配電電纜附件XLPE/SIR界面缺陷特性及其對電場分布的影響研究

張世棟，蘇國強，劉合金，張林利，李 帥

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

造成電纜附件混入雜質的原因復雜多樣，主要包括：安裝過程中操作不當導致半導電層殘留、半導電膠滲透到絕緣界面、絕緣材料或金屬顆粒殘留等［13-14］。對于缺陷對附件內部電場的影響，眾多學者進行了相關研究，He 等［15］基于模擬電荷法針對電纜接頭中氣隙缺陷和水膜缺陷等進行了仿真，結合隨機游走理論描述了缺陷周圍電樹生長的隨機過程。Sobhy S 等［16］針對電纜附件空隙缺陷、受潮缺陷進行仿真分析了缺陷位置以及大小對場強的影響。劉琦等［17］基于有限元法，對電纜附件制作過程中產生的缺陷進行了定量分析計算，分析了不同缺陷情況下中間接頭內部的電場分布情況。統計表明，XLPE/SIR 絕緣介質界面是電纜附件絕緣的薄弱環節［18-19］，但由于電纜附件界面結構的復雜性，較難通過實驗手段直接進行界面缺陷性能表征。

針對電纜附件復合界面處的3 種典型缺陷，設計了XLPE/SIR 雙層結構界面缺陷，并對引入不同缺陷的試樣分別進行擊穿實驗，進而展開仿真研究，通過建立雙層結構界面缺陷模型仿真模型，計算了界面缺陷引起的電場畸變，將其與實驗結果進行對比；進一步將缺陷模型擴展到配電電纜中間接頭，研究電纜中間接頭的內部電場分布。

1 模型構建

1.1 XLPE/SIR雙層結構界面缺陷模型構建

由于電纜附件結構復雜，較難直接針對整支電纜附件進行界面缺陷擊穿測試。而實際工程應用中電纜附件XLPE/SIR 界面為附件的薄弱位置，相比于附件的其他部位更容易發生擊穿故障［20-21］。因此設計了雙層結構界面缺陷模型來模擬附件XLPE/SIR界面缺陷，開展擊穿測試。

考慮電纜附件的結構特點，SIR材料的絕緣厚度通常為XLPE 絕緣的2～3倍。因此制備厚度為0.3 mm SIR 的試樣和厚度為0.15 mm 的XLPE 試樣，試樣尺寸為100 mm×100 mm。XLPE/SIR 界面由交聯聚乙烯薄片與硅橡膠片貼合在一起構成，從外界施加壓力，使兩種絕緣材料黏合，模擬附件中XLPE/SIR 復合介質絕緣結構。

為模擬生產、安裝過程中界面處殘留的雜質，在模型中引入金屬缺陷、半導電缺陷、絕緣缺陷（XLPE），如圖1 所示，將半徑為1.5 mm、厚度為0.15 mm 的缺陷材料置于XLPE 與SIR 界面中，并使XLPE 與SIR嚴密貼合，進行擊穿實驗。

圖1 XLPE/SIR雙層結構界面缺陷模型示意

1.2 電纜附件仿真模型

在雙層結構介質界面缺陷模型的基礎上，建立電纜中間接頭電場仿真模型，重點分析界面缺陷類型（金屬、半導電和絕緣）和位置對電場分布的影響，如圖2所示。

圖2 界面缺陷模型示意

使缺陷在XLPE/SIR 界面移動，對雜質處于不同位置時附件的電場進行進一步仿真，探究3 種固體雜質在界面上不同位置時對附件內部電場的影響規律。

關于道德行為究竟是怎么發生的問題，王陽明從“知行合一”的觀點論述，用“知行”二者不可分割性，論述道德行為發生的必須性；休謨從“反理性”的角度出發，認為道德行為的踐行不應該摻雜太多的理性因素，理性因素很大程度上是道德行為發生的阻礙。針對當前社會上出現的“知行脫節”“扶不扶”等道德問題，都是一種理性支配感性的不道德現象，在道德實踐領域，強調道德情感本身的重要性，降低理性因素的主導，對于更好地進行道德實踐具有重要意義。

2 結果與分析

根據電磁場理論，當電力設備尺寸遠小于波長時，設備的電場可近似為靜電場。因此，本研究中工頻下電纜附件電場計算采用靜電場處理，設置電勢的邊界條件為10 kV。

2.1 實驗結果

根據GB/T 16927《高電壓試驗技術》中規定的連續放電實驗方法進行交流擊穿測試，測試系統采用直徑25 mm 的柱狀電極結構。測試時，將裝有試樣的電極整體置于絕緣油中，以防高壓下發生沿面閃絡。交流電源的升壓速率為1 kV/s，直到試樣擊穿。

根據GB/T 29310《電氣絕緣擊穿數據統計分析導則》，采用兩參數Weibull 分布對試樣的擊穿數據進行分析，表達式為

式中：y為變量，代表試樣擊穿電壓、場強或擊穿時間；F（y）為對應于參數y的失效概率；α為尺度參數，表示失效概率為63.2%時的擊穿電壓、場強或擊穿時間值，也稱為平均值；β為形狀參數，代表試驗數據的分散性，其值越大，數據分散性越小，β也代表著Weibull擬合曲線的斜率。

擊穿測試結果如圖3所示。Weibull坐標下，引入不同缺陷的試樣擊穿概率為63.2%的場強大小如表1所示。

圖3 XLPE/SIR雙層結構界面缺陷擊穿性能

表1 雙層結構界面不同缺陷的引起的擊穿場強

在交流電壓下，電介質內電場強度按照介電常數分配，人工加入雜質破壞了均勻電場，使缺陷周圍電場發生畸變，從而導致擊穿場強降低。由圖3與表1可以看出，引入金屬缺陷時，試樣的擊穿場強最小，危害最大。由于金屬與半導電的介電常數遠大于絕緣，所以金屬缺陷與半導電缺陷造成的電場畸變較為嚴重，從而含金屬缺陷試樣的擊穿場強較低。由于絕緣缺陷與試樣材料介電常數相差不大，所以引入絕緣缺陷造成的電場畸變較小，對擊穿場強的影響也較小。

2.2 雙層結構界面缺陷電場仿真

根據實驗模型建立雙層結構界面缺陷仿真模型，試樣與缺陷均與試驗相對應，圖4 為無缺陷試樣的電場分布云圖。

圖4 無缺陷雙層結構電場分布圖

由圖4 可以看出，XLPE 材料內部的最大電場為27.6 kV/mm，而SIR 材料內部的電場為19.6 kV/mm，兩者差別明顯，這是因為工頻電壓下，附件電場主要取決于兩種介質的介電常數，而XLPE的相對介電常數對于SIR 來說較小，在交流電場下承擔的電場強度相對較高。

對XLPE/SIR 試樣模型引入缺陷后，試樣內部電場出現變化，如圖5所示。

圖5 含界面缺陷雙層結構電場分布

圖5（a）為試樣引入金屬缺陷時的場強變化?？梢钥闯鲈谌毕莞浇霈F了較明顯的場強畸變，畸變最大可以達到44.6 kV/mm，這是因為金屬的相對介電常數遠遠大于絕緣材料，所以在缺陷與絕緣材料交界處產生了電場畸變，金屬缺陷承擔的電場強度較小，因此其內部的電場強度較小，僅有0.07 kV/mm。

圖5（b）為試樣引入半導電缺陷時的場強變化，半導電缺陷與金屬缺陷引起的電場變化相差不大，這是因為兩者的相對介電常數均遠大于絕緣材料。半導電缺陷與絕緣試樣交界處的最大場強可以達到44.3 kV/mm，缺陷內部有最小場強0.62 kV/mm。

圖5（c）為絕緣缺陷對試樣內部電場造成的影響，絕緣缺陷相對于前兩者對電場的影響較小，缺陷處最大場強為28.3 kV/mm，這是由于缺陷材料為XLPE，相對介電常數一致，不會引起較強的電場畸變。

3種缺陷引入時XLPE 絕緣與SIR 絕緣的電場強度分別為27.6 kV/mm 與19.6 kV/mm，與正常試樣的電場分布一致，說明缺陷僅在其周圍造成了電場畸變，對遠離缺陷的位置的電場影響不大。

2.3 電纜附件界面缺陷電場仿真

在電纜附件中，最大場強一般出現在應力錐根部，最大畸變值為2.17 kV/mm，如圖6 所示。這是因為應力錐的根部由多種不同相對介電常數的材料組成，導致場強較為集中。而且應力錐根部界面處容易產生局部放電，導致絕緣擊穿等危害發生。

圖6 無缺陷電纜附件電場分布圖

針對缺陷在應力錐根部附近時對電場的影響進行了研究，對3 種缺陷位于應力錐根部附近時進行仿真計算。圖7 給出了不同類型界面缺陷引起的電纜附件最大畸變電場。

圖7 含界面缺陷電纜附件電場分布圖

如圖7（a）和圖7（b）所示，缺陷位于距離應力錐根部3.5 mm 的XLPE/SIR 界面處時，由于金屬與半導電雜質的相對介電常數均遠大于絕緣材料，以及兩者的導電特性，使得金屬缺陷與半導電缺陷內部的電場強度降低，缺陷周圍的電場強度增加。復合界面處金屬、半導電缺陷引起的最大場強畸變均為3.56 kV/mm。

如圖7（c）所示，絕緣缺陷位于三結合點處時引起的電場畸變為7.23 kV/mm。畸變出現在絕緣缺陷與應力錐的交界處，這是由于絕緣材料的介電常數較小，缺陷區域承擔電場較高，再加上缺陷的引入可能會出現尖端效應，導致缺陷邊緣與應力錐交界處出現電場畸變。

為了探究3 種缺陷在界面上的位置對附件內部電場的影響，進行進一步仿真，使缺陷在XLPE/SIR界面移動，逐漸遠離應力錐根部，計算缺陷在各個位置的電場強度，結果如圖8所示。

圖8 界面固體雜質缺陷位置對電場的影響

如圖8 所示，金屬缺陷與半導電缺陷在離開應力錐的過程中引起的電場畸變有小幅升高，這是因為缺陷在與應力錐接觸時，應力錐根部與缺陷部分重合，導致應力錐根部的電場被削弱，而當缺陷遠離應力錐根部時，應力錐根部的電場畸變逐漸增強，在距應力錐3.5 mm 處缺陷仍與應力錐接觸，但缺陷已基本沒有與應力錐重合部分，此時場強達到最值3.67 kV/mm。絕緣缺陷在離開應力錐過程中周圍電場急劇下降，這是由于絕緣缺陷在移動的過程中與應力錐的接觸界面逐漸縮小，導致缺陷內部承擔的電場下降，當絕緣缺陷逐漸遠離應力錐處于XLPE/SIR 界面上時，SIR 承擔了較多的電場，缺陷承擔的電場逐漸降低。

3 結語

實驗研究了絕緣、半導電、金屬等3 種典型界面缺陷類型下的擊穿特性，建立了雙層結構界面缺陷模型仿真模型，研究了配電電纜附件XLPE/SIR 界面缺陷特性及其對電場分布的影響。

XLPE/SIR 雙層結構界面引入缺陷后擊穿場強明顯降低，其中金屬缺陷與半導電缺陷的試樣擊穿場強分別為41.37 kV/mm 與43.66 kV/mm，相對于無缺陷結構降低了14.2%與9.9%。電場仿真結果表明金屬缺陷和半導電缺陷在雙層結構試樣仿真模型內部造成的電場畸變分別為44.6 kV/mm與44.3 kV/mm，絕緣缺陷引起的畸變相對較小，為28.3 kV/mm，與實驗規律相吻合。

電纜附件界面缺陷仿真表明，隨著缺陷遠離應力錐根部，金屬缺陷與半導電缺陷引起的電場畸變先增大后減小，最大畸變電場出現在距離“XLPESIR-應力錐”三結合點3.5 mm 處，為3.56 kV/mm；相比而言，絕緣缺陷引起的最大電場畸變出現在三結合點處，為7.23 kV/mm，隨著缺陷遠離應力錐根部電場畸變呈現下降趨勢。