電纜中間接頭受潮時電場分布研究

杜 偉，汪 超，郭振斌，張 帆

（江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇淮安 223022）

引言

近年來由電力電纜缺陷引發的輸配電線路事故越來越多，電纜受潮是導致事故的主要原因之一[1-3]。例如，2021年3月新疆石河子多段線路接連發生電纜擊穿故障，故障起因均為電纜長期埋在地下，受雪水浸泡受潮，引發絕緣層擊穿造成停電，后經20多名搶修人員144 h的連續搶修，才避免了進一步損失[4,5]。以往的調研發現，在城市地下電纜供電系統中，平均每300 m就會設置一個中間接頭，通過電纜事故的事后溯源發現，中間接頭受潮是導致電纜線路事故的主要原因之一[5-7]。

文獻[8-10]指出中間接頭受潮會形成水樹，引起絕緣材料的老化，最終導致接頭被擊穿。水樹的生長速率與pH值和溶質有關，偏酸性和偏堿性的溶液都會加快水樹生長的進程，中性環境下水樹生長最慢，但水樹染色最深，在不同溶質中，氫根和氫氧根離子會導致水樹的尺寸更大，鈉離子和氯離子則會導致染色更深。產生水樹，材料的物理參數發生變化，主要表現為機械性能下降、絕緣裕度下降等，電纜的壽命降低。這類線路因雷擊等因素出現過電壓時極易被擊穿。文獻[11]將水樹的發展分為3個階段：初始階段、滯長階段以及后續階段。初始階段時，水樹在缺陷處產生，以樹枝狀向外擴散，擴散速率較快，但樹枝密集程度稀疏；滯長階段時，水分含量增加，向外擴散速率降低，樹枝逐漸變得密集；達到后續階段時，水樹繼續加速向外擴張。整個水樹從形成到擴散再到擊穿需要大量的時間，多出現在運行年限15年以上的電纜中[12]。

為此，本研究通過ANSYS多物理場有限元仿真軟件建立接頭不同位置、不同程度受潮的三維模型，分析不同受潮情況下的電場分布規律，其中重點分析接頭絕緣材料受潮和主絕緣內側受潮電場的分布情況。

1 受潮時電場計算分析

當界面上出現水膜時，界面上水膜所在位置的介電常數發生了變化。現將水膜和某種電介質組合成一個整體，模擬該電介質受潮時的情況。水與電介質的橫截面積S相等，長度分別為d1和d2，電容分別為C1和C2，介電常數分別為ε1和ε2，對該組合體的兩端施加交流電壓U，則水膜上的電場模值E1和電介質上的電場模值E2分別為：

根據電容的定義可知：

聯立式（1）和（2）可得：

（3）中兩式相除：

在交流電下，電場強度與介電常數呈負相關的關系，且由于水分的介電常數相較于一般電介質要大得多，即ε1＞＞ε2，可知水膜處的電場強度比電介質處要低得多。當用電介質填充原水膜的位置，其余條件不變，即電介質未受潮時電場強度為：

由式（4）和（5）可知E2＞E0＞E1，即水膜處的電場強度相比未受潮時要低，而與水膜串聯的電介質上的電場強度相比正常時提高。水膜存在時，整個電場發生了畸變，電場不均勻程度增加，水膜處電場極低，但水膜周圍容易發生電荷的聚集，使局部場強超過界面的擊穿場強，復合界面上形成放電和閃絡，若接頭長期在受潮狀態下運行易造成界面頻繁放電，嚴重時可能會被擊穿。

2 三維模型建立

將某廠商制造的10 kV單芯冷縮式XLPE電纜中間接頭按1∶1的比例建立的10 kV中間接頭的三維仿真模型，模型如圖1所示。接頭的銅網、半導電層和硅脂層較薄。中間接頭仿真模型的材料參數如表1所示。

圖1 中間接頭三維模型

3 仿真結果分析

3.1 接頭絕緣材料受潮電場分布

當電纜長期工作在浸水環境中時，水分將會以結合水的形式附著于XLPE和硅橡膠內，其介電常數會隨著浸水的時間而變化。水分的介電常數極高，所以在浸水環境下工作的時間越長，電介質的介電常數會越大。硅橡膠在浸水后3～4天其相對介電常數由原來的3.5迅速提升至4.5，之后硅橡膠的介電常數在4.5上下小幅波動。XLPE的介電常數與浸水時間的關系如圖2所示。

圖2 不同浸水時間下XLPE介電常數

在復合界面上沒有水膜時，應力錐-XLPE界面上的水平電場分量趨近于0，且應力錐本身具有極高的介電常數，所以主要研究硅橡膠-XLPE界面上的電場分布。設置浸水時間為0天、4天、8天和12天的電纜接頭，施加電壓后其電場分布如圖3所示。

圖3 絕緣材料受潮時的電場分布

由圖3(a)可知，浸水時間為0天、4天、8天和12天時，絕緣材料上的場強略微降低，由圖3(b)和圖3(c)可知浸水時間為0天、4天、8天和12天后復合界面上的平均場強分別為0.23 MV/m、0.25 MV/m、0.26 MV/m和0.27 MV/m，復合界面上的水平分量最大值均為100 kV/m左右。由以上數據可知，當絕緣材料受潮時，復合界面上的電場模值總體增大，浸水時間越長，電場畸變的程度越大。但電場的水平分量未發生明顯變化，所以對沿面閃絡的影響有限。

3.2 主絕緣內側受潮電場分布

設置覆蓋面積為930 mm2的水膜放置主絕緣內側，主絕緣層電場分布如圖4所示。由圖4(a)可知水膜對周圍的電場分布幾乎沒有影響，由圖4(b)知，當水膜出現在主絕緣內側時，水膜所在位置電場增大，但場強最高僅為2.8×10-2MV/m，相對于主絕緣外側場強較低，這是由于主絕緣外的半導電層介電常數大，而水也同樣具有這種特點，從而整個線芯外側依然保持著極低的電勢差。

圖4 主絕緣內側受潮時的電場分布

4 結論

界面在受潮后電場變得更加不均勻，水膜周圍的電場會明顯增大，可能會引起界面局部放電或沿面閃絡。當接頭絕緣材料受潮時，復合界面上的電場增大，接頭浸水時間越長，畸變程度越大。主絕緣內側受潮時水膜對周圍的電場分布幾乎沒有影響，水膜處電場增大，但場強依然保持在極低的水平。