10 kV XPLE電纜中間接頭缺陷電場仿真計算

劉 琦，白玉鵬，王 超

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

·班組創新·

10 kV XPLE電纜中間接頭缺陷電場仿真計算

劉 琦，白玉鵬，王 超

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

中間接頭故障是10 kV XPLE電纜運行中最常遇到的問題，中間接頭制作過程中存在的缺陷是影響其運行壽命的一個重要因素。基于有限元法，以 AnsoftMaxwell 12為求解工具，對電纜中間頭制作過程中存在的影響中間接頭運行安全的因素進行了定量分析計算。得到了不同缺陷情況下中間接頭的電場分布情況，所得仿真計算結果可以為電纜中間接頭制作工藝水平的提高提供參考依據。

XPLE電纜；中間接頭；AnsoftMaxwell 12；電場分布

0 引言

中間接頭是電纜的薄弱環節，亦是電纜運行故障的多發部位。受運輸等條件的限制，10 kV XPLE電纜生產的長度大多在500m以下。因此，當線路超過一定距離時便需要通過制作中間接頭進行連接。中間接頭的制作工藝復雜，制作過程中會出現大量的復合界面，如半導電層、主絕緣層、銅屏蔽層、線芯等，復合界面的連接極易產生應力的集中。在制作過程中也存在損傷主絕緣、混入導電顆粒等情況，這些都會成為影響電纜安全穩定運行的潛在威脅，存在此類缺陷的電纜長期運行經常出現中間接頭絕緣擊穿從而導致接地跳閘，影響城市配網的安全穩定運行［1-5］。

圖1電纜中間接頭故障

電纜中間接頭故障如圖1所示。其中，圖1（a）為中間接頭處主絕緣擊穿，圖2（b）為中間接頭應力錐處擊穿。造成此類擊穿的直接原因均為局部電場過強，出現局部放電，放電通道逐漸形成，隨著運行時間的增加，造成絕緣擊穿［6］。通過對擊穿位置的分析可以看出，擊穿點位于半導電層與主絕緣層形成的復合界面處以及剝離半導電層露出主絕緣部位。由于電纜全封閉的運行特性，很難得到中間接頭處的電場分布情況，因此通過仿真計算得出中間接頭內部的電磁場分布，識別絕緣的臨界點從而分析出故障原因是一種有效途徑［7-8］。目前對10 kV XPLE電纜的中間接頭電場仿真分析多為二維模型，計算的結果并不直觀，同時難以分析非對稱故障下電場分布情況［8-11］。

為深入分析故障原因，基于有限元分析法，通過仿真計算得出中間接頭的電場分布，定量計算缺陷對于電場分布影響，為10 kV XPLE電纜中間頭制作工藝的改善提供必要的參考依據。

1 仿真模型

Maxwell是應用廣泛的商用低頻電磁場有限元分析軟件之一，其憑借友好的用戶界面、高精度的自適應性剖分技術和強大的后處理器獲得業界的廣泛認可［12-13］。為此，選用AnsoftMaxwell 12對電纜中間接頭進行電場分布的仿真計算。

1.1 仿真模型建立

為了便于計算，對中間接頭的模型進行了合理的簡化，根據擊穿點的位置，確定仿真計算的部位。目前使用的10 kV XPLE電纜多為3芯電纜，對其中的一相進行仿真建模分析，其3D模型如圖2所示。

圖2 電纜中間接頭3D模型

在電纜中間接頭的3D模型基礎之上，對中間頭制作過程中最容易出現的3種缺陷進行建模，通過仿真計算得出缺陷對于電纜中間接頭的電場畸變的影響。3種缺陷分別為：半導帶搭接不良，主絕緣剝切損傷，主絕緣表面附著金屬顆粒。

半導帶搭接不良。半導帶搭接不良是電纜中間接頭制作中存在的比較普遍的一種現象［2］。在模擬該情況時，模型中給出了相應的簡化，即應力錐處的半導電層與電纜本體的半導電帶完全未搭接，如圖3所示。

圖3 半導帶搭接不良模型

主絕緣剝切損傷。在中間接頭制作過程中，剝離電纜本體半導電層是必不可少的一個步驟［2］。但在此過程中，也極易傷及主絕緣，主絕緣上出現劃痕是剝離過程中最容易出現的問題，這種劃痕極不容易發現，但為后期的安全運行留下了巨大隱患。在仿真模型中劃痕的寬度為0.2mm，深度為0.1mm，如圖4所示。

圖4 主絕緣剝切損傷模型

主絕緣附著金屬顆粒。在剝切銅屏蔽層、半導電層過程中，都有可能使金屬或半導顆粒附著在主絕緣上。以金屬顆粒為例，建立了主絕緣附著不規則形狀金屬顆粒的近似模型，如圖5所示。

1.2 仿真參數設置

根據AnsoftMaxwell 12自身所帶的材料庫以及電纜各組成部分的不同特性，對模型中的各組件進行材料特性的定義，如表1所示。

表1 模型材料求解屬性

完成模型中材料屬性的定義后，即可設定模型求解的激勵源及邊界條件，由于模型比較簡單，這里可以采用軟件自帶的自適應剖分進行求解。

2 仿真結果

圖6 半導帶搭接不完備電場分布情況

2.1 半導搭接不完備

半導帶搭接不完備時的電場分布情況如圖6所示。由仿真結果可以看出，左側未搭接部電場強度為Emax=439.4 kV／m，而右側搭接良好的應力錐處，電場強度最高為303.7 kV／m。由此可見，中間接頭半導帶搭接不良將顯著改變應力錐處的電場分布，使電場強度顯著增大，長時間運行，絕緣擊穿的可能性將增加。

2.2 主絕緣剝切損傷

主絕緣存在劃痕時的電場分布情況如圖7所示。從仿真計算結果可以得出，在剝切造成的劃痕處電場強度明顯高于無劃痕區域，劃痕處電場強度最大值為Emax=783.7 kV／m，而光滑的主絕緣表面電場強度為590.8～687.2 kV／m。在電場強度最高的劃痕處會出現局部放電現象，隨著運行時間的增加，放電通道逐漸累積，最終導致絕緣擊穿，造成線路跳閘故障。

圖7 主絕緣存在劃痕電場分布情況

2.3 主絕緣附著導電顆粒

主絕緣表面附著導電顆粒時的電場分布情況如圖8所示。仿真計算結果表明，金屬顆粒的存在將顯著改變該區域的電場分布。在金屬顆粒的邊緣與絕緣接觸部分，電場強度明顯大于未附著金屬顆粒的部位，其中，金屬顆粒邊緣的最大電場強度Emax= 1 652.8 kV／m。金屬顆粒使電場畸變非常明顯，最大場強集中在金屬顆粒的邊緣。

圖8 主絕緣附著導電顆粒電場分布

3 結語

采用AnsoftMaxwell 12對電纜中間接頭制作過程中出現的半導帶搭接不良、主絕緣剝切損傷和導電顆粒附著的情況進行了仿真計算。通過仿真計算定量地得到了3種情況對于中間接頭電場分布情況的影響。在3種情況中，均會導致局部電場強度增大，在運行過程中將縮短電纜中間接頭的使用壽命，影響電網安全運行。其中，表面附著金屬顆粒對于電場畸變的影響尤為明顯。在電纜中間接頭的制作過程中，應規范制作流程，提高制作標準，避免出現上述缺陷對于中間接頭質量的影響，才能延長中間接頭的使用壽命，降低10 kV XPLE電纜的故障率，保證電網的安全可靠運行。

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The Electric Field Simulation of 10 kV XPLE Cable Intermediate Joint Defect

LIU QI，BAIYupeng，WANG Chao
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

The fault of intermediate joint is themost common problem in the operation of 10 kV XPLE cable.The defect in the manufacturing of the intermediate joint is an important factor which affects the life span of the joint.Based on the finite element method and using Ansoft Maxwell 12 as the solving tool，the factors associated with themanufacturing process thosemay later affect the safety of intermediate joint are analyzed quantitatively.The paterns of electric field distribution within the intermediate joints for different types ofmanufacturing defects are obtained.These simulation results can be used to guide the improvement to themanufacturing techniques of the cable intermediate joint.

XPLE cable；intermediate joint；Maxwell 12；electric field distribution

TM247

A

1007－9904（2017）06－0070－03

2016-12-13

劉 琦（1991），男，工程師，主要從事輸電線路運行檢修工作；白玉鵬（1970），男，主要從事輸電線路運行檢修工作；王 超（1973），男，主要從事配電網運行管理工作。