王成江，郭鳴銳，張 揚(yáng)，曾洪平，張 婧，祝夢(mèng)雅

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

高壓電纜接頭為多層固體復(fù)合介質(zhì)絕緣結(jié)構(gòu)，是電纜系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由接頭附件造成的電纜故障約占運(yùn)行總故障比例的64%[1-4]。除因生產(chǎn)工藝導(dǎo)致的缺陷外，電纜接頭在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中若出現(xiàn)劃痕、磕碰或硅脂涂抹不均勻等不當(dāng)操作，極易導(dǎo)致電纜絕緣材料破損和結(jié)構(gòu)的不均勻發(fā)熱膨脹，也會(huì)在接頭附件與電纜本體交界面處形成氣隙缺陷[5]。缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)畸變并引發(fā)間隙放電，放電產(chǎn)生的局部高溫和應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)加速電纜絕緣的老化，導(dǎo)致電纜附件的絕緣介質(zhì)擊穿、燒毀甚至炸裂，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行[6-9]。

目前，有關(guān)缺陷對(duì)電纜接頭電場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響研究較多。文獻(xiàn)[10-11]研究了多種典型缺陷對(duì)電纜接頭電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響。文獻(xiàn)[12-16]通過建立電熱耦合模型，對(duì)缺陷電纜接頭電場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布特性進(jìn)行研究。而關(guān)于缺陷對(duì)電纜接頭結(jié)構(gòu)損傷的研究較少，且主要集中在應(yīng)力分析上。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于等效熱源的介質(zhì)管件放電熱應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算方法，并對(duì)電纜接頭絕緣介質(zhì)中出現(xiàn)電弧放電時(shí)的溫度及熱應(yīng)力分布進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[18]研究電纜接頭在不同內(nèi)部缺陷下的電-熱-力規(guī)律，并結(jié)合材料斷裂的臨界應(yīng)力準(zhǔn)則，得出導(dǎo)致電纜接頭爆炸的閾值。文獻(xiàn)[19]研究電纜接頭在正常運(yùn)行和絕緣材料中含有雜質(zhì)缺陷時(shí)電場(chǎng)、溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力的分布規(guī)律，并對(duì)這種典型缺陷下復(fù)合材料熱應(yīng)力分布的二次畸變情況進(jìn)行了分析。上述文獻(xiàn)的研究重點(diǎn)都集中在電場(chǎng)、溫度場(chǎng)上，對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的分析只考慮熱應(yīng)力，而忽略了氣體壓力和機(jī)械力的影響，且目前對(duì)因氣隙缺陷持續(xù)放電產(chǎn)生的熱與應(yīng)力集中效應(yīng)而造成的電纜接頭界面開裂現(xiàn)象仍然缺少研究。掌握氣隙持續(xù)放電下電纜接頭溫度、應(yīng)力及界面開裂的變化規(guī)律對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)故障現(xiàn)象，從而指導(dǎo)電纜接頭的制作與安裝具有重要的理論意義。

本文以110 kV單芯高壓電纜接頭為原型，建立三維仿真模型，分析間隙等效放電功率、氣隙壓強(qiáng)、氣隙厚度及氣隙位置對(duì)接頭溫度、應(yīng)力及界面開裂程度的影響。

1 電纜接頭建模與計(jì)算

1.1 電纜接頭模型的建立

由于目前檢測(cè)設(shè)備無法實(shí)測(cè)出運(yùn)行中電纜接頭的應(yīng)力分布情況，且間隙放電受多種因素影響具有隨機(jī)性與不可控性，本文采用有限元軟件，通過仿真的方式進(jìn)行研究。

XLPE電纜因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、耐熱好、負(fù)載能力強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用。本文參考YJLW03-Z64/110 kV型電纜及其預(yù)制式中間接頭的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，并結(jié)合電纜接頭運(yùn)行中最常出現(xiàn)界面氣隙的位置，分別在應(yīng)力錐-硅橡膠界面、硅橡膠-主絕緣界面和半導(dǎo)電帶-連接管界面3處典型位置添加界面氣隙。由于氣隙的形狀具有隨機(jī)性，為方便計(jì)算，將仿真中的氣隙形狀設(shè)置為環(huán)形。在電纜接頭制作中，需排查界面處是否有明顯缺陷，從而保證在電纜運(yùn)行中復(fù)合界面處不會(huì)有較大氣隙的出現(xiàn)，因此本文建立厚度為1～2 mm、長(zhǎng)度為10 mm的環(huán)狀微氣隙，其電纜接頭模型如圖1所示。

圖1 電纜接頭模型Fig.1 Cable joint model

1.2 計(jì)算原理

本文引入一種與放電熱效應(yīng)等效的熱源，即間隙等效放電功率來衡量間隙放電的強(qiáng)弱程度。因?yàn)殡娎|絕緣間隙放電與介質(zhì)阻擋放電（DBD）具有相似性，可以用來計(jì)算電力電纜中的放電能量[20]。

圖2為工頻DBD模型和等效電路。圖2中，Cd1和Cd2是絕緣介質(zhì)的等效電容，Cg是間隙的等效電容。因?yàn)楫?dāng)間隙被擊穿時(shí)，間隙的電壓保持穩(wěn)定，所以間隙可以等效于齊納二極管。DBD間隙的放電能量可按式（1）計(jì)算。

圖2 DBD模型及其等效電路Fig.2 DBD model and equivalent circuit

式（1）中：f是頻率；Cd是絕緣介質(zhì)的電容，等于Cd1和Cd2之和；Uop是電極之間電壓的峰值；Ug是DBD的間隙電壓。當(dāng)間隙發(fā)生故障時(shí)，可通過測(cè)量外部電路的伏安特性來計(jì)算間隙電壓。因?yàn)闅庀段恢煤蜌庀睹娴拇植诔潭炔煌?，間隙電壓不同，所以間隙放電能量也不同。

考慮電纜表面是通過對(duì)流與輻射的形式與外界進(jìn)行換熱，則電纜接頭溫度場(chǎng)的表達(dá)式如式（2）～（4）所示[21]。

式（2）～（4）中：ρ為材料密度；c為材料比熱容；T為待求溫度變量；λ為材料熱導(dǎo)率；Qv為熱源密度；h為表面對(duì)流換熱系數(shù)；Tf為接頭表面溫度；Tamb為環(huán)境溫度；σ0為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8；ε為表面發(fā)射率。

忽略由電磁力對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響，電纜接頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)表達(dá)式為式（5）～（9）所示。

式（5）～（9）中：ρ為材料密度；u為位移；s為應(yīng)力張量；s0為應(yīng)力張量初始值；Fv為體積力；ε為應(yīng)變張量；ε0為應(yīng)變張量初始值；εth為應(yīng)力應(yīng)變張量；E為彈性模量；v為泊松比；α為熱膨脹系數(shù)；T和Tref分別為溫度和參考溫度。

假設(shè)氣隙內(nèi)部為理想氣體，其壓強(qiáng)可由狀態(tài)方程求出，如式（10）所示。

式（10）中：P為氣體壓強(qiáng)；V為氣體體積；n為氣體物質(zhì)的量；R為通用氣體常數(shù)，其值為8.314 41 J/(mol·K)；T為氣體溫度，本文取參考溫度為30℃。

1.3 網(wǎng)格剖分及邊界條件設(shè)定

本文以有限元仿真軟件ANSYS Workbench為研究工具，由于涉及氣體與固體的熱力學(xué)分析，采用Fluent模塊與Mechanical模塊流固耦合的方式進(jìn)行仿真計(jì)算。在SpaceClaim模塊中建立存在界面氣隙的電纜接頭三維仿真模型，通過Mesh模塊對(duì)電纜接頭模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。為提高仿真計(jì)算準(zhǔn)確性，使用四面體單元的非線性網(wǎng)格劃分法，對(duì)電纜接頭模型各部件交界面及氣隙附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，并假設(shè)電纜接頭附件與電纜本體之間無相對(duì)滑動(dòng)，設(shè)置其界面接觸方式為Rough，接觸算法采用Normal Lagrange法，此種方法可以將接觸壓力作為一個(gè)自由度來滿足接觸兼容性，可在最大程度上消除接觸穿透，保證仿真計(jì)算準(zhǔn)確性。為保證仿真的計(jì)算效率，在邊界條件設(shè)定中，作出如下假設(shè)[22]：

（1）電纜接頭各結(jié)構(gòu)的材料特性參數(shù)是常數(shù)，不隨溫度的變化而發(fā)生變化，仿真中所用材料的物性參數(shù)如表1～2所示；

表1 用于溫度場(chǎng)計(jì)算的材料物性參數(shù)Tab.1 Material property parameters used for temperature field calculation

表2 用于應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的材料物性參數(shù)Tab.2 Material property parameters used for stress field calculation

（2）忽略接頭內(nèi)部金屬損耗和介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱，認(rèn)為電纜溫升的原因是通電纜芯產(chǎn)生的焦耳熱；

（3）因氣隙體積微小，假設(shè)間隙放電產(chǎn)生的熱量均勻分布在氣隙內(nèi)。

本文取電纜載流量為1 000 A，并將其轉(zhuǎn)換為熱源的形式施加于纜芯；電纜與外界的對(duì)流換熱系數(shù)h為5.6 m2·K；接頭表面發(fā)射率ε為0.6；外界溫度為30℃；電纜接頭附件與電纜XLPE主絕緣結(jié)合界面的初始面壓為0.25 MPa[23]。

2 仿真結(jié)果分析

電纜接頭氣隙缺陷的存在使局部溫度與應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生畸變，在高溫和力的作用下絕緣材料發(fā)生不同程度的形變，導(dǎo)致復(fù)合界面發(fā)生開裂現(xiàn)象，因此研究接頭溫度與應(yīng)力的變化規(guī)律對(duì)研究界面開裂具有指導(dǎo)意義。

圖3為電纜接頭正常運(yùn)行和存在氣隙且間隙放電功率為1 W，并達(dá)到熱平衡時(shí)硅橡膠-主絕緣氣隙缺陷電纜接頭的溫度與應(yīng)力分布情況。

圖3 電纜接頭硅橡膠-主絕緣微間隙時(shí)的局部溫度-應(yīng)力分布Fig.3 Local temperature-stress distribution of cable joint with silicone rubber-main insulation micro-gap

從圖3可以看出，當(dāng)接頭內(nèi)部不存在氣隙（正常運(yùn)行）時(shí)，硅橡膠界面處溫度在65℃左右，絕緣材料中應(yīng)力分布均勻，最大值約為0.21 MPa。而當(dāng)界面處存在間隙時(shí)，局部溫度明顯上升，氣隙周圍最高溫度可達(dá)104℃，相比正常運(yùn)行時(shí)升高了39℃；絕緣材料中應(yīng)力分布也變得極不均勻，在間隙面處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到0.255 MPa，相比正常運(yùn)行情況下增大了0.043 MPa。

2.1 溫度變化規(guī)律分析

2.1.1 間隙等效放電功率對(duì)氣隙溫度的影響

保持氣隙尺寸不變，氣隙初始?jí)簭?qiáng)為0.1 MPa，3處氣隙最高溫度隨間隙等效放電功率的變化趨勢(shì)如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)間隙內(nèi)不存在放電時(shí)，半導(dǎo)電帶-連接管氣隙溫度最高為80.28℃，而應(yīng)力錐-主絕緣氣隙和硅橡膠-主絕緣氣隙位置溫度分別為63.31℃和68.92℃，隨間隙等效放電功率的增加，氣隙最高溫度隨之升高。其中半導(dǎo)電帶-連接管氣隙的溫度升高增幅最慢；當(dāng)間隙放電功率增大到5.0 W時(shí)，半導(dǎo)電帶-連接管氣隙溫度升高至187.85℃；而硅橡膠-主絕緣氣隙的溫升速度最快，相同條件下，溫度升高至378.75℃，增幅接近前者的兩倍。造成這種現(xiàn)象的原因是連接管金屬材料擁有良好的導(dǎo)熱性能，當(dāng)間隙不存在放電時(shí)，熱量可通過連接管傳導(dǎo)入氣隙中，造成其初始溫度高于其他氣隙位置；而間隙內(nèi)發(fā)生放電，溫度又急劇升高時(shí)，熱量又可以通過連接管傳導(dǎo)入纜芯中，導(dǎo)致其溫度上升較慢。氣隙內(nèi)間隙放電能量越大，溫度越集中，局部熱膨脹和不規(guī)則形變程度均會(huì)增大，使界面產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。電纜接頭若長(zhǎng)時(shí)間處于較高的溫度下，會(huì)造成絕緣介質(zhì)熱侵蝕，加速絕緣老化，增加電纜絕緣故障風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 氣隙最高溫度隨間隙放電功率變化Fig.4 The maximum air gap temperature varies with the gap discharge power

2.1.2 氣隙厚度對(duì)氣隙溫度的影響

在上述模型基礎(chǔ)上，保持氣隙初始?jí)簭?qiáng)為0.1 MPa，改變氣隙厚度，分別記錄間隙等效放電功率為0.1 W和1.0 W時(shí)，3處位置的氣隙最高溫度隨厚度的變化規(guī)律，如圖5所示。從圖5可以看出，隨氣隙厚度的增加，3處氣隙的最高溫度均呈下降趨勢(shì)，且間隙放電功率越大，氣隙溫度變化受厚度的影響也相對(duì)明顯。當(dāng)間隙放電功率為0.1 W時(shí)，氣隙厚度由1.0 mm增加到2.0 mm，3處氣隙溫度變化均不超過1℃，變化幅度很小，其中應(yīng)力錐-主絕緣氣隙的溫度變化最大，下降了0.41℃。而間隙放電功率為1.0 W時(shí)，相同條件下應(yīng)力錐-主絕緣氣隙最高溫度由139.42℃下降到136.14℃，下降幅度為間隙放電功率0.1 W時(shí)的8倍。造成這種現(xiàn)象的原因是散熱量與氣隙表面積和溫度有關(guān)，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，氣隙內(nèi)部生熱量等于散熱量。放電能量一定時(shí)，氣隙厚度越小，其散熱面積越小，能量越集中，溫度也越高。當(dāng)氣隙增加一定厚度，即散熱面積增大時(shí)，根據(jù)熱平衡條件，其間隙放電能量越大，溫度變化量也越大。

圖5 氣隙最高溫度隨氣隙厚度變化Fig.5 The maximum temperature of air gap varies with the air gap thickness

2.2 應(yīng)力變化規(guī)律分析

2.2.1 間隙等效放電功率對(duì)接頭應(yīng)力的影響

保持氣隙尺寸不變，氣隙初始?jí)簭?qiáng)為0.1 MPa，考慮放電溫升對(duì)氣隙壓力的影響，氣隙面應(yīng)力最大值隨間隙等效放電功率變化如圖6所示。

圖6 氣隙面最大應(yīng)力隨放電功率變化Fig.6 The maximum stress of the gap wall varies with the discharge power

從圖6可以看出，隨間隙放電功率的增加，氣隙面應(yīng)力最大值均呈上升趨勢(shì)，其中應(yīng)力錐-主絕緣氣隙面應(yīng)力增幅最快，當(dāng)間隙放電功率增加到5.0 W時(shí)，其應(yīng)力最大值為1.655 MPa。而硅橡膠-主絕緣氣隙面應(yīng)力最大值增大較為緩慢，相同條件下的增幅約為0.05 MPa。

造成以上現(xiàn)象的原因是間隙放電不僅會(huì)引起熱應(yīng)力的增大，也會(huì)造成氣隙壓強(qiáng)的升高，而氣隙面應(yīng)力是接頭附件與電纜間的初始緊握力、熱應(yīng)力以及氣隙壓力共同作用的結(jié)果，熱應(yīng)力與氣隙壓力作用方向不同，二者有相互抵消的效果。電纜附件不同材料的彈性模量與熱膨脹系數(shù)不同，相較于半導(dǎo)電材料，硅橡膠彈性模量小，熱膨脹系數(shù)大，氣體壓力對(duì)其形變的作用效果相對(duì)明顯，從而抵消部分因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，所以硅橡膠-主絕緣氣隙處應(yīng)力隨間隙放電能量增長(zhǎng)速度較慢。而半導(dǎo)電材料的彈性模量與熱膨脹系數(shù)均較大，由氣體壓力產(chǎn)生的形變效果較弱，而由溫度造成的熱膨脹效果較明顯，使間隙放電熱效應(yīng)在應(yīng)力增大中起主要作用，所以應(yīng)力錐-主絕緣和半導(dǎo)電帶-連接管氣隙處的應(yīng)力值隨間隙放電功率的增加呈快速增大的趨勢(shì)。由前文研究可知，間隙放電熱效應(yīng)會(huì)在局部產(chǎn)生高溫，使橡膠材料的抗張強(qiáng)度大幅減小，在受到較大應(yīng)力時(shí)更易形成微孔或裂紋，且電纜接頭處于強(qiáng)電場(chǎng)作用下，帶電粒子在裂紋中更容易獲得加速，也會(huì)造成缺陷附近分子鏈斷裂，加速絕緣老化[24]，甚至引起絕緣材料破裂而導(dǎo)致?lián)舸┦鹿实陌l(fā)生。

為觀察不同間隙放電功率下接頭附件應(yīng)力分布的變化情況，沿圖1中A、B、C路徑每隔1 mm取一觀測(cè)點(diǎn)，記錄路徑上的應(yīng)力值并繪制于圖7。

圖7 不同間隙放電功率下氣隙局部應(yīng)力的分布Fig.7 The local stress distribution of air gap under different gap discharge power

從圖7可以看出：①間隙放電對(duì)氣隙局部應(yīng)力分布的影響非常明顯，以硅橡膠-主絕緣氣隙缺陷接頭為例，當(dāng)氣隙內(nèi)不存在放電時(shí)，觀測(cè)路徑上的應(yīng)力分布曲線呈先增大后減小的趨勢(shì)，并在距離氣隙8 mm處達(dá)到最大值，而隨間隙放電功率的增加，氣隙附近應(yīng)力不斷增大，最終達(dá)到檢測(cè)路徑上的最大值，應(yīng)力分布曲線也變?yōu)閱握{(diào)下降趨勢(shì)。②應(yīng)力變化在硅橡膠材料中的衰減速度遠(yuǎn)大于半導(dǎo)電體材料。當(dāng)間隙放電功率由0 W增加到4 W時(shí)，硅橡膠-主絕緣氣隙缺陷接頭的應(yīng)力分布曲線在檢測(cè)終點(diǎn)處的應(yīng)力差值為0.014 MPa，而相同條件下應(yīng)力錐-主絕緣氣隙缺陷接頭的應(yīng)力曲線差值達(dá)到0.307 MPa，為前者的21.47倍。

2.2.2 氣隙壓強(qiáng)對(duì)接頭應(yīng)力的影響

缺陷電纜接頭氣隙形成的原因不同，其內(nèi)部壓強(qiáng)也存在差異。例如在接頭制作時(shí)因劃傷、磕碰等外力因素形成的氣隙，由于受到擠壓作用，氣隙壓強(qiáng)通常等于或大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即0.1 MPa。而由受熱不均形成的氣隙，由于此處本無氣體，其氣隙壓強(qiáng)通常小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。且當(dāng)氣隙內(nèi)部發(fā)生放電時(shí)，氣體溫升會(huì)引起熱膨脹，甚至高溫對(duì)周圍絕緣介質(zhì)的燒蝕而產(chǎn)生有機(jī)蒸汽，也會(huì)使氣隙壓強(qiáng)發(fā)生改變。本文定義當(dāng)氣隙壓強(qiáng)小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)為負(fù)壓，大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)為正壓。保持氣隙尺寸不變，間隙等效放電功率為0.1 W，改變氣隙初始?jí)簭?qiáng)，得到氣隙面應(yīng)力最大值變化曲線如圖8所示。

圖8 氣隙面最大應(yīng)力隨氣壓變化Fig.8 The maximum stress of the gap wall varies with the air pressure

從圖8可以看出，當(dāng)氣隙為負(fù)壓時(shí)，3處氣隙面的應(yīng)力最大值均高于標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的應(yīng)力值，說明氣隙負(fù)壓有增大局部應(yīng)力的效果。隨氣隙壓強(qiáng)的增加，3處氣隙面應(yīng)力值均呈先減小后增大趨勢(shì)；當(dāng)氣隙壓強(qiáng)為0.30 MPa時(shí)，應(yīng)力錐-主絕緣氣隙面和硅橡膠-主絕緣氣隙面的應(yīng)力最大值達(dá)到最小，分別為0.326 MPa、0.072 MPa，相比氣隙壓強(qiáng)為0.10 MPa時(shí)分別下降了32.2%和73.1%；當(dāng)氣隙壓強(qiáng)為0.35 MPa時(shí)，半導(dǎo)電層-連接管氣隙面的應(yīng)力最大值達(dá)到最小，為0.448 MPa，相比氣隙壓強(qiáng)為0.1 MPa時(shí)下降了42.9%?？梢钥闯鰵庀秹簭?qiáng)變化對(duì)硅橡膠處應(yīng)力的影響要明顯高于半導(dǎo)電材料處。

為觀察在氣隙初始?jí)簭?qiáng)改變下應(yīng)力分布的變化情況，按圖7所用方法繪制圖9。從圖9可以看出：①當(dāng)氣隙壓強(qiáng)為0.05 MPa時(shí)，3處觀測(cè)路徑上的應(yīng)力值均高于標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的值，但應(yīng)力沿徑向的變化趨勢(shì)是一致的，證實(shí)了氣隙負(fù)壓對(duì)局部應(yīng)力的增大作用。②氣隙壓強(qiáng)變化對(duì)硅橡膠材料處的應(yīng)力分布影響要遠(yuǎn)大于半導(dǎo)電體材料處。以硅橡膠-主絕緣和應(yīng)力錐-主絕緣氣隙缺陷接頭為例，當(dāng)達(dá)到應(yīng)力最小值所對(duì)應(yīng)的氣壓值時(shí)，硅橡膠-主絕緣氣隙附近應(yīng)力值最小，應(yīng)力分布曲線發(fā)生改變而趨于平緩，而應(yīng)力錐-主絕緣氣隙處應(yīng)力分布曲線只是大小上發(fā)生變化（注：電纜接頭中的應(yīng)力錐為半導(dǎo)體材料）。③與圖7對(duì)比可得，氣隙壓強(qiáng)引起的應(yīng)力變化曲線在檢測(cè)路徑終點(diǎn)處的差值較小，而間隙放電引起的應(yīng)力變化曲線在檢測(cè)路徑終點(diǎn)處依然有較大差值，所以相比于氣隙壓強(qiáng)改變，間隙放電對(duì)電纜接頭應(yīng)力畸變的影響范圍更大。

圖9 不同氣隙壓強(qiáng)下局部應(yīng)力分布Fig.9 The local stress distribution under different air gap pressures

2.2.3 氣隙厚度對(duì)應(yīng)力的影響

保持氣隙初始?jí)簭?qiáng)為0.1 MPa，改變氣隙厚度，分別記錄間隙放電功率為0.1 W和1.0 W時(shí)，氣隙面應(yīng)力最大值的變化情況，如圖10所示。從圖10可以看出，當(dāng)間隙放電功率為0.1 W時(shí)，氣隙面應(yīng)力最大值隨氣隙厚度的增加呈增大趨勢(shì)，其中應(yīng)力錐-主絕緣氣隙面的應(yīng)力增幅最大，氣隙厚度由1.0 mm增加到2.0 mm，其應(yīng)力最大值由0.443 MPa增大到0.468 MPa，增幅為0.025 MPa。而間隙放電功率為1.0 W時(shí)，氣隙面應(yīng)力最大值隨氣隙厚度的增加呈減小趨勢(shì)，以應(yīng)力錐-主絕緣氣隙為例，相同條件下其應(yīng)力最大值由0.675 MPa減小到0.639 MPa，變化量為0.036 MPa。這是因?yàn)殚g隙放電功率較小時(shí)，改變氣隙厚度對(duì)溫度的影響很小，可以推斷在小間隙放電能量時(shí)，厚度增加導(dǎo)致形變量增大是氣隙面應(yīng)力增大的主要原因。而間隙放電功率較大時(shí)，隨氣隙厚度的增加，氣隙溫度變化較為明顯，成為應(yīng)力增大的主要因素。

圖10 氣隙面最大應(yīng)力隨氣隙厚度的變化Fig.10 The maximum stress of the gap wall varies with air gap thickness

2.3 界面開裂規(guī)律分析

由前文研究可知，氣隙缺陷內(nèi)發(fā)生持續(xù)放電會(huì)引起局部溫度及應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生不同程度的形變，使接頭復(fù)合界面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，從而使電纜接頭的電-熱-應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生二次畸變，可能引發(fā)更嚴(yán)重的放電現(xiàn)象和絕緣事故。

為探究間隙放電功率和氣隙壓強(qiáng)對(duì)電纜接頭界面開裂的影響，定義電纜接頭的界面開裂量為復(fù)合界面上絕緣材料遠(yuǎn)離界面法向的位移值，界面收縮量為靠近界面法向的位移值。由于XLPE材料彈性模量很大且熱膨脹系數(shù)小，可以忽略其形變效果而只研究硅橡膠和半導(dǎo)體材料的位移變化。保持氣隙厚度為2 mm，氣隙初始?jí)簭?qiáng)為0.1 MPa，得到接頭界面開裂量隨間隙放電功率的變化如圖11所示。保持氣隙厚度為2 mm，間隙放電功率為0.1 W，得到接頭界面開裂量隨氣隙壓強(qiáng)的變化如圖12所示。

圖11 間隙放電功率對(duì)界面開裂的影響Fig.11 The effect of gap discharge power on the interface cracking

圖12 氣隙壓強(qiáng)對(duì)界面開裂的影響Fig.12 The effect of air gap pressure on the interface cracking

由圖11可以看出：①隨間隙放電功率的增加，氣隙厚度呈收縮趨勢(shì)，且收縮量逐漸增大。這是因?yàn)榻^緣材料因熱膨脹產(chǎn)生的收縮形變效果要大于氣隙壓強(qiáng)增大而產(chǎn)生的膨脹形變效果，且熱膨脹始終朝向靠近界面的方向，因此當(dāng)間隙放電功率增加時(shí)，氣隙呈收縮趨勢(shì)。其中硅橡膠-主絕緣氣隙隨放電功率增大而收縮的速度最快，當(dāng)間隙放電功率為1.0 W時(shí)，缺陷處界面的最大收縮量為0.826 mm，達(dá)到缺陷初始厚度的43.1%，而間隙放電功率達(dá)到4.0 W時(shí)，氣隙缺陷處最大收縮量已達(dá)到2 mm。②電纜接頭發(fā)生間隙放電后，會(huì)在距原氣隙一段距離發(fā)生界面開裂現(xiàn)象，即界面處的絕緣材料產(chǎn)生遠(yuǎn)離界面的位移，這會(huì)導(dǎo)致新氣隙的出現(xiàn)。新氣隙的位置和大小與原氣隙的材料相關(guān)，相同條件下硅橡膠材料處產(chǎn)生的新氣隙厚度更大，與原氣隙的距離更遠(yuǎn)。且隨間隙放電功率的增加，接頭界面的開裂程度也逐漸增大。以硅橡膠-主絕緣氣隙界面為例，因間隙放電產(chǎn)生的新氣隙出現(xiàn)在距原氣隙位置約50 mm處，且關(guān)于原氣隙呈左右對(duì)稱。當(dāng)間隙放電功率為1.0 W時(shí)，新氣隙的厚度最大值約為原氣隙厚度的6.4%，放電功率為5.0 W時(shí)，新氣隙厚度達(dá)到原氣隙厚度的12.25%，相比前者增大近一倍。而對(duì)于半導(dǎo)電帶-連接管氣隙界面，新氣隙出現(xiàn)在距原氣隙約50 mm處。當(dāng)放電功率為5.0 W時(shí)，新氣隙厚度最大值為原氣隙厚度的7.1%，遠(yuǎn)小于相同條件下硅橡膠材料處產(chǎn)生的新氣隙厚度。造成這種現(xiàn)象的原因是間隙放電功率越大，溫度和應(yīng)力的集中效果越明顯，絕緣材料的不規(guī)則形變程度越大，而硅橡膠材料的彈性模量要遠(yuǎn)小于半導(dǎo)電材料，受到相同應(yīng)力作用下其形變量更大，因此界面開裂現(xiàn)象更明顯。

由圖12可以看出：①氣隙負(fù)壓使氣隙呈收縮的趨勢(shì)，并在原氣隙一段距離處產(chǎn)生新氣隙。以硅橡膠-主絕緣氣隙界面為例，當(dāng)氣隙初始?jí)簭?qiáng)為0.05 MPa時(shí)，原氣隙的最大收縮量為0.976 mm，相較于標(biāo)準(zhǔn)氣壓時(shí)厚度減小了72.9%，且在距原有氣隙約10 mm處有新氣隙產(chǎn)生，最大厚度約為原氣隙的18.8%。②當(dāng)氣隙壓強(qiáng)大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，原氣隙呈擴(kuò)張趨勢(shì)，并導(dǎo)致缺陷兩側(cè)的界面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，且隨氣隙壓強(qiáng)升高，界面開裂量逐漸增大，引起原氣隙的不斷擴(kuò)張。同樣以硅橡膠-主絕緣氣隙缺陷界面為例，當(dāng)氣隙壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，氣隙處界面的最大收縮量為0.564 mm，氣隙兩側(cè)界面無明顯開裂現(xiàn)象，而氣隙初始?jí)簭?qiáng)為0.5 MPa時(shí)，缺陷處界面的最大擴(kuò)張量為1.529 mm，達(dá)到缺陷初始厚度的76.45%，缺陷兩側(cè)界面的最大開裂量為0.991 mm，為缺陷初始厚度的49.5%。

3 結(jié)論

（1）隨著間隙放電功率的增加，氣隙溫度迅速升高，相同放電功率下，溫度隨氣隙厚度的減小而呈上升趨勢(shì)，且放電功率越大，厚度的影響作用越明顯。

（2）隨放電功率增大，氣隙面應(yīng)力值呈單調(diào)上升趨勢(shì)，其增幅大小與其所處位置的材料相關(guān)，硅橡膠-主絕緣氣隙的應(yīng)力變化較小，而半導(dǎo)電帶-連接管氣隙處的應(yīng)力會(huì)迅速增大。隨氣隙壓強(qiáng)增大，氣隙面應(yīng)力呈先下降后上升的趨勢(shì)，氣隙負(fù)壓有增大局部應(yīng)力效果，而氣隙正壓在一定區(qū)間內(nèi)有減小局部應(yīng)力的作用。

（3）間隙放電導(dǎo)致界面氣隙呈收縮趨勢(shì)，并在原氣隙附近出現(xiàn)界面開裂現(xiàn)象，從而產(chǎn)生新氣隙，且放電能量越高，新氣隙的厚度越大。

（4）氣隙負(fù)壓對(duì)氣隙和界面的作用效果與間隙放電時(shí)相似。而氣隙正壓導(dǎo)致原有氣隙兩側(cè)界面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，氣隙壓強(qiáng)越高，氣隙在厚度與面積上的擴(kuò)張程度越大。

綜合各項(xiàng)仿真結(jié)果，本文認(rèn)為界面氣隙缺陷會(huì)引起局部溫度與應(yīng)力分布的改變，并導(dǎo)致接頭復(fù)合界面出現(xiàn)二次開裂現(xiàn)象，且隨放電過程的積累而逐漸惡化，對(duì)絕緣材料造成危害。因此在電纜接頭制作過程中應(yīng)確保電纜本體與應(yīng)力錐相接觸的外半導(dǎo)電帶端口切割平整，在復(fù)合界面處均勻涂抹硅脂，保證電纜在運(yùn)行中各狀態(tài)的對(duì)稱性，避免因不均勻受力和受熱而產(chǎn)生氣隙。