基于電-熱場耦合的35kV電纜中間接頭氣隙缺陷仿真分析

陳 胤 黃瑞梅

基于電-熱場耦合的35kV電纜中間接頭氣隙缺陷仿真分析

陳 胤1黃瑞梅2

（1. 國網廈門供電公司，福建 廈門 361000；2. 福建水利電力職業技術學院，福建 永安 366000）

為了研究電纜接頭在不同尺寸空氣楔形間隙下的運行性能，本文采用有限元計算方法，設計35kV電纜接頭精細化模型，計算電纜接頭在發生單相短路故障時的電場和溫度分布。結果表明，電纜接頭內的空氣間隙電場強度集中，絕緣層存在劣化隱患。隨著空氣間隙長度的增加，氣隙內最大電場強度逐漸增大；隨著空氣間隙深度的增大，氣隙內最大電場強度呈先減小后增大的變化規律；氣隙內熱量的積聚會進一步造成絕緣層的老化。最后，根據現場實際缺陷案例，提出風險預控和防治措施。

電纜接頭；空氣間隙；電場；溫度分布

0 引言

電力電纜具有安全性強、對城市環境友好且受自然條件限制小等諸多優點，已成為城市電網中不可或缺的電力設施[1-2]。隨著電力電纜制作工藝的不斷革新，其覆蓋率和使用率越來越高，城市電網供電可靠性和穩定性也相應逐步增強[3]。

由于電纜終端或中間接頭在制作過程中需要剝去原結構層，可能會劃傷絕緣層而產生空氣間隙，使絕緣層表面電場分布不均，甚至發生放電、異常溫升和材料老化等現象，進而影響電纜絕緣層的性能[4-5]。據統計，電纜附件發生的事故占電纜總事故的70%左右[6]。因此，分析電纜接頭的電場和溫度分布對研究和控制電纜事故具有重要意義[7-9]。

國內外學者對電力電纜附件運行狀況開展了大量的研究。目前，通過老化試驗及仿真計算，已建立了較為成熟的電纜壽命老化模型[10-11]。電纜接頭內部缺陷的放電過程和機理也有較多研究[12-13]，研究表明，電纜接頭主絕緣含有雜質時，雜質附近電場畸變嚴重。由于電纜接頭內部缺陷導致局部放電時，電-熱效應共同作用影響電纜運行性能。文獻[14]建立了電纜接頭運行過程中的溫度計算模型。文獻[15-16]通過仿真計算得到電纜接頭的溫度分布，并且發現電場畸變和異常溫升相互作用，加速絕緣層的老化。為了進一步分析實際運行過程中電纜中間接頭的事故原因，需要分析并總結常見內部缺陷形態、電纜接頭內部的電場和溫度分布規律。

本文針對35kV電力電纜中間接頭開展仿真計算，按照實際電纜結構設計精細化模型。在實際工作和事故案例中，中間接頭由于拖拽、制作工藝等因素被劃傷而產生楔形缺陷的情況較多，因此本文在中間接頭繞包應力錐處設計多種寬度、深度的楔形空氣間隙缺陷，著重分析有缺陷時的電場和溫度分布，探究35kV電力電纜在不同尺寸的楔形劃傷缺陷下的運行狀態，為電纜中間接頭事故原因分析和溯源提供理論指導。

1 電纜接頭仿真計算模型

1.1 電纜接頭模型結構

根據實際35kV電纜接頭結構構建仿真計算模型。從內層到外層的結構依次為：線芯、金屬連接管、內半導體繞包層、電纜絕緣層、增強繞包絕緣層、屏蔽銅網、半導體帶繞包層和外護套管[17]。線芯直徑為16mm，電纜絕緣外徑為40mm，增強絕緣（應力錐）外徑為66mm，金屬連接管長100mm。35kV電纜接頭剖面圖如圖1所示。

圖1 35kV電纜接頭剖面圖

1.2 控制方程

電場計算可當作電準靜態場來處理，相應控制方程為

再根據時諧場基本方程

根據傳熱學，仿真模型服從穩態、內部熱源模型，控制方程為

1.3 仿真計算材料參數

在電纜接頭無缺陷情況下，電纜各層護套絕緣性能良好，呈容性分布。在準靜態電場計算環境下，引入電導率進行計算，主要材料參數見表1。

表1 材料參數

2 電纜接頭無缺陷的電場仿真計算

2.1 邊界條件處理

根據對稱性，取1/4三維模型進行計算。在線芯加載電壓，加壓條件設定為電纜運行時最不利的狀態，即發生單相短路故障帶故障運行時的峰值，為49.5kV。外護套管接地處理。

2.2 電場仿真計算結果

電纜接頭內部電壓和電場分布如圖2所示。在剖面截圖，可以發現電位分布均勻，符合實際電位分布情況。電纜內部的電場集中在交聯聚乙烯（XLPE）絕緣層上，并且越靠近線芯，電場越強。

圖2 電纜接頭內部電壓和電場分布

由于金屬連接管為具有尖銳棱角的錐體，而應力錐端部往往是制作的薄弱點，因此著重分析這兩處的電場強度分布，分別如圖3和圖4所示。

圖3 金屬連接管處電場分布

金屬連接管棱角的電場強度最大，為11.35kV/mm，而XLPE絕緣層的錐形端部也集中了較大電場強度，大致為10kV/mm。

由于應力錐外側包裹屏蔽銅網，增加了雜散電容，因此隨著應力錐厚度增大，電場強度分布逐漸均勻，應力錐繞包端部的電場強度比中部電場強度更高。

圖4 應力錐端部的電場分布

2.3 仿真計算結果分析

電纜接頭處最大的電場強度為11.35kV/mm，該值遠大于空氣擊穿電場強度3kV/mm。若在制作電纜接頭過程中，半導體繞包層或增強絕緣繞包層之間存在空氣間隙，會有發生電纜內部局部放電的隱患，從而進一步造成電纜內部絕緣的劣化。

3 電纜接頭含缺陷的仿真計算

3.1 缺陷電纜接頭模型設計

制作電纜接頭及其應力錐時，需要進行切割剝除、繞包制作等工藝，在現場制作中留下劃痕的概率較高，從而產生絕緣層劣化隱患，因此設計不同尺寸楔形劃傷缺陷并展開仿真分析。

根據上文計算結果，應力錐繞包的端部電場強度比中部電場強度更高，因此楔形劃傷缺陷選擇在應力錐端部，可反映實際制作電纜接頭時剝除XLPE絕緣層的部位。

建立三維1:1尺寸精細化仿真模型，楔形氣隙缺陷選擇三種深度，分別為2mm、4mm和6mm；選擇三種長度，分別為20mm、40mm、60mm；切口的寬度固定為0.6mm。空氣間隙缺陷設計模型如圖5所示。

圖5 空氣間隙缺陷設計模型

3.2 電場仿真計算結果

不同楔形空氣間隙的最大電場強度見表2。

表2 不同楔形空氣間隙的最大電場強度

由表2可知，隨著長度增大，最大電場強度普遍呈增大趨勢；隨著深度增大，最大電場強度呈現先減小后增大的變化規律。

隨著空氣間隙深度變化，電場強度分布也發生變化，長度對電場強度分布無太大影響。因此，以長度20mm為例，分析電場強度與深度的變化關系。不同空氣間隙深度電場強度分布云圖如圖6所示。

由圖6可知，深度較淺時，切口外側較為尖銳，電場強度相對較大；當深度逐漸增加時，切口尖端距離纜芯更近，電場強度集中位置逐漸轉移到切口尖端。

3.3 電-熱耦合仿真計算

由上文計算可得，楔形氣隙內電場強度高達2～3kV/mm，不僅使絕緣層產生電化學劣化，也會使氣隙內溫度升高，進一步加劇劣化。因此進行溫度場與電場的耦合計算，分析電纜接頭在缺陷情況下的穩態溫度分布[18-20]。

對不同長度和深度的楔形空氣間隙展開仿真。將3.2節中計算所得的由泄漏電流產生的功率損耗作為熱源代入溫度場，最外層護套設定為自然對流換熱邊界，外界溫度為20℃，其余邊界設置為熱絕緣邊界。

不同空氣間隙的最高溫度見表3。隨著空氣間隙的長度和深度逐漸增加，氣隙內最高溫度也逐漸增大。

表3 不同空氣間隙的最高溫度

重點分析楔形氣隙及其附近區域的溫度分布，選取溫度最高的缺陷情況，即長度為60mm、深度為6mm的情況，作其剖面的溫度分布云圖。空氣間隙及其附近區域的溫度分布如圖7所示。

楔形氣隙內的溫度高于線芯和絕緣層。在發生單相短路故障時，內部最高溫度可達74.7℃。若在此狀態下持續運行，根據XLPE電纜電熱聯合老化壽命估計，隨著運行時間增加，高溫及電場的聯合作用會加劇老化，容易導致內部絕緣失效，嚴重時需要立即停電，及時處理運行故障，限制電纜在較高溫度下運行的時間。

圖7 空氣間隙及其附近區域的溫度分布

4 現場缺陷案例與防治

2020年發生一起典型電纜中間接頭破損導致線路跳閘事件。工作人員詳細排查現場設備運行情況，發現電纜接頭應力錐處燒毀，對燒毀部位進行解剖，發現電纜主絕緣存在嚴重劃傷痕跡。電纜接頭缺陷如圖8所示。

圖8 電纜接頭缺陷

解體后綜合分析判斷，在施工過程中，由于工藝不良，在剝除電纜半導體層時將電纜頭內絕緣層劃傷，導致電纜絕緣部分存在內部間隙。在故障處，局部放電對絕緣層產生積累性劣化，同時在夏季高負荷情況下，導致電纜中間接頭長期處于局部過熱狀態，電纜絕緣受損加劇從而導致故障發生。

通過缺陷事故分析，制定防控對策：①提升電力電纜設備施工安裝工藝水平，加強施工監督管理，保證關鍵過程有據可查；②對在運電纜中間接頭和終端進行排查，通過紅外測溫篩查電纜接頭、終端溫度異常；③加強綜合治理，提升電纜外護套交叉互聯防水性能。

5 結論

通過有限元方法對35kV XLPE電力電纜接頭進行仿真計算，得到有、無缺陷條件下的電場分布及有缺陷時的溫度分布，具體結論如下：

1）電力電纜接頭的金屬連接管和應力錐部分對電場分布影響較大，在連接管和應力錐的端部電場較為集中。

2）對于不同尺寸的楔形氣隙缺陷，隨著長度增大，最大電場強度普遍呈增大趨勢；隨著深度增大，最大電場強度先減小后增加。楔形劃傷較淺，最大電場強度分布在切口外側；劃傷較深時，最大電場強度在切口內側。

3）隨著楔形氣隙長度和深度的增加，空氣間隙內的最高溫度也逐漸增大。隨著運行時間增加，電熱聯合作用加速老化，并產生積累性影響，破壞電纜絕緣水平，降低電纜壽命。

[1] 曹曉瓏, 劉英, 鐘力生, 等. 從2010國際大電網會議看電力電纜技術的發展現狀和趨勢[J]. 高電壓技術, 2011, 37(12): 3078-3083.

[2] 于景豐. 電力電纜實用技術[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2003.

[3] 王春江. 電線電纜手冊[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社, 2001.

[4] 林晨炯, 林珍, 吳雅琳. 電纜接頭溫度在線監測方法研究綜述[J]. 電氣技術, 2019, 20(5): 1-4.

[5] 馬自偉, 賈江波, 查瑋, 等. 10kV XLPE電纜終端電場分布與調整[J]. 高壓電器, 2007, 43(4): 304-307.

[6] 羅俊華, 邱毓昌, 楊黎明. 10kV及以上電力電纜運行故障統計分析[J]. 高電壓技術, 2003, 29(6): 14-16.

[7] 杜伯學, 韓晨磊, 李進, 等. 高壓直流電纜聚乙烯絕緣材料研究現狀[J]. 電工技術學報, 2019, 34(1): 179-191.

[8] FABIANI D, MONTANARI G C, LAURENT C, et al. HVDC cable design and space charge accumulation. Part 3: effect of temperature gradient[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2008, 24(2): 5-14.

[9] 王超, 劉毅剛, 劉剛, 等. 有限元法應用于電纜終端應力錐缺陷分析[J]. 高電壓技術, 2007, 33(5): 152-155.

[10] 劉飛. 35kV及以下XLPE電力電纜絕緣老化評估研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2014.

[11] 張龍, 張偉, 李銳鵬, 等. 10kV XLPE電纜終端缺陷仿真與電場分析[J]. 絕緣材料, 2014, 47(4): 83-88.

[12] 楊帆, 楊旗, 程鵬, 等. 電纜接頭內部氣隙放電缺陷下的絕緣劣化程度表征方法[J]. 電工技術學報, 2017, 32(2): 24-32.

[13] 劉剛, 陳志娟, 陸國俊, 等. 110kV交聯聚乙烯電纜終端主絕緣含雜質的擊穿特性分析[J]. 高電壓技術, 2010, 36(10): 2450-2453.

[14] 趙柏山, 王慶祝. 高壓電纜實時導體溫度計算與載流量預測探究[J]. 電氣技術, 2017, 18(3): 10-15.

[15] 徐元哲, 王樂天, 高洪學, 等. 電力電纜接頭溫度場分布的理論研究[J]. 電力系統保護與控制, 2008, 36(24): 4-13.

[16] 唐科, 文武, 丁俊杰, 等. 基于有限元法的電纜接頭溫度場仿真[J]. 電力建設, 2016, 37(2): 145-150.

[17] 王偉. 交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜技術基礎[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2011.

[18] 張洪麟, 唐軍, 陳偉根, 等. 基于有限元法的地下電纜群溫度場及載流量的仿真計算[J]. 高壓電器, 2010, 46(2): 42-51.

[19] 王有元, 陳仁剛, 陳偉根, 等. 有限元法計算地下電纜穩態溫度場及其影響因素[J]. 高電壓技術, 2009, 35(2): 3086-3092.

[20] REDDY C C, RAMU T S. On the computation of electric field and temperature distribution in HVDC cable insulation[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Insulation, 2006, 13(6): 1236-1244.

Simulation analysis of 35kV cable joint with air gap defect based on electrothermal field coupling

CHEN Yin1HUANG Ruimei2

(1. State Grid Xiamen Power Supply Company, Xiamen, Fujian 361000; 2. Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yongan, Fujian 366000)

In order to study the performance of cable joints with different sizes of air wedge gaps, the refined model of 35kV cable joint is designed to calculate the electric field and temperature distribution of cable joint under single-phase earthing fault by the finite element method. The results show that the electric field in air gap of cable joint is concentrated which leads to the deterioration of insulation layer. As the length of air gap increases, the maximum electric field in air gap gradually increases. As the depth of the air gap increases, the maximum electric field in air gap decreases at first and then increases. Also, it shows that the accumulation of heat in the air gap will cause the deterioration of insulation. At last, according to actual defect cases, risk pre-control and prevention measures are proposed.

cable joint; air gap; electric field; temperature distribution

2021-02-17

2021-03-20

陳 胤（1992—），男，碩士，工程師，主要從事電磁場仿真計算相關工作。