導電雜質影響下3 5 k V電纜終端絕緣特性研究

項恩新，王科，李麗妮，徐肖偉，黃繼盛，車雨軒

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明650217；2.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都611756；3.云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄677000)

0 前言

35 kV 電纜作為配電網的重要組成部分，承擔了傳輸電能的關鍵作用，而電纜終端作為其絕緣最為薄弱的部分，其電氣絕緣性能的優劣，直接影響了輸電系統和用電設備的有效運行[1]，關系到配電網的可靠性。根據電纜線路的故障數據表明，35 kV 電纜中，終端的運行故障事故約占電纜線路運行故障事故總數的70%[2]。電纜終端在現場安裝時需要將電纜本體外半導體屏蔽層、導電屏蔽層、護套截斷，而截斷處在運行過程中易發生電場畸變問題[3-4]，影響電纜終端的絕緣性能；同時在預制過程中，因環境、制作工藝的問題，極易引入導電雜質，改變電纜終端電場分布，影響其電氣絕緣性能。

目前國內外學者針對電纜各類缺陷問題，開展了多方面研究，取得了豐碩的成果。華南理工大學劉剛團隊研究了電纜接頭主絕緣含雜質情況下的擊穿特性，研究結果表明含雜質缺陷將引起電纜接頭內部的部分電場發生畸變，嚴重情況下將擊穿絕緣材料[5]；Rittmam G W等學者通過研究內含雜質的電纜接頭局部放電信息，為電纜接頭的故障診斷提供一些方向[5]；華北電力大學學者目前正在研究通過合理的材料和結構，使電纜附件內部電場能夠有效的優化[7]。然而關于導電雜質混入后，35 kV 電纜終端在缺陷存在下電場如何畸變、不同參數的雜質對電場最高值有何影響，導電雜質處的放電如何發展，以及放電導致終端絕緣性能怎樣變化等系列問題則報道較少，亟需開展相關研究。

基于此，本文通過研究當電纜終端內導電雜質位于不同位置時對內部電場分布的影響，找出影響結果最大的位置，以便在安裝預制與正常運行時重點關注；并通過局部放電測試，提取關鍵信息，探究內部含雜質時的局部放電特征，為故障診斷提供了基礎。

1 電場分析

1.1 電纜終端模型搭建

根據現場解剖結果及出廠資料可知，電纜終端是將電纜本體的外半導體層、導電屏蔽層和護套截斷[8]，將能均勻電場分布的應控管、熱縮管逐層熱縮預制，最后套上用于隔離防水的傘裙，所以電纜終端屬于多層結構，其模型如圖1所示。

圖1電纜終端模型圖

本研究需要進行35 kV 電纜終端的電場分析，所需要的材料參數有電導率和相對介電常數，通過了解出廠參數及現場測試，相關的材料參數如表1所示。

1.2 電場理論分析

電纜終端運行于35 kV 工頻電，工頻電在時間上變化緩慢，可使用靜電場求解，靜電場屬于有散無旋場，需要滿足以下幾個基本方程[9]：

其中，公式(1)中的E 是電場強度，該公式表明靜電場的環路特性是無旋場；公式(2)中的D是電通密度，p是電荷密度，該公式是高斯定律的微分方程，表明靜電場是有散場，靜電場中的任意一點上的電通量密度的散度等于該點的自由電荷體密度。

表1材料參數表

電纜終端屬于多層結構，層與層的材料不一致，屬于不同媒介，不同媒介的分界面兩側需要滿足銜接關系，如式(3)所示，其中，D1、D2如圖2所示，D1為第一層材料的電通密度法向分量，D2為第二層材料的電通密度法向分量，σ是自由電荷面密度，式(3)表明分界面兩側的電通密度法向分量不連續，其不連續量等于分界面上的自由電荷面密度。同時，本研究使用的是有限元仿真分析，對于每層材料，都需要進行網格劃分，對于同一層材料內的網格間，需要滿足電通密度不隨網格劃分而改變。

圖2電介質分界面圖

1.3 仿真結果分析

1.3.1 未出現導電雜質的電場仿真

根據實際運行工況，該電纜終端運行于工頻35 kV 下，設置導電屏蔽層接地，其電場分布如圖3所示。

圖3未出現導電雜質時電纜終端電場分布

從圖3中可知，當電纜終端未出現導電雜質時，電場強度最大值出現在外半導體層截斷處，最大值為6.83 MV/m，從放大圖中可看出，電場強度較大值分布在絕緣層區域，在最大值的附近，電場分布畸變明顯。

1.3.2 含導電雜質的電場仿真

電纜終端屬于多層結構，在安裝過程中，由于環境及制作工藝等原因，在熱縮過程中易引入導電雜質，為更好的分析導電雜質的引入對電纜終端絕緣性能造成的影響，本文搭建導電雜質在不同位置的電纜終端模型，分別在距離外半導體層截斷處0 mm，65 mm，130 mm，193 mm，193.5 mm，194 mm，258 mm 的位置放置一個底邊為1 mm，高度為1 mm 的三角形導電微粒，仿真出在35 kV 工頻電下電纜終端的電場分布情況，其中，距離外半導體層截斷處194 mm 是應控管和尾部膠的連接處。如圖4(a)-(g)分別對應了7個不同位置引入導電顆粒的電場分布。

綜上所述，臨床針對腎結石患者在選擇手術方案時，需要依據腎結石患者具體情況合理選擇輸尿管軟鏡碎石術以及經皮腎鏡取石術，提高腎結石患者的治療效果及生活質量。

圖4含導電雜質的電纜終端電場分布圖

從圖4中可知，當電纜終端內部引入導電雜質時，電場分布畸變加劇；如圖4(a)，導電雜質位于外導體層截斷處，電場強度最大值為7.6 MV/m，比未出現導電雜質時電場強度最大值增大了11.7%，該位置也是引入導電雜質時電場強度最大值影響最小的位置；從圖4(b)、4(c)可知，導電雜質位于應控管和絕緣層之間時，電場強度有所增大，但是通過對比這兩個位置可知，在這兩個位置的一定范圍內，導電雜質的引入位置對電場強度的分布影響較小；圖4(d)-4(f)為導電雜質引入至應控管和尾部膠的連接處附近，從圖中可看出，在該位置附近引入導電雜質對電場分布的影響較大，特別是導電雜質引入的位置距離外半導體層截斷處194 mm 處，是引入導電雜質的所有位置中電場分布影響最大的位置，最大電場強度為18.7 MV/m，是未引入導電雜質時電場強度最大值的3倍，最大值的位置為電纜終端模型對應的(356，20)位置，而乙丙橡膠的擊穿場強為20～45 MV/m[10]，該電場強度最大值已經接近擊穿場強，若長時間運行在該情況下，將不斷加速絕緣損耗，易發生絕緣擊穿事故；圖4(g)為導電雜質引入至尾部膠與絕緣層交界處，在導電雜質與絕緣層交界處附近，電場畸變十分嚴重，最大電場強度為15.2 MV/m，比未引入導電雜質時的電場強度最大值增加了123.5%，所以在尾部膠部分引入導電雜質對電纜終端的絕緣性能影響極大，在安裝預制時需要重點關注。

為了更好的分析引入導電雜質對電纜終端電場分布的影響，繪制了未引入導電雜質時及7個位置引入導電雜質時電場強度隨絕緣層與外半導體層交界處延長線徑向長度變化的分布圖，如圖5所示。

圖5電場強度分布曲線圖

從圖5中可看出，在未引入導電雜質時，在外半導體層截斷處出現電場畸變；當引入了導電雜質后，在半導體層與絕緣層交界線的延長線上，出現兩個電場畸變明顯的位置，其中一個位置位于外半導體層截斷處，另外一個位置出現在引入導電雜質的位置，在該位置的附近，電場畸變十分嚴重，電場強度變化最大可從0.5 MV/m 急速上升到18.7 MV/m，然后又急速下降，急速畸變的電場更加加速該位置附近絕緣老化，降低絕緣性能。

2 實驗驗證

為了更加直觀的探究引入導電雜質對電纜終端絕緣性能的影響，本研究選取了2個位置導電雜質引入，分別是最易引入雜質的外半導體層截斷處及造成電場分布畸變最嚴重的位置即距離截斷處194 mm 處，將寬度為1 mm，高度為1 mm 的三角形導電雜質放入指定位置，再按照指定順序將應控管、絕緣管、傘裙依次進行安裝。

電纜終端因自身結構特征及預制過程中引入的微型缺陷，在正常工況運行過程中一些特殊部位電場畸變嚴重，部分區域將出現輕微的放電，長期運行加速絕緣老化，進一步加大局部放電，反復作用將造成絕緣擊穿事故[11-12]，所以局部放電信號的檢測對于診斷電纜終端缺陷故障具有重大意義。

參考相關標準[13-14]，搭建了如圖6局部放電測試回路，記未引入導電雜質的電纜終端試樣為1號試樣，導電雜質引入位置為外半導體層截斷處的電纜終端試樣為2號試樣，導電雜質引入位置為距離外半導體層截斷處194 mm的電纜終端試樣為3號試樣，對3個電纜終端試樣進行局部放電測試。

圖6局部放電測試回路

采用本局部放電測試平臺對3種電纜終端試樣進行測試，每次加壓的步長為0.5 kV[15]，每次加壓后，穩定1 min，觀察放電情況，當出現局部放電現象時，以0.1 kV 的步長逐漸減小，穩定時間為1 min，以此逐漸降低電壓，直到出現放電現象消失，再以0.1 kV 的步長逐漸增加，穩定1 min，直到放電現象再次出現，記錄當前電壓值，記為起始放電電壓，其中1至3號電纜試樣的起始放電電壓分別為18.3 kV，13.5 kV，3.7 kV，從起始放電電壓可知，電場畸變較輕微的電纜終端起始放電電壓較低；然后逐步將電壓升高至35 kV，測試3個電纜試樣5個周期內的放電譜圖，如圖7所示。

圖7電纜終端試樣的φ-q-n譜圖

從圖7中可知，當電纜終端未引入導電雜質時，放電集中在3個區域，分別是45°～100°，200°～220°，270°～300°放電量普遍分布在10 pC左右，最大的放電次數為4次；當電纜終端在外半導電層截斷處引入導電雜質后，放電活動活躍，主要集中在80°～100°及245°～300°之間，放電量最大達到150 pC；從圖7(c)可知，當電纜終端引入導電雜質的位置距離外半導體層截斷處194 mm 時，放電活動十分活躍，放電量最大值可達到350 pC，且放電活動不在局限于在運行電壓的峰值附近，在整個周期內都存在明顯的放電現象；由此可知，當引入導電雜質后，電纜終端內部電場畸變嚴重，將加大內部的放電活動，放電活動越活躍，放電量越大，極易加速電纜內部的絕緣老化，長期運行最終將引發電纜終端的擊穿事故，造成嚴重的經濟損失。

3 結束語

本文通過使用有限元仿真軟件模擬電纜終端在不同位置引入導電雜質時的電場分布及通過局部放電測試平臺測試電纜終端的局部放電信息，得到如下結論：

1）電纜終端在距離半導體層截斷處194 mm 位置，即應控管和尾部膠的連接處引入導電雜質時，電場畸變最嚴重，電場強度最大值為18.7 MV/m；

2）局部放電檢測的結果表明，導電雜質的引入使電纜終端內部放電活動更活躍，其中，當導電雜質引入距離半導體層截斷處194 mm處時，放電量最大值可達到350 pC。