220kV電纜中間接頭XLPE絕緣收縮電場分析

陶瑞祥，王成珠，姜云土，曹俊平，王少華

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；3.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

電纜接頭是電纜穩定運行的薄弱環節，也是電纜故障的多發區段[1]。電纜長期運行過程中，通流發熱使得電纜接頭各部分產生結構性變化，導致內部電場畸變，同時絕緣材料熱老化使得絕緣性能下降[2]，最終導致電纜接頭發生擊穿故障。當前，針對電纜接頭缺陷故障分析已有相當數量的研究，其中關于電纜接頭絕緣缺陷[3-4]及接頭內部電場分布[5-6]的研究較多，此外還包括阻水性[7]、溫度分布及監測[8-9]、局放檢測[10-11]等方面的研究。在電纜接頭缺陷方面，文獻[12]研究了接頭半導電尖端缺陷的局部放電特征，文獻[13]對電纜主絕緣劃傷、含雜質、受潮和半導體尖端缺陷4種典型的絕緣缺陷進行電場和溫度場仿真，文獻[14]計算了110 kV 電纜中間接頭在正常工作、絕緣層出現老化和絕緣層中存在雜質時的電場分布。現有文獻在電纜接頭絕緣收縮方面的研究較少。文獻[15]針對電纜主絕緣回縮類缺陷給出了電場模擬方法，但針對的是10 kV 電壓等級的電纜接頭。220 kV 電纜接頭內部主絕緣收縮量更大，加上電壓等級較高，電場畸變更加明顯。本文對220 kV電纜接頭XLPE 絕緣收縮后關鍵區域的電場強度進行計算，分析不同收縮情況下的電場變化，為電纜接頭擊穿故障分析提供理論基礎。

1 電纜接頭及參數

某220 kV 電纜運行過程中，線路中間接頭出現了如圖1 所示的擊穿故障，擊穿通道位于高壓應力錐端部區域。此接頭為整體預制式接頭，基本結構如圖2 所示。各主要部分的徑向參數與電磁參數如表1 所示。依據圖2 所示的結構建立計算模型，并假定電纜運行電壓有效值為127 kV。

圖1 電纜接頭擊穿故障

圖2 電纜接頭基本結構

表1 電纜各部分基本參數

2 電纜接頭電場分析

本文通過建立電纜中間接頭XLPE 絕緣不同程度收縮但未脫離與高壓應力錐接觸情況下的模型，在靜電場條件下計算電纜接頭的電場，研究電纜接頭絕緣部分電場分布。在不考慮殘余電荷的情況下計算方程為：

導體邊界為：

絕緣橡膠邊界為：

式（1）—（3）中：φ 為電位；φ0為導體邊界電位；φ1為絕緣邊界電位。

XLPE 絕緣收縮情況下的電場分布符合軸對稱性質，可采用二維計算模型。此外，當XLPE 絕緣收縮造成高壓應力錐與絕緣橡膠出現空氣間隙時，其電場分布仍符合軸對稱性質。

高壓應力錐端部、高壓應力錐與絕緣橡膠的結合部均是擊穿故障的高發區域，本文在分析電場分布時，將重點關注高壓應力錐與絕緣橡膠交界區域，尤其是高壓應力錐端部區域，如圖3 所示。本文電場分布曲線圖中橫軸所示的節點編號均按照圖3 中箭頭方向由小到大進行編號。

2.1 正常電纜接頭電場

依據圖2 所示的電纜接頭基本結構建立計算模型，計算正常電纜接頭的電場分布，標定路徑（圖3 虛線段）上的電場分布如圖4 所示。

圖3 高壓應力錐與絕緣橡膠交界區域

圖4 標定路徑上的電場分布

從圖4 的計算結果看，電纜接頭高壓應力錐端部是電場強度最大的區域，驗證了該區域是電纜接頭擊穿故障高發區域的判斷。

2.2 XLPE 絕緣單側收縮的電纜接頭電場

隨著電纜的運行，XLPE 絕緣受熱老化會出現不同程度的收縮，如圖5 所示。220 kV 電纜主絕緣收縮量可達數厘米，XLPE 絕緣收縮會影響電纜接頭內部電場分布。本節計算電纜接頭單側出現不同程度XLPE 絕緣收縮時，標定路徑上的電場分布，并與正常電纜接頭計算結果進行比較，結果如圖6、圖7 所示。

圖5 單側XLPE 絕緣收縮

從圖6、圖7 的計算結果看，電纜接頭內高壓應力錐與XLPE 絕緣接觸段電場隨著收縮距離的增大而整體增大，而其他段電場基本保持一致，變化很小。

圖6 XLPE 單側收縮時，高壓應力錐與XLPE 絕緣接觸段的電場分布

圖7 XLPE 絕緣單側收縮時，標定路徑上的電場分布

選取高壓應力錐端部區域中電場變化較為明顯的4 個節點A，B，C，D，比較XLPE 絕緣出現單側收縮時電纜接頭與正常接頭在節點處的電場強度，如表2 所示。

表2 擊穿部位附近節點電場強度

從表2 的計算結果看，當XLPE 絕緣出現單側收縮時，高壓應力錐端部區域電場出現一定程度增強，最高可達11 kV/m。

2.3 XLPE 絕緣雙側收縮的電纜接頭電場

本節計算電纜XLPE 絕緣雙側收縮時（如圖8 所示），電纜接頭標定路徑上的電場分布。

圖8 雙側XLPE 絕緣收縮

從圖6、圖7 的計算結果可以看出，XLPE 絕緣出現收縮時，收縮距離只對高壓應力錐與XLPE 絕緣接觸段的電場影響較大，而對其他接觸段電場影響不明顯。為了更清晰地顯示收縮距離對電場的影響規律，后續收縮距離顆粒度設置為1 cm。本節假定單側收縮1 cm，通過改變另一側的收縮距離來研究XLPE 絕緣雙側收縮時電纜接頭電場分布，計算結果如圖9 所示。

圖9 XLPE 絕緣雙側收縮時，高壓應力錐與XLPE絕緣接觸段的電場分布

從圖9 的計算結果看，XLPE 絕緣雙側收縮時，隨著收縮距離的增大，電纜接頭高壓應力錐與XLPE 絕緣接觸段電場強度整體提升，且右側收縮距離的增大對左側電場分布基本沒有影響。

假定左側收縮距離為Dl、右側收縮距離為Dr（如圖10 所示），本節計算XLPE 絕緣單側收縮（Dl分別為1 cm，2 cm，3 cm，4 cm）和XLPE 絕緣雙側收縮（Dl為1 cm，Dr分別為1 cm，2 cm，3 cm，4 cm）不同情形下，高壓應力錐與XLPE 絕緣接觸段、高壓應力錐端部的電場，比較結果如圖11、表3 所示，其中表3 的選點方式與表2 相同。

圖10 XLPE 絕緣單側與雙側收縮

從圖11 可以看出，XLPE 絕緣出現雙側收縮時，兩側XLPE 接觸段的電場分布相對獨立，即一側XLPE 絕緣收縮對另一側電場分布影響甚微。從表3 的計算結果看，XLPE 絕緣出現單側收縮和雙側收縮時，高壓應力錐端部區域電場強度基本一致。

圖11 XLPE 絕緣單側與雙側收縮情形下，高壓應力錐與XLPE 絕緣接觸段電場分布比較

表3 2 種情況下擊穿部位附近節點電場強度

2.4 XLPE 絕緣收縮產生氣隙時的電纜接頭電場

當電纜XLPE 絕緣出現收縮時，很可能造成高壓應力錐與橡膠之間的氣隙，如圖12 所示。本節計算當高壓應力錐與橡膠之間出現氣隙時電纜接頭標定路徑上的電場大小，研究絕緣收縮與氣隙對電纜接頭電場的影響。

圖12 高壓應力錐與橡膠之間出現氣隙

XLPE 出現單側收縮或雙側收縮時，單側收縮側或雙側收縮中收縮量較大的一側均可能會出現氣隙，標定路徑上的電場分布如圖13 所示。

圖13 單側出現氣隙時，標定路徑上的電場分布

從圖13 的計算結果看，單側氣隙對高壓應力錐本側端部電場影響極為明顯，而對另一側端部電場影響甚微。相比而言，XLPE 收縮量的大小對高壓應力錐端部電場影響較為微弱，且收縮量對標定路徑上其他位置的電場強度影響不大。

若XLPE 出現雙側收縮，則有可能在雙側出現氣隙，標定路徑上的電場分布如圖14 所示。

從圖14 的計算結果看，雙側出現氣隙時，各側的氣隙只會影響本側高壓應力錐端部的電場分布，而對另一側的電場分布影響很小。

圖14 雙側收縮時，標定路徑上的電場分布

3 結語

本文通過分析正常電纜接頭和出現XLPE 絕緣收縮的電纜接頭的電場分布，得出如下結論：

1）正常情況下，電纜接頭高壓應力錐端部電場強度相對較高，在出現XLPE 絕緣收縮后，電場強度進一步增大，加上絕緣材料的熱老化使得該區域更易發生擊穿故障。

2）當XLPE 絕緣出現收縮時，高壓應力錐與XLPE 絕緣接觸段的電場隨著收縮距離的增大而增大。高壓應力錐端部電場對收縮距離的變化不敏感。

3）當XLPE 絕緣出現雙側收縮時，一側收縮距離的增大對另一側電場分布基本沒有影響。

4）XLPE 絕緣收縮產生的氣隙對電場的影響遠超過絕緣收縮，更易導致高壓應力錐端部的擊穿故障。一側氣隙只對高壓應力錐本側電場產生影響，對另一側電場影響甚微。