陶瑞祥，王成珠，姜云土，曹俊平，王少華

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

電纜接頭是電纜穩(wěn)定運行的薄弱環(huán)節(jié)，也是電纜故障的多發(fā)區(qū)段[1]。電纜長期運行過程中，通流發(fā)熱使得電纜接頭各部分產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性變化，導(dǎo)致內(nèi)部電場畸變，同時絕緣材料熱老化使得絕緣性能下降[2]，最終導(dǎo)致電纜接頭發(fā)生擊穿故障。當(dāng)前，針對電纜接頭缺陷故障分析已有相當(dāng)數(shù)量的研究，其中關(guān)于電纜接頭絕緣缺陷[3-4]及接頭內(nèi)部電場分布[5-6]的研究較多，此外還包括阻水性[7]、溫度分布及監(jiān)測[8-9]、局放檢測[10-11]等方面的研究。在電纜接頭缺陷方面，文獻[12]研究了接頭半導(dǎo)電尖端缺陷的局部放電特征，文獻[13]對電纜主絕緣劃傷、含雜質(zhì)、受潮和半導(dǎo)體尖端缺陷4種典型的絕緣缺陷進行電場和溫度場仿真，文獻[14]計算了110 kV 電纜中間接頭在正常工作、絕緣層出現(xiàn)老化和絕緣層中存在雜質(zhì)時的電場分布?，F(xiàn)有文獻在電纜接頭絕緣收縮方面的研究較少。文獻[15]針對電纜主絕緣回縮類缺陷給出了電場模擬方法，但針對的是10 kV 電壓等級的電纜接頭。220 kV 電纜接頭內(nèi)部主絕緣收縮量更大，加上電壓等級較高，電場畸變更加明顯。本文對220 kV電纜接頭XLPE 絕緣收縮后關(guān)鍵區(qū)域的電場強度進行計算，分析不同收縮情況下的電場變化，為電纜接頭擊穿故障分析提供理論基礎(chǔ)。

1 電纜接頭及參數(shù)

某220 kV 電纜運行過程中，線路中間接頭出現(xiàn)了如圖1 所示的擊穿故障，擊穿通道位于高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域。此接頭為整體預(yù)制式接頭，基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。各主要部分的徑向參數(shù)與電磁參數(shù)如表1 所示。依據(jù)圖2 所示的結(jié)構(gòu)建立計算模型，并假定電纜運行電壓有效值為127 kV。

圖1 電纜接頭擊穿故障

圖2 電纜接頭基本結(jié)構(gòu)

表1 電纜各部分基本參數(shù)

2 電纜接頭電場分析

本文通過建立電纜中間接頭XLPE 絕緣不同程度收縮但未脫離與高壓應(yīng)力錐接觸情況下的模型，在靜電場條件下計算電纜接頭的電場，研究電纜接頭絕緣部分電場分布。在不考慮殘余電荷的情況下計算方程為：

導(dǎo)體邊界為：

絕緣橡膠邊界為：

式（1）—（3）中：φ 為電位；φ0為導(dǎo)體邊界電位；φ1為絕緣邊界電位。

XLPE 絕緣收縮情況下的電場分布符合軸對稱性質(zhì)，可采用二維計算模型。此外，當(dāng)XLPE 絕緣收縮造成高壓應(yīng)力錐與絕緣橡膠出現(xiàn)空氣間隙時，其電場分布仍符合軸對稱性質(zhì)。

高壓應(yīng)力錐端部、高壓應(yīng)力錐與絕緣橡膠的結(jié)合部均是擊穿故障的高發(fā)區(qū)域，本文在分析電場分布時，將重點關(guān)注高壓應(yīng)力錐與絕緣橡膠交界區(qū)域，尤其是高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域，如圖3 所示。本文電場分布曲線圖中橫軸所示的節(jié)點編號均按照圖3 中箭頭方向由小到大進行編號。

2.1 正常電纜接頭電場

依據(jù)圖2 所示的電纜接頭基本結(jié)構(gòu)建立計算模型，計算正常電纜接頭的電場分布，標(biāo)定路徑（圖3 虛線段）上的電場分布如圖4 所示。

圖3 高壓應(yīng)力錐與絕緣橡膠交界區(qū)域

圖4 標(biāo)定路徑上的電場分布

從圖4 的計算結(jié)果看，電纜接頭高壓應(yīng)力錐端部是電場強度最大的區(qū)域，驗證了該區(qū)域是電纜接頭擊穿故障高發(fā)區(qū)域的判斷。

2.2 XLPE 絕緣單側(cè)收縮的電纜接頭電場

隨著電纜的運行，XLPE 絕緣受熱老化會出現(xiàn)不同程度的收縮，如圖5 所示。220 kV 電纜主絕緣收縮量可達數(shù)厘米，XLPE 絕緣收縮會影響電纜接頭內(nèi)部電場分布。本節(jié)計算電纜接頭單側(cè)出現(xiàn)不同程度XLPE 絕緣收縮時，標(biāo)定路徑上的電場分布，并與正常電纜接頭計算結(jié)果進行比較，結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖5 單側(cè)XLPE 絕緣收縮

從圖6、圖7 的計算結(jié)果看，電纜接頭內(nèi)高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段電場隨著收縮距離的增大而整體增大，而其他段電場基本保持一致，變化很小。

圖6 XLPE 單側(cè)收縮時，高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段的電場分布

圖7 XLPE 絕緣單側(cè)收縮時，標(biāo)定路徑上的電場分布

選取高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域中電場變化較為明顯的4 個節(jié)點A，B，C，D，比較XLPE 絕緣出現(xiàn)單側(cè)收縮時電纜接頭與正常接頭在節(jié)點處的電場強度，如表2 所示。

表2 擊穿部位附近節(jié)點電場強度

從表2 的計算結(jié)果看，當(dāng)XLPE 絕緣出現(xiàn)單側(cè)收縮時，高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域電場出現(xiàn)一定程度增強，最高可達11 kV/m。

2.3 XLPE 絕緣雙側(cè)收縮的電纜接頭電場

本節(jié)計算電纜XLPE 絕緣雙側(cè)收縮時（如圖8 所示），電纜接頭標(biāo)定路徑上的電場分布。

圖8 雙側(cè)XLPE 絕緣收縮

從圖6、圖7 的計算結(jié)果可以看出，XLPE 絕緣出現(xiàn)收縮時，收縮距離只對高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段的電場影響較大，而對其他接觸段電場影響不明顯。為了更清晰地顯示收縮距離對電場的影響規(guī)律，后續(xù)收縮距離顆粒度設(shè)置為1 cm。本節(jié)假定單側(cè)收縮1 cm，通過改變另一側(cè)的收縮距離來研究XLPE 絕緣雙側(cè)收縮時電纜接頭電場分布，計算結(jié)果如圖9 所示。

圖9 XLPE 絕緣雙側(cè)收縮時，高壓應(yīng)力錐與XLPE絕緣接觸段的電場分布

從圖9 的計算結(jié)果看，XLPE 絕緣雙側(cè)收縮時，隨著收縮距離的增大，電纜接頭高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段電場強度整體提升，且右側(cè)收縮距離的增大對左側(cè)電場分布基本沒有影響。

假定左側(cè)收縮距離為Dl、右側(cè)收縮距離為Dr（如圖10 所示），本節(jié)計算XLPE 絕緣單側(cè)收縮（Dl分別為1 cm，2 cm，3 cm，4 cm）和XLPE 絕緣雙側(cè)收縮（Dl為1 cm，Dr分別為1 cm，2 cm，3 cm，4 cm）不同情形下，高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段、高壓應(yīng)力錐端部的電場，比較結(jié)果如圖11、表3 所示，其中表3 的選點方式與表2 相同。

圖10 XLPE 絕緣單側(cè)與雙側(cè)收縮

從圖11 可以看出，XLPE 絕緣出現(xiàn)雙側(cè)收縮時，兩側(cè)XLPE 接觸段的電場分布相對獨立，即一側(cè)XLPE 絕緣收縮對另一側(cè)電場分布影響甚微。從表3 的計算結(jié)果看，XLPE 絕緣出現(xiàn)單側(cè)收縮和雙側(cè)收縮時，高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域電場強度基本一致。

圖11 XLPE 絕緣單側(cè)與雙側(cè)收縮情形下，高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段電場分布比較

表3 2 種情況下?lián)舸┎课桓浇?jié)點電場強度

2.4 XLPE 絕緣收縮產(chǎn)生氣隙時的電纜接頭電場

當(dāng)電纜XLPE 絕緣出現(xiàn)收縮時，很可能造成高壓應(yīng)力錐與橡膠之間的氣隙，如圖12 所示。本節(jié)計算當(dāng)高壓應(yīng)力錐與橡膠之間出現(xiàn)氣隙時電纜接頭標(biāo)定路徑上的電場大小，研究絕緣收縮與氣隙對電纜接頭電場的影響。

圖12 高壓應(yīng)力錐與橡膠之間出現(xiàn)氣隙

XLPE 出現(xiàn)單側(cè)收縮或雙側(cè)收縮時，單側(cè)收縮側(cè)或雙側(cè)收縮中收縮量較大的一側(cè)均可能會出現(xiàn)氣隙，標(biāo)定路徑上的電場分布如圖13 所示。

圖13 單側(cè)出現(xiàn)氣隙時，標(biāo)定路徑上的電場分布

從圖13 的計算結(jié)果看，單側(cè)氣隙對高壓應(yīng)力錐本側(cè)端部電場影響極為明顯，而對另一側(cè)端部電場影響甚微。相比而言，XLPE 收縮量的大小對高壓應(yīng)力錐端部電場影響較為微弱，且收縮量對標(biāo)定路徑上其他位置的電場強度影響不大。

若XLPE 出現(xiàn)雙側(cè)收縮，則有可能在雙側(cè)出現(xiàn)氣隙，標(biāo)定路徑上的電場分布如圖14 所示。

從圖14 的計算結(jié)果看，雙側(cè)出現(xiàn)氣隙時，各側(cè)的氣隙只會影響本側(cè)高壓應(yīng)力錐端部的電場分布，而對另一側(cè)的電場分布影響很小。

圖14 雙側(cè)收縮時，標(biāo)定路徑上的電場分布

3 結(jié)語

本文通過分析正常電纜接頭和出現(xiàn)XLPE 絕緣收縮的電纜接頭的電場分布，得出如下結(jié)論：

1）正常情況下，電纜接頭高壓應(yīng)力錐端部電場強度相對較高，在出現(xiàn)XLPE 絕緣收縮后，電場強度進一步增大，加上絕緣材料的熱老化使得該區(qū)域更易發(fā)生擊穿故障。

2）當(dāng)XLPE 絕緣出現(xiàn)收縮時，高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段的電場隨著收縮距離的增大而增大。高壓應(yīng)力錐端部電場對收縮距離的變化不敏感。

3）當(dāng)XLPE 絕緣出現(xiàn)雙側(cè)收縮時，一側(cè)收縮距離的增大對另一側(cè)電場分布基本沒有影響。

4）XLPE 絕緣收縮產(chǎn)生的氣隙對電場的影響遠超過絕緣收縮，更易導(dǎo)致高壓應(yīng)力錐端部的擊穿故障。一側(cè)氣隙只對高壓應(yīng)力錐本側(cè)電場產(chǎn)生影響，對另一側(cè)電場影響甚微。