35 kV XLPE 電纜中間接頭典型缺陷三維電場仿真分析

徐 虹，黃麗秋，婁建勇

（西安交通大學 電氣工程學院，西安 710049）

0 引言

XLPE（交聯聚乙烯）電纜具有絕緣性能好、易于敷設、便于運行維護等優點，廣泛應用于各種電壓等級輸電線路與配電網中[1-2]。其中，35 kV的XLPE 電纜在城市配電網中占了很大比重。在電纜安裝運行過程中若絕緣受到破壞，將造成嚴重的經濟損失，因此開展電力電纜絕緣狀態監測對整個輸配電網絡的安全穩定運行具有重大意義。電纜絕緣的預防性診斷試驗通常采用局部放電試驗，它是電纜絕緣診斷的重要手段[3]。

隨著電纜線路的延伸,電纜中間接頭的使用量也隨之增加，多使用硅橡膠絕緣預制式，需要工人在現場手工安裝成型[4]。在安裝過程中，需使用應力錐并對電纜本體進行剝切纏半導電帶，難免出現割傷劃傷電纜、殘留雜質或引入氣隙等問題，因此發生故障的概率遠高于電纜本體[5]。據不完全統計，電纜中間接頭故障占電纜運行故障的30%左右。電纜在不同缺陷下的局部放電程度不同，其主要原因是缺陷處電場的畸變程度不同。為了更好地研究缺陷處局部放電程度，對缺陷處電場分布規律進行研究是十分必要的[6-9]。四川大學潘榮超等人建立了電纜在正常和典型缺陷下的二維有限元數學模型并進行電場仿真，但不如三維模型更能模擬電纜實際運行情況。

本文首先分析了35 kV 電纜本體和中間接頭的物理模型，然后在CST Studio 三維全波電磁場仿真軟件中仿真35 kV 電纜中間接頭4 種典型缺陷模型，并進行電場分析，得出不同缺陷下電場分布規律，為電纜絕緣監測奠定了良好的基礎。

1 電纜模型的構建

本文中仿真對象是電壓等級為26/35 kV、截面積為1×95 mm2的單芯銅芯XLPE 絕緣焊接波紋鋁套聚乙烯護套電力電纜，GB/T 12706.3—2020 給出了35 kV 電纜的要求結構（見圖1）。首先在SolidWorks 中搭建電纜本體和中間接頭的三維模型，再導入CST Stdio 軟件中設置材料參數邊界條件，并添加激勵劃分網格等。建立的模型總長度為912 mm，其中中間接頭總長為700 mm，為了模擬中間接頭在運行的真實情況，剩余部分為電纜本體。表1 為仿真的電纜本體各個部分尺寸與材料參數。

圖1 電纜本體結構

表1 電纜本體各個部分尺寸與材料參數

仿真的電纜中間接頭二分之一模型及尺寸參數如圖2 所示。其中，預制件接頭主絕緣和硅橡膠主絕緣這兩部分起到絕緣的作用。應力錐使零電位形成喇叭狀，即延伸了絕緣屏蔽層的切斷處，從而起到改善絕緣屏蔽層切向電場分布和延長電纜壽命的作用[4]。在外半導電層表面包繞銅屏蔽層并和兩端電纜的銅屏蔽層相連，此處電位為0。同時外護套對電纜起保護作用。表2 為仿真中設置的材料參數。

圖2 電纜中間接頭二分之一結構

表2 材料參數

2 中間接頭典型缺陷及制作

根據電力電纜的制作工藝及中間接頭的安裝過程，本文通過人為設置4 種缺陷來模擬實際運行的電纜中間接頭缺陷放電現象[10-13]。這4 種缺陷分別是主絕緣內氣隙缺陷、主絕緣雜質缺陷、外半導電斷口處主絕緣割傷缺陷、主絕緣劃傷缺陷[14-16]。

（1）主絕緣內氣隙缺陷

在剝切半導電層和絕緣層時，都會導致介質界面間形成氣隙。采用圓柱體來模擬氣隙，其半徑為0.3 mm，長度為3 mm，缺陷位置如圖3（a）所示。

（2）主絕緣雜質缺陷

外半導電層在安裝中間接頭的過程中需要剝切，然后對其進行打磨，保證斷口處的平滑。但是外導電層在未打磨或者打磨時處理不干凈的情況下，會在主絕緣表面殘留灰塵、金屬雜質等顆粒。采用縱向長方體結構進行仿真，其長度為15 mm，寬度為5 mm，高度為1.2 mm，缺陷位置如圖3（b）所示。

（3）外半導電斷口處主絕緣割傷缺陷

外半導電層在安裝中間接頭的過程中需要剝切，而在剝切的過程中可能會誤傷到絕緣層。采用楔形結構進行仿真，其寬度為1.5 mm，深度為1.5 mm，缺陷位置如圖3（c）所示。

（4）主絕緣劃傷缺陷

安裝中間接頭需要對半導電層、絕緣層進行剝切，易造成主絕緣表面劃傷缺陷。采用縱向長方體結構進行仿真，其長度為15 mm，寬度為0.3 mm，深度為0.3 mm，缺陷位置如圖3（d）所示。

3 電場仿真與分析

本文使用CST Studio 三維電磁場仿真軟件研究電纜中間接頭電場，所采用的主要算法是FIT（有限積分法）。電力電纜一般在50 Hz 工頻交流電下運行，其在電纜中的傳播速度約為1.5×108m/s，遠大于電纜的長度，所以可以視作靜電場求解[17]，本文選用的求解器為靜電場求解器。首先對正常模型的中間接頭進行電場仿真分析，其電場分布如圖4 所示，中間接頭徑向電場強度分布如圖5 所示。可以看出，電場強度總體是由內而外逐漸減小的。電纜本體A 的電場強度整體高于中間接頭B，這主要是由于預制接頭主絕緣的厚度大于電纜本體。

均勻介質的電纜電場是標準圓柱形電場，因電纜長度和半徑不可比擬，所以可以忽略復雜的邊緣效應[18]。采用柱面坐標，根據高斯定理，在積分過程中可只計算圓柱側面積的電場矢量通量。又因對稱關系，圓柱側面上各點場強在數值上均相等，則：

圖3 4 種缺陷的位置

圖4 正常模型電場分布

圖5 徑向電場強度分布

式中：r 為絕緣中任意一點到絕緣中心的距離；t為線電荷密度；e 為介電常數；E 為電纜絕緣中與電纜線芯中心軸距離為r 處的電場強度。

對任意電纜，線芯半徑為rc，絕緣外徑為R，則電壓U 與場強E 的關系為：

3.1 主絕緣內氣隙缺陷

XLPE 主絕緣內存在氣隙缺陷模型的電場強度與正常模型的電場強度曲線如圖6 所示。可以看出，在氣隙存在X=150 mm 處電場強度畸變到1.23 kV/mm，正常模型下此處電場強度為1.01 kV/mm，通過計算得到此氣隙導致中間接頭電場強度增加了21.78%。

圖6 缺陷1 與正常模型電場強度對比

3.2 主絕緣雜質缺陷

XLPE 主絕緣表面存在金屬顆粒雜質缺陷模型的電場強度與正常模型的電場強度曲線如圖7所示。可以看出，金屬顆粒的存在改變了附近的電場分布，在金屬顆粒的邊緣位置，電場畸變尤其明顯。金屬顆粒邊緣附近的最大電場強度達到0.90 kV/mm，而正常模型相應位置電場強度僅為0.75 kV/mm，電場強度增加了20.83%，會對主絕緣造成很大破壞。由圖7 可以看出，金屬雜質顆粒前后很大范圍內的電場也有不同程度畸變。

圖7 缺陷2 與正常模型電場強度對比

3.3 外半導電斷口處主絕緣割傷缺陷

在安裝中間接頭時容易割傷XLPE 主絕緣表面，因此需緊貼著主絕緣層表面查看電場分布情況。圖8 為缺陷3 與正常模型電場強度對比，在X=140 mm 處，由于存在缺陷，缺陷3 電場強度為1.38 kV/mm，正常模型的電場強度為0.98 kV/mm，可見XLPE 主絕緣表面劃痕導致其電場強度增加了40.82%。

圖8 缺陷3 與正常模型電場強度對比

3.4 主絕緣劃傷缺陷

采用位于半導電屏蔽層外表面不同深度的長方體來模擬主絕緣不同劃傷程度對電場強度的影響，分別用深度為0.3 mm，1 mm，2 mm，3 mm，4 mm 的長方體模擬劃傷缺陷，其中缺損深度為0.3 mm 的氣隙缺陷模型與正常模型相應位置的電場強度曲線如圖9 所示。由圖9 可以看出，缺陷附近出現了2 個尖峰，200 mm 處尖峰電場強度為0.956 kV/mm，215 mm 處尖峰電場強度為0.943 kV/mm，正常模型相應位置電場強度分別為0.878 kV/mm 與0.867 kV/mm，電場強度分別增加了8.88%與8.77%。

圖9 缺陷4 與正常模型電場強度對比

以位于半導電屏蔽層外表面作為基準測量不同缺損深度與電場畸變程度的關系如圖10 所示。可以看出，當劃傷深度從0.3 mm 增加至4 mm時，最大電場強度基本維持恒定，呈線性關系。當缺陷達到4 mm 時，最大電場強度為無缺損時的1.38 倍。

圖10 電場畸變程度與主絕緣劃傷深度關系

4 結論

本文在CST Studio 三維電磁場軟件中仿真了電纜中間接頭4 種典型缺陷，分析缺陷模型與正常模型電場強度分布，得到以下結論：

（1）電纜本體最大電場強度出現在內半導電層與XLPE 主絕緣的介質界面附近，最大電場強度值為4.49 kV/mm。

（2）4 種典型缺陷均能使電纜電場強度畸變，從而導致絕緣劣化。在本文構建的模型中，缺陷3 也就是外半導電斷口處主絕緣割傷缺陷引起電場畸變程度相對來說比較嚴重，電場強度增加了40.82%。因此在實際安裝中間接頭的過程中應格外小心，盡量減少割傷電纜的情況出現。

（3）主絕緣表面劃傷深度為0.3 mm 時可以使其表面電場強度增大8.88%左右，并且電場畸變程度隨著劃傷深度的增加而增加。