基于ANSYS的電纜接頭典型絕緣缺陷電-熱場仿真研究

江天炎，成守花，畢茂強，陳 曦，劉 翔，張博文

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶 400054)

電力電纜是電力輸變配的主要載體。與架空線相比，電力電纜敷設在十分復雜的電纜隧道或電纜溝內，不僅滿足電能遠距離傳輸要求，還能使城市更加美觀[1-3]。但是電力電纜也存在結構復雜的特點，這就導致當電力系統出現故障時，檢修時間會變長。長時間的停電維修會嚴重影響到供電系統的穩定性，還會造成巨大的經濟損失。近年來，接頭爆炸事故時有發生。對近十年來全國電力電纜運行故障類型和數量的統計分析表明，電纜中間接頭擊穿故障的比例約占電纜運行故障總數的31%[4]。電力電纜在制作和長期運行過程中，由于操作技術的不完善等原因也會產生一些缺陷，這些缺陷會引起電場強度的畸變而引發局部放電，甚至對電纜運行溫度產生影響，從而影響電纜載流量。不同類型的電纜缺陷所引起的局部放電程度不同，其決定因素是缺陷造成的電場強度畸變程度的大小[5-7]。電力電纜長期運行在高電壓、強電流環境中，電纜(特別是接頭和終端部分)溫度十分容易上升，可能會引起爆炸事故和火災[8]。電力電纜是輸電系統里輸送電能的重要電力設施，具有保障整個輸電系統穩定可靠運行的作用[9]。電纜接頭是電纜中最薄弱的環節，為了預防電纜接頭缺陷導致局部放電而引發絕緣故障，對電力電纜接頭進行絕緣缺陷仿真分析具有重要的意義。

為研究高電壓電纜電場分布情況，國內外學者紛紛提出相關研究方法。在文獻[10-11]中，研究者提出當電纜主絕緣中存在水樹、空氣隙和含導電微粒情況下如何計算電場的方法。文獻[12]采用COMSOL Multiphysics多物理場耦合仿真分析軟件對影響320 kV高壓直流電纜接頭電場的多種因素進行了詳細描述。文獻[13]采用COMSOL Multiphysics軟件，仿真分析不同載流量下直流電壓作用時320 kV直流電纜終端中的電場分布情況。文獻[14]采用有限元的思想，利用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行仿真，研究3種(包括直埋敷設、管道敷設和隧道敷設)不同鋪設方式下電纜的電場與溫度場分布。吐松江·卡日等[15]借助有限元軟件ANSYS仿真分析該開關柜的母線室和電纜室。眾多學者利用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行了電纜本體缺陷的仿真分析，給出了電場強度的變化，但對電纜溫度和場強的耦合研究較少，且大多數研究傾向于對電纜本體的場強研究，而未考慮到對溫度的影響。大量資料表明[16-17]，導致高壓電力設備故障的主要原因是絕緣性能的劣化和失效，因此高壓電力設備的絕大多數故障最終可歸結為絕緣性故障。本研究利用ANSYS仿真軟件對電纜接頭的主絕緣(XLPE)4種典型絕緣缺陷進行電場和溫度場的仿真，利用特征線詳細地給出缺陷對場強畸變情況，并比較不同缺陷引起的溫度場和電場變化情況。

首先介紹電纜和接頭的結構和材料，然后分析電纜中間接頭常見絕緣缺陷類型，接著在ANSYS軟件中建立電纜接頭無缺陷模型和含有缺陷的中間接頭模型并進行電場仿真計算。分析不同缺陷類型對電場的影響規律，并利用特征線具體描述不同缺陷引起的電場強度變化規律。最后對接頭的溫度場進行仿真，得出溫度的變化情況。

1 電纜接頭模型

交聯聚乙烯絕緣電纜具有PVC絕緣電纜無法比擬的優點，因結構簡單、質量輕、耐熱好、負載能力強、不熔化、耐化學腐蝕、機械強度高等優良性能而被廣泛應用。本次研究的對象為YJV-1*300 mm210 kV交聯聚乙烯電纜接頭，利用ANSYS仿真軟件進行絕緣缺陷仿真模擬，10 kV交聯聚乙烯電纜本體結構見圖1。

目前，高壓直流電纜接頭按結構可分為組合預制式和整體預制式。預制式電纜附件是高壓直流電纜的首選，它是將工廠預制的絕緣件套裝在接頭處。近年來預制式電纜接頭由于其結構簡單、安裝方便而得到廣泛應用。它利用交聯聚乙烯主絕緣和橡膠外絕緣相連接來保持絕緣界面的巨大壓力，并要求外層橡膠絕緣具有較大的張力和應力松弛能力，避免在安裝過程中受傷導致絕緣故障。在長期運行中，由于其具有相對的彈力而不會松弛，可保證較長的運行壽命。預制式接頭簡單結構如圖2所示。

圖2中：1是應力錐半導體層部分，2是XLPE主絕緣層，3是為了增強絕緣的橡膠絕緣層，4是屏蔽管，5是線芯(銅)，6是連接管，7是增強絕緣屏蔽層，8是屏蔽層。

圖2 電纜接頭結構

交聯聚乙烯電纜接頭常見的幾種典型缺陷有：① 主絕緣含雜質：在連接電纜時，接頭連接管要進行打磨，由于打磨過后所殘留的一些銅粉未清理干凈，將留在主絕緣的表面；② 接頭主絕緣劃痕：在制作電纜接頭時，用刀在主絕緣上切割時用力不當留下一些氣泡；③ 接頭受潮：電纜接頭密封不好，在長期運行過程中受潮；④ 半導體層尖端：在連接電纜時剝切半導體層時在主絕緣上有殘留形成尖端。

其他絕緣缺陷有：① 連接管錯用絕緣膠帶：將絕緣膠帶當成半導體膠帶使用；② 連接管尖頭毛刺：接頭連接管制作時未打磨或者打磨不好，有明顯毛刺；③ 應力錐錯位：在連接時，外半導體層端口伸出了應力錐的尾部，將在界面產生爬電現象。其他缺陷諸如預制接頭缺陷等，本文不再一一論述。

為方便觀察電纜接頭的內在結構和建立接頭的三維模型，將電纜接頭結構簡化。其正視剖分結構如圖3所示，列出相應部位的部分材料參數和結構參數(見表1)，建立如圖4的接頭三維模型。

圖3 電纜接頭對稱剖分圖

由接頭剖分圖和實際結構可知，電纜接頭為軸對稱圖形，故在仿真中僅取接頭一端進行分析。

表1 各材料屬性

圖4 電纜接頭三維模型

2 4種主絕緣缺陷仿真建模

2.1 接頭含雜質

在連接電纜時，接頭連接管要進行打磨。由于打磨后殘留的銅粉(導電微粒)未清理干凈，將留在XLPE主絕緣的表面。主絕緣表面的雜質導致內部場強集中引起局部放電。在主絕緣表面添加1個邊長為2 mm的正方體來模擬雜質(圖5)。

圖5 雜質缺陷模型

雜質銅粒的相對介電常數為1，電導率設為5.8×107S/m，熱導率設為401 W/(m·K-1)。

2.2 氣隙缺陷(主絕緣劃傷)

電纜接頭氣隙缺陷用于模擬接頭安裝過程中，剝離外半導體層時用力不當引起的主絕緣表面留下一些氣隙空間，這會導致氣隙內部因為場強集中而產生局部放電。XLPE主絕緣表面在應力錐推動過程中也可能留下劃痕，導致損傷表面而留下氣隙從而引起局部放電。在主絕緣表面上添加底面積為4 mm2、高40 mm圓柱體氣隙(圖6)。

圖6 氣隙缺陷模型

氣隙的相對介電常數為1，電導率設為0 S/m，熱導率設為0.023 W/(m·K-1)。

2.3 接頭受潮

電纜接頭密封不好，在長期運行過程中受潮。模擬接頭受潮是在主絕緣表面上設計1個底面積為4 mm2、高為20 mm的圓柱體水分，增加不均勻電場下放電的概率(圖7)。

圖7 受潮缺陷模型

水的相對介電常數設為81，電導率設為0.01 S/m，熱導率設為0.599 W/(m·K-1)。

2.4 半導體尖端

在工程實際操作中，連接電纜時需剝切半導體層。由于操作不夠仔細或者失誤會在主絕緣上留下半導體尖端。建模時在主絕緣上設立1個長為40 mm、寬為4 mm、厚度為0.5 mm的半導體層(圖8)。

半導體尖端相對介電常數設為100，電導率設為0.000 2 S/m，熱導率設為0.142 9 W/(m·K-1)。

圖8 半導體尖端缺陷模型

3 ANSYS仿真分析

3.1 電場仿真

ANSYS有限元法指將連續的大求解單元模塊化，分割成許多微小的單元，這些子單元被稱為有限元[14]。在有限元內利用求解邊值問題，求解每個子單元，最后將各個小單元求得的結果相加，就得到了所求大單元的唯一解[15]。在仿真軟件中建立模型，設置剖分參數進行網格剖分，將大區域細分。

圖9是電纜接頭網格剖分示意圖，可以通過反復設置剖分參數來達到剖分效果。剖分結果直接影響到求解結果的精度。有限元思想表明，剖分網格越細，所求解的結果也就越精確，達到的效果也就越好，但是求解的時間也會隨之增加。綜合考慮兩因素，設置ANSYS軟件的網格劃分為自適應的50%。

圖9 接頭網格剖分圖

ANSYS Electronics Desktop有限元分析軟件擁有二維和三維兩種求解器，都包括有靜態電磁場、瞬態場等模塊。本研究采用靜態電場求解器求解帶電纜接頭絕緣缺陷電場分布情況。目前，求解電磁場應用最廣泛的方法是有限元法，該方法是求解電磁場數值計算方法中最有效和最精確的方法之一。應用有限元法求解電場流程見圖10。

為研究工頻(50 Hz)電壓作用下的電場強度，設置為靜態電場求解器。常見的線性介質有如下控制方程，如式(1)所示。

(1)

式中：E為電場強度(V/m)；ε為介電常數；B為磁感應強度(T)；D為電通量密度(C/m2)，H為磁場強度(A/m)。這4個場量之間的對應關系由介質本身決定。邊界條件為電纜導體對地電壓為正峰值，電壓設為10 kV，屏蔽層設為地電位。

圖10 電場仿真流程

3.1.1無缺陷

首先對電纜接頭無缺陷模型進行仿真分析，其電場強度分布如圖11所示，場強由內而外逐漸減小。但場強最大的不是導體表面，而是在應力錐的根部。這是因為應力錐的根部由多種不同相對介電常數的材料組成，導致電場強度比導體處大，也更能說明應力錐根部最容易產生局部放電，從而導致絕緣擊穿等危害發生。主絕緣處無缺陷時場強約為375 V/mm。

圖11 無缺陷電場強度分布

3.1.2雜質缺陷

XLPE電纜接頭雜質缺陷采用正方體來代替，圖12是含雜質的電纜接頭場強分布圖。含雜質的主絕緣場強發生劇烈的畸變，由原來的375 V/mm增加到500 V/mm，可見主絕緣含雜質導致絕緣電場強度增大了25%。

圖12 雜質缺陷電場強度分布圖

3.1.3氣隙缺陷

圖13是氣隙絕緣缺陷模擬所仿真的電場強度分布。含氣隙的主絕緣場強發生的畸變由原來的375 V/mm增加到500 V/mm，可見主絕緣含雜質導致絕緣電場強度增大了25%。

圖13 氣隙缺陷電場強度分布

3.1.4接頭受潮

XLPE電纜接頭受潮缺陷采用圖14所示的圓柱體來代替。如圖場強分布圖可以得出，受潮的主絕緣場強發生劇烈畸變，由原來的375 V/mm增加到750 V/mm，可見主絕緣含雜質導致絕緣電場強度增大了50%。

圖14 受潮缺陷電場強度分布

3.1.5半導體尖端

主絕緣上殘留的半導體尖端所引起的場強發生了畸變，由原來的375 V/mm增加到590 V/mm，可見主絕緣含雜質導致絕緣電場強度增大了36%。

可以看出，主絕緣在存在以上4種絕緣缺陷時都會導致電場強度的增大，有可能導致絕緣擊穿，發生故障，被迫停電(圖15)。

圖15 半導體尖端缺陷電場強度分布

在4種缺陷中，接頭受潮缺陷所引起的場強畸變程度最大，但不是絕對的。因為在工程實際中，各種缺陷的程度不同，因此有必要研究缺陷大小對場強的畸變程度影響。通過改變各種缺陷底面邊長倍數來反映場強的變化程度，結果如圖16所示。隨著缺陷的增大，場強也呈增長趨勢。因此在實際連接電纜時，要注意預防缺陷的大小，盡量減小缺陷。

圖16 缺陷大小對場強影響

3.2 溫度場仿真結果分析

在仿真完電場強度之后，為更加詳細地掌握缺陷對電纜接頭運行的影響，進行溫度場仿真。將電場仿真結果導入thermal-electric模塊中進行仿真分析，根據表1的設置材料參數，邊界條件為空氣對流，換熱系數為7.5 W/(m2·℃)，溫度為20 ℃。由于交聯聚乙烯材料的運行最高溫度一般為90 ℃，所以施加載流量為1 300 A，使其溫度接近90 ℃左右，然后求解電場溫度云圖(圖17)。

施加相同的載流量在含有不同缺陷的電纜接頭中。由圖17(a)～(d)可知：雜質缺陷、氣隙缺陷和接頭受潮所引起的主絕緣溫度變化不大，都在92 ℃左右，有稍減弱的趨勢，這是因為3種缺陷的導熱率大于主絕緣(XLPE)，能夠進行少量散熱。因此，當存在這3種缺陷時，會導致測量溫度時引起誤差，影響載流量的施加。或者在施加過程中，由于溫度的誤差，施加過量會使其他主絕緣部分的溫度過高，從而損壞絕緣。當施加相同的載流量在含有半導體尖端的接頭上時，發現溫度升高到95 ℃，對于前面的微小溫差來說，半導體尖端所引起的溫升相對較大，因此會導致主絕緣溫度過大而引起損壞。同理，與電場強度一樣，隨著缺陷的大小不同，對溫度的影響效果也不同，此處不再論證。

圖17 電纜接頭溫度分布云圖

4 結論

本次研究仿真分析了常見的4種主絕緣缺陷及其產生原因，建立了對應的缺陷模型，通過求解電場強度和溫度場反映缺陷對場強和溫度的影響規律。

1)在電纜接頭中，最大場強出現在接頭的應力錐根部，而非導體表面。這是由于不同材料的相對介電常數不同。因此在工程中，需要格外注意應力錐根部的絕緣保證。

2)4種絕緣缺陷均能使場強發生較大畸變，都能使場強增大。雜質和氣隙缺陷使場強增大了25%，接頭受潮缺陷使場強增大了50%，主絕緣含半導體殘留尖端缺陷使場強增大了36%。這些缺陷都有可能使場強增大而發生局部放電，從而損壞絕緣引發故障。仿真中，接頭受潮是4種缺陷中引起場強變化最大的，但不是絕對的。因為隨著缺陷的大小增加，所引起的電場強度畸變程度越大，電場強度也增大。這些主絕緣缺陷在工程實際中將有可能導致主絕緣發生擊穿，從而損壞接頭。

3)4種缺陷對溫度的影響相對電場強度不大，但也產生一些影響。雜質缺陷、氣隙和接頭受潮缺陷都使主絕緣溫度稍微降低，半導體尖端缺陷引起了主絕緣溫度升高3 ℃左右，這樣的結果有可能導致在檢測時出現溫度誤差，影響載流量的施加。

4)本文研究的主絕緣常見絕緣缺陷對場強和溫度場的影響可為電纜接頭的在線監測和工程實際應用提供一定的理論參考。由于缺少對預制絕緣缺陷的研究、主絕緣和增加絕緣硅橡膠界面的缺陷研究等，后續將開展界面絕緣擊穿試驗。