基于有限元法的10 kV電纜中間接頭典型施工缺陷電場研究

趙國偉，趙 銳，王 磊，胡昌龍，張 翔

（國網山西省電力公司大同供電公司，山西大同 037000）

引言

國內外故障案例統計表明，引發電纜事故的主要原因是電纜或中間接頭的絕緣劣化。而施工缺陷會使接頭內存在雜質、氣隙、毛刺、水分等，直接造成接頭內絕緣介質不連續，局部場強集中，引發局部放電。在集中的高場強作用下氣隙雜質或水處還會產生電樹枝、水樹枝，這些均不斷加速了接頭絕緣老化，最終導致絕緣擊穿而引發故障。接頭正常情況下各個電氣參數均處于合理范圍，因此將含缺陷時的接頭電場分布與正常無缺陷時電場分布對比可以分析不同缺陷接頭的整體絕緣狀態[1-3]。因此，對電纜中間接頭缺陷進行風險評估具有重要的工程意義[4-6]。本研究通過有限元分析軟件仿真計算膠帶漏用、誤用及主絕緣雜質缺陷時電纜中間接頭的電場分布情況。

1 電纜中間接頭仿真模型

參考某電纜廠商所生產的10 kV單芯冷縮式中間接頭實物，按1∶1尺寸建立了10 kV電纜三維仿真模型如圖1(a)。為了能夠反映實際電場情況，整個仿真模型結構未做簡化處理，其中由于電纜外半導電層、硅脂、銅網厚度較薄，該部分具體結構如圖1(b)。

圖1 電纜中間接頭三維模型

2 中間接頭典型缺陷電場分析

2.1 膠帶使用缺陷

2.1.1 漏用半導膠帶與正常情況對比

制作電纜中間接頭時，在連接管安裝完畢時需在連接管上纏繞半導膠帶，而實際在制作過程中由于施工人員疏忽會漏用半導膠帶、或將半導膠帶誤用為絕緣膠帶的情況。漏用半導膠帶的計算結果如圖2所示。漏用半導膠帶時，附件與連接管界面電場較正常情況發生了畸變，最大場強出現在主絕緣與連接管交接處，為1860 kV/mm。出現電場畸變的主要原因是漏用半導膠帶后會使連接管與附件界面存在一層空氣層，附件與連接管被空氣層隔離，由于空氣的相對介電常數非常小，此處介電常數發生突變，導致此處電場集中，一旦線路電壓處在較大值，即處于峰值或發生過電壓時，此處場強線性增大，嚴重時發生放電或引發電樹枝加速附件絕緣損壞，甚至擊穿接頭引發事故。

圖2 漏用半導膠帶時電場分布

2.1.2 誤用半導膠帶與正常情況對比

將半導膠帶誤用為絕緣膠帶的仿真分析結果如圖3所示。錯誤使用絕緣膠帶時，連接管與附件界面電場較正常情況也發生了嚴重畸變，最大值為1140 kV/mm。錯誤使用絕緣膠帶處的場強較正常情況明顯增大，且在絕緣膠帶的兩端場強更大，表面場強分布極不均勻。誤用絕緣膠帶會使附件與連接管被絕緣隔離，既造成附件屏蔽成為懸浮的導電材料，產生懸浮電暈放電，又會降低接頭的絕緣強度。將漏用半導膠帶情況與誤用絕緣膠帶情況對比，漏用半導膠帶時，連接管與附件間場強較誤用絕緣膠帶時增加了63%，漏用半導膠帶情況電場畸變更嚴重。

圖3 誤用絕緣膠帶時電場分布

2.2 主絕緣雜質缺陷

2.2.1 主絕緣雜質與正常情況對比

實際制作電纜中間接頭時多在戶外，由于現場環境復雜，以及施工人員不嚴格實施標準工藝，切除外半導層后未對主絕緣清理，或清理不到位，導致主絕緣殘留外半導屑、沙粒等雜質，構成主絕緣含雜質的典型施工缺陷。將存在雜質缺陷時的仿真結果與正常情況作比較，探究其對接頭內電場分布的影響。其中雜質缺陷設置為沙粒雜質，主絕緣含雜質時電場分布如圖4。

圖4 主絕緣含雜質時電場分布

從仿真結果可知雜質存在處電場強度為1140 kV/mm，正常情況同樣位置場強大小為500 kV/mm，雜質缺陷處場強較正常情況增大了1.28倍，電場發生了明顯畸變。雜質的存在會導致電場集中，電場強度的增加會加劇接頭絕緣損壞，嚴重時會導致接頭擊穿。

2.2.2 主絕緣雜質不同位置對電場的影響

分別在距離外半導切斷處軸向0 mm、30 mm、60 mm、90 mm、110 mm處設置雜質缺陷，相應的仿真結果如圖5所示。

圖5 主絕緣含雜質時雜質位置與場強大小關系

從圖5可知，雜質在應力錐周圍時該處場強較處于其他位置時更大。在外半導切斷處電場強度最大值為1.14 MV/m，是正常情況的5倍，此時電場畸變較為嚴重。而當雜質遠離應力錐時，雜質處場強呈逐漸減小趨勢。

3 結論

漏用、誤用半導膠帶時，硅橡膠與連接管間存在的空氣導致該處電場增大。漏用半導膠帶時，連接管與附件間場強較誤用絕緣膠帶時增加了63%，漏用半導膠帶情況電場畸變更嚴重。主絕緣雜質在外半導切斷處時電場畸變最為嚴重，場強為正常情況場強的2.28倍。而雜質位置處在應力錐倒角與半導膠帶之間時，場強雜質處場強逐漸減小。