高壓電力電纜接頭劣化分析

葉冠豪，潘 偉，王 浩

(國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210001)

0 引言

伴隨我國經濟的不斷發(fā)展及城市美化的客觀需要，高壓電力電纜在城市電網中得到了廣泛的應用。以江蘇省南京市為例，2014—2018年，35 kV及以上電壓等級電纜線路總長度平均年增速為8.5 %，總里程突破了1 400 km。中間接頭是高壓電力電纜線路薄弱環(huán)節(jié)之一，統(tǒng)計結果顯示，接頭故障在總故障中所占比例接近40 %。中間接頭內部缺陷給高壓電力電纜的運行埋下了安全隱患，嚴重時將導致線路停運，造成巨大的經濟損失。

2018年3—7月，南京供電公司所轄110 kV電纜線路接連發(fā)生兩次因中間接頭擊穿導致的線路跳閘事故，經分析電纜接頭均為上海某附件廠家批次性產品。以往在故障原因的研究中大多只給出理論研究結論，結合實際現(xiàn)場的開殼檢查分析相當少見。此外，常規(guī)故障分析僅對已經發(fā)生故障線路進行原因分析，缺乏對亞健康線路的趨勢性缺陷分析。

因此，為全面、深入了解該型號中間接頭內部缺陷類型及可能原因，結合南京供電公司實際接頭開殼檢修結果，對該特定型號電纜中間接頭缺陷情況進行研究。通過建立物理模型后進行受力分析，并輔以有限元仿真驗算。對腐蝕物進行傅氏轉換紅外線光譜分析儀檢查，研究電纜接頭腐蝕影響因素，較為全面地研究該型號中間接頭劣化的整體過程。

1 缺陷概況

2018年5—9月，南京供電公司對運營范圍內132只接頭集中檢查，其電纜型號為YJLW03—64/110-630，中間接頭型號1YJ1001，系統(tǒng)投運已累計15年。缺陷結果統(tǒng)計如表1所示。經檢查，電纜中間接頭的劣化情況已十分嚴重。如不及時開展開殼檢修，發(fā)生故障的風險極大。

表1 某型號高壓電力電纜中間接頭缺陷檢查結果

2 羊角受力分析

2.1 COMSOL有限元分析

采用了COMSOL有限元分析軟件進行仿真計算。COMSOL軟件是瑞典COMSOL公司研制的大型通用有限元分析軟件。該軟件功能強大，操作簡單方便，可以方便地進行電學、熱學以及材料學的建模仿真計算，已成為有限元分析的標準軟件。通過在COMSOL軟件中建立高壓電纜中間接頭模型，并進行力學分析，實現(xiàn)對中間接頭羊角終端電纜封鉛處的應力分析計算。

2.2 熱膨脹分析

導體溫升導致的電纜線路熱膨脹,沿電纜線路軸向產生機械應力F，與電纜導體溫度θ和電纜線路熱膨脹系數(shù)α有關。當電纜導體溫度變化時，電纜所受合力分解為電纜線路軸向伸縮力和側向滑移力。電纜線路蛇形敷設及熱膨脹分析如圖1所示。

圖1 電纜線路蛇形敷設及熱膨脹分析示意

電纜線路軸向熱膨脹量ΔL可參考式(1)理論計算：

式中：ΔL為電纜線路熱膨脹量；Δθ為電纜線路導體溫升；L為蛇形長度的1/2；α為電纜線路熱膨脹系數(shù)。

針對水平敷設的電纜線路，當導體溫度下降時，其蛇形弧軸向力Fh1可參考式(2)理論計算：

當導體溫度上升時，其蛇形弧軸向力Fh2可參考式(3)理論計算:

針對垂直敷設的電纜線路，當導體溫度下降時，其蛇形弧軸向力可參考式(4)理論計算：

當導體溫度上升時，其蛇形弧軸向力Fv2可參考式(5)理論計算：

蛇形弧側向滑移量n可以參考式(6)理論計算:

式(2)～(6)中，θ為電纜導體溫度；B為蛇形弧幅；L為蛇形長度的1/2；α為電纜線路線性膨脹系數(shù)；μ為電纜摩擦系數(shù)；W為電纜線路單位重量；A為電纜導體截面積；E為電纜楊氏模量； -EI為電纜抗彎剛性。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，取計算參數(shù)如表2所示。

表2 熱膨脹計算參數(shù)

在電力電纜、同軸電纜水平敷設條件下，取其不同工況條件進行熱膨脹計算，在θ=50 ℃時計算結果如圖2，3所示。

圖2 電力電纜不同L時B與Fva的關系

可以看出，在進入工井后，如果未設置蛇形敷設或打Ω彎，則電力電纜與同軸電纜的等效蛇形長度L會顯著增大，引起高壓電力電纜搪鉛部位與羊角尾部應力顯著增大，造成羊角尾部斷裂或搪鉛脫落，導致附件內部進水，給安全運行帶來隱患。

2.3 有限元仿真分析

建立電纜接頭“羊角”處的有限元模型如圖4所示。圖中細長圓柱為接地電纜，短粗圓柱為電纜接頭外殼的一部分。黑色部分施加45 N外力，折合壓力約為0.03 MPa，模擬施工人員壓接接地電纜、調整接地電纜位置時施加的彎折力。得到應力分布如圖5所示，從圖中可以看出，接地電纜根部應力比較集中。

圖4 接地電纜根部有限元模型

圖5 接地電纜根部仿真結果

接地電纜連接處應力分析，應力最高達到12 MPa，是外加力(0.03 MPa)的400倍，所以該處很容易出現(xiàn)開裂情況。

在室溫25 ℃，接地電纜導體溫升50 ℃(即溫度75 ℃)工況下，應力最大值為6.6 MPa，說明同軸電纜的熱膨脹對羊角處應力增大有明顯影響。

為分析電纜本體熱膨脹對電纜接頭(尤其封鉛處)應力變化的影響，建立電纜封鉛處有限元模型如圖6所示。

圖6 電纜封鉛處有限元模型

圖中最左側截面，由內至外各圈材料分別為銅、交聯(lián)聚乙烯、鋁，中間的圓球為鉛封，右半部分最外側圓筒為電纜中間接頭的銅套管，通過封鉛可以使電纜鋁護套與銅套管緊密相連。

圖7為電纜封鉛處在室溫25 ℃、導體溫度升高50 ℃的工況下的應力分布。可以看出，應力主要集中在鉛封與銅套管、電纜鋁護套的接觸部分末端。

圖7 封鉛處仿真結果

選取應力最集中的部位，即鉛封與銅套管的接觸部位末端(圓)，應力值約為58 MPa，而鉛合金的抗拉強度為30～70 MPa；如果此處鉛封質量不是很好，或者導體溫升更大，很可能造成鉛封的破壞，使得接頭失去密封性，電纜本體鋁護套的電氣連接斷開。

3 腐蝕情況分析

3.1 試驗系統(tǒng)簡介

FTIR為第三代紅外吸收光譜儀。可對干涉后的紅外光進行傅里葉變換，實現(xiàn)樣品定性和定量分析。SEM為掃描電鏡，可直接利用樣品表面材料的物質性能進行微觀成像，具有放大倍數(shù)高、景深大、視野大等優(yōu)勢。

SEM分析采用美國FEI公司生產的Quanta 250型掃描電子顯微鏡；紅外光譜分析所用儀器為美國Thermo Fisher Scientific生產的Nicolet 380傅里葉變換紅外光譜儀。將電纜中間接頭周邊鋁護套腐蝕成分進行FTIR，SEM測試。

3.2 樣品試驗分析

FTIR測試結果顯示，樣品含有羧酸鹽。SEM測試結果顯示樣品中主要含有C，O，Na，Al等元素，其中C，O，Na元素可能歸屬于羧酸鈉，Al元素可能歸屬于三氧化二鋁。綜合FTIR，SEM測試結果，推測樣品中羧酸鹽的含量約25 %，三氧化二鋁的含量約為40 %。紅外光譜如圖8所示。

圖8 紅外光譜

分析結果表明，中間接頭長期進水后、會引起周邊皺紋鋁護層腐蝕，產生羧酸鹽以及金屬氧化物等物質。這些物質會嚴重降低皺紋鋁護層導電性能，導致電力電纜接地不良，加速電纜絕緣的發(fā)熱及老化，給電力電纜運行帶來嚴重威脅。

4 結論

(1) 電力電纜中間接頭長期運行后的主要缺陷類型包括羊角開裂、接頭進水、鋁護套腐蝕。

(2) 羊角設計過長與中間接頭敷設中未設置Ω彎導致羊角末端應力過大，造成羊角根部斷裂，加速中間接頭進水。

(3) 進水可能引起接頭周邊鋁護套腐蝕，引起絕緣發(fā)熱，進一步劣化電纜運行可靠性。