕緣性能良好，呈容性分布。在準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)計(jì)算環(huán)境下，引入電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算，主要材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2 電纜接頭無缺陷的電場(chǎng)仿真計(jì)算

2.1 邊界條件處理

根據(jù)對(duì)稱性，取1/4三維模型進(jìn)行計(jì)算。在線芯加載電壓，加壓條件設(shè)定為電纜運(yùn)行時(shí)最不利的狀態(tài)，即發(fā)生單相短路故障帶故障運(yùn)行時(shí)的峰值，為49.5kV。外護(hù)套管接地處理。

2.2 電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

電纜接頭內(nèi)部電壓和電場(chǎng)分布如圖2所示。在剖面截圖，可以發(fā)現(xiàn)電位分布均勻，符合實(shí)際電位分布情況。電纜內(nèi)部的電場(chǎng)集中在交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣層上，并且越靠近線芯，電場(chǎng)越強(qiáng)。

圖2 電纜接頭內(nèi)部電壓和電場(chǎng)分布

由于金屬連接管為具有尖銳棱角的錐體，而應(yīng)力錐端部往往是制作的薄弱點(diǎn)，因此著重分析這兩處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，分別如圖3和圖4所示。

圖3 金屬連接管處電場(chǎng)分布

金屬連接管棱角的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，為11.35kV/mm，而XLPE絕緣層的錐形端部也集中了較大電場(chǎng)強(qiáng)度，大致為10kV/mm。

由于應(yīng)力錐外側(cè)包裹屏蔽銅網(wǎng)，增加了雜散電容，因此隨著應(yīng)力錐厚度增大，電場(chǎng)強(qiáng)度分布逐漸均勻，應(yīng)力錐繞包端部的電場(chǎng)強(qiáng)度比中部電場(chǎng)強(qiáng)度更高。

圖4 應(yīng)力錐端部的電場(chǎng)分布

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果分析

電纜接頭處最大的電場(chǎng)強(qiáng)度為11.35kV/mm，該值遠(yuǎn)大于空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度3kV/mm。若在制作電纜接頭過程中，半導(dǎo)體繞包層或增強(qiáng)絕緣繞包層之間存在空氣間隙，會(huì)有發(fā)生電纜內(nèi)部局部放電的隱患，從而進(jìn)一步造成電纜內(nèi)部絕緣的劣化。

3 電纜接頭含缺陷的仿真計(jì)算

3.1 缺陷電纜接頭模型設(shè)計(jì)

制作電纜接頭及其應(yīng)力錐時(shí)，需要進(jìn)行切割剝除、繞包制作等工藝，在現(xiàn)場(chǎng)制作中留下劃痕的概率較高，從而產(chǎn)生絕緣層劣化隱患，因此設(shè)計(jì)不同尺寸楔形劃傷缺陷并展開仿真分析。

根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力錐繞包的端部電場(chǎng)強(qiáng)度比中部電場(chǎng)強(qiáng)度更高，因此楔形劃傷缺陷選擇在應(yīng)力錐端部，可反映實(shí)際制作電纜接頭時(shí)剝除XLPE絕緣層的部位。

建立三維1:1尺寸精細(xì)化仿真模型，楔形氣隙缺陷選擇三種深度，分別為2mm、4mm和6mm；選擇三種長(zhǎng)度，分別為20mm、40mm、60mm；切口的寬度固定為0.6mm?？諝忾g隙缺陷設(shè)計(jì)模型如圖5所示。

圖5 空氣間隙缺陷設(shè)計(jì)模型

3.2 電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

不同楔形空氣間隙的最大電場(chǎng)強(qiáng)度見表2。

表2 不同楔形空氣間隙的最大電場(chǎng)強(qiáng)度

由表2可知，隨著長(zhǎng)度增大，最大電場(chǎng)強(qiáng)度普遍呈增大趨勢(shì)；隨著深度增大，最大電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律。

隨著空氣間隙深度變化，電場(chǎng)強(qiáng)度分布也發(fā)生變化，長(zhǎng)度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度分布無太大影響。因此，以長(zhǎng)度20mm為例，分析電場(chǎng)強(qiáng)度與深度的變化關(guān)系。不同空氣間隙深度電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖如圖6所示。

由圖6可知，深度較淺時(shí)，切口外側(cè)較為尖銳，電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較大；當(dāng)深度逐漸增加時(shí)，切口尖端距離纜芯更近，電場(chǎng)強(qiáng)度集中位置逐漸轉(zhuǎn)移到切口尖端。

3.3 電-熱耦合仿真計(jì)算

由上文計(jì)算可得，楔形氣隙內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)2～3kV/mm，不僅使絕緣層產(chǎn)生電化學(xué)劣化，也會(huì)使氣隙內(nèi)溫度升高，進(jìn)一步加劇劣化。因此進(jìn)行溫度場(chǎng)與電場(chǎng)的耦合計(jì)算，分析電纜接頭在缺陷情況下的穩(wěn)態(tài)溫度分布[18-20]。

對(duì)不同長(zhǎng)度和深度的楔形空氣間隙展開仿真。將3.2節(jié)中計(jì)算所得的由泄漏電流產(chǎn)生的功率損耗作為熱源代入溫度場(chǎng)，最外層護(hù)套設(shè)定為自然對(duì)流換熱邊界，外界溫度為20℃，其余邊界設(shè)置為熱絕緣邊界。

不同空氣間隙的最高溫度見表3。隨著空氣間隙的長(zhǎng)度和深度逐漸增加，氣隙內(nèi)最高溫度也逐漸增大。

表3 不同空氣間隙的最高溫度

重點(diǎn)分析楔形氣隙及其附近區(qū)域的溫度分布，選取溫度最高的缺陷情況，即長(zhǎng)度為60mm、深度為6mm的情況，作其剖面的溫度分布云圖?？諝忾g隙及其附近區(qū)域的溫度分布如圖7所示。

楔形氣隙內(nèi)的溫度高于線芯和絕緣層。在發(fā)生單相短路故障時(shí)，內(nèi)部最高溫度可達(dá)74.7℃。若在此狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行，根據(jù)XLPE電纜電熱聯(lián)合老化壽命估計(jì)，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，高溫及電場(chǎng)的聯(lián)合作用會(huì)加劇老化，容易導(dǎo)致內(nèi)部絕緣失效，嚴(yán)重時(shí)需要立即停電，及時(shí)處理運(yùn)行故障，限制電纜在較高溫度下運(yùn)行的時(shí)間。

圖7 空氣間隙及其附近區(qū)域的溫度分布

4 現(xiàn)場(chǎng)缺陷案例與防治

2020年發(fā)生一起典型電纜中間接頭破損導(dǎo)致線路跳閘事件。工作人員詳細(xì)排查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)電纜接頭應(yīng)力錐處燒毀，對(duì)燒毀部位進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)電纜主絕緣存在嚴(yán)重劃傷痕跡。電纜接頭缺陷如圖8所示。

圖8 電纜接頭缺陷

解體后綜合分析判斷，在施工過程中，由于工藝不良，在剝除電纜半導(dǎo)體層時(shí)將電纜頭內(nèi)絕緣層劃傷，導(dǎo)致電纜絕緣部分存在內(nèi)部間隙。在故障處，局部放電對(duì)絕緣層產(chǎn)生積累性劣化，同時(shí)在夏季高負(fù)荷情況下，導(dǎo)致電纜中間接頭長(zhǎng)期處于局部過熱狀態(tài)，電纜絕緣受損加劇從而導(dǎo)致故障發(fā)生。

通過缺陷事故分析，制定防控對(duì)策：①提升電力電纜設(shè)備施工安裝工藝水平，加強(qiáng)施工監(jiān)督管理，保證關(guān)鍵過程有據(jù)可查；②對(duì)在運(yùn)電纜中間接頭和終端進(jìn)行排查，通過紅外測(cè)溫篩查電纜接頭、終端溫度異常；③加強(qiáng)綜合治理，提升電纜外護(hù)套交叉互聯(lián)防水性能。

5 結(jié)論

通過有限元方法對(duì)35kV XLPE電力電纜接頭進(jìn)行仿真計(jì)算，得到有、無缺陷條件下的電場(chǎng)分布及有缺陷時(shí)的溫度分布，具體結(jié)論如下：

1）電力電纜接頭的金屬連接管和應(yīng)力錐部分對(duì)電場(chǎng)分布影響較大，在連接管和應(yīng)力錐的端部電場(chǎng)較為集中。

2）對(duì)于不同尺寸的楔形氣隙缺陷，隨著長(zhǎng)度增大，最大電場(chǎng)強(qiáng)度普遍呈增大趨勢(shì)；隨著深度增大，最大電場(chǎng)強(qiáng)度先減小后增加。楔形劃傷較淺，最大電場(chǎng)強(qiáng)度分布在切口外側(cè)；劃傷較深時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度在切口內(nèi)側(cè)。

3）隨著楔形氣隙長(zhǎng)度和深度的增加，空氣間隙內(nèi)的最高溫度也逐漸增大。隨著運(yùn)行時(shí)間增加，電熱聯(lián)合作用加速老化，并產(chǎn)生積累性影響，破壞電纜絕緣水平，降低電纜壽命。

[1] 曹曉瓏, 劉英, 鐘力生, 等. 從2010國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議看電力電纜技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J]. 高電壓技術(shù), 2011, 37(12): 3078-3083.

[2] 于景豐. 電力電纜實(shí)用技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2003.

[3] 王春江. 電線電纜手冊(cè)[M]. 2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.

[4] 林晨炯, 林珍, 吳雅琳. 電纜接頭溫度在線監(jiān)測(cè)方法研究綜述[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(5): 1-4.

[5] 馬自偉, 賈江波, 查瑋, 等. 10kV XLPE電纜終端電場(chǎng)分布與調(diào)整[J]. 高壓電器, 2007, 43(4): 304-307.

[6] 羅俊華, 邱毓昌, 楊黎明. 10kV及以上電力電纜運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)分析[J]. 高電壓技術(shù), 2003, 29(6): 14-16.

[7] 杜伯學(xué), 韓晨磊, 李進(jìn), 等. 高壓直流電纜聚乙烯絕緣材料研究現(xiàn)狀[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(1): 179-191.

[8] FABIANI D, MONTANARI G C, LAURENT C, et al. HVDC cable design and space charge accumulation. Part 3: effect of temperature gradient[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2008, 24(2): 5-14.

[9] 王超, 劉毅剛, 劉剛, 等. 有限元法應(yīng)用于電纜終端應(yīng)力錐缺陷分析[J]. 高電壓技術(shù), 2007, 33(5): 152-155.

[10] 劉飛. 35kV及以下XLPE電力電纜絕緣老化評(píng)估研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2014.

[11] 張龍, 張偉, 李銳鵬, 等. 10kV XLPE電纜終端缺陷仿真與電場(chǎng)分析[J]. 絕緣材料, 2014, 47(4): 83-88.

[12] 楊帆, 楊旗, 程鵬, 等. 電纜接頭內(nèi)部氣隙放電缺陷下的絕緣劣化程度表征方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(2): 24-32.

[13] 劉剛, 陳志娟, 陸國(guó)俊, 等. 110kV交聯(lián)聚乙烯電纜終端主絕緣含雜質(zhì)的擊穿特性分析[J]. 高電壓技術(shù), 2010, 36(10): 2450-2453.

[14] 趙柏山, 王慶祝. 高壓電纜實(shí)時(shí)導(dǎo)體溫度計(jì)算與載流量預(yù)測(cè)探究[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(3): 10-15.

[15] 徐元哲, 王樂天, 高洪學(xué), 等. 電力電纜接頭溫度場(chǎng)分布的理論研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008, 36(24): 4-13.

[16] 唐科, 文武, 丁俊杰, 等. 基于有限元法的電纜接頭溫度場(chǎng)仿真[J]. 電力建設(shè), 2016, 37(2): 145-150.

[17] 王偉. 交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2011.

[18] 張洪麟, 唐軍, 陳偉根, 等. 基于有限元法的地下電纜群溫度場(chǎng)及載流量的仿真計(jì)算[J]. 高壓電器, 2010, 46(2): 42-51.

[19] 王有元, 陳仁剛, 陳偉根, 等. 有限元法計(jì)算地下電纜穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)及其影響因素[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(2): 3086-3092.

[20] REDDY C C, RAMU T S. On the computation of electric field and temperature distribution in HVDC cable insulation[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Insulation, 2006, 13(6): 1236-1244.

Simulation analysis of 35kV cable joint with air gap defect based on electrothermal field coupling

CHEN Yin1HUANG Ruimei2

(1. State Grid Xiamen Power Supply Company, Xiamen, Fujian 361000; 2. Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yongan, Fujian 366000)

In order to study the performance of cable joints with different sizes of air wedge gaps, the refined model of 35kV cable joint is designed to calculate the electric field and temperature distribution of cable joint under single-phase earthing fault by the finite element method. The results show that the electric field in air gap of cable joint is concentrated which leads to the deterioration of insulation layer. As the length of air gap increases, the maximum electric field in air gap gradually increases. As the depth of the air gap increases, the maximum electric field in air gap decreases at first and then increases. Also, it shows that the accumulation of heat in the air gap will cause the deterioration of insulation. At last, according to actual defect cases, risk pre-control and prevention measures are proposed.

cable joint; air gap; electric field; temperature distribution

2021-02-17

2021-03-20

陳 胤（1992—），男，碩士，工程師，主要從事電磁場(chǎng)仿真計(jì)算相關(guān)工作。