10 kV XLPE 電纜中間接頭復合缺陷電場分布仿真研究

鄧鎵屹,王星華,聶一雄

(廣東工業大學 電氣工程系,廣州 510006)

0 引 言

電纜中間接頭是電纜故障頻發的部位,因安裝缺陷導致的局部放電是絕緣劣化的開端。為提高電纜運行的可靠性,通常采用人工施加缺陷或耐壓試驗進行絕緣劣化研究,但預試驗耗時費力且結果缺乏系統性。近年來,利用有限元軟件對電纜中間接頭進行分析,對了解中間接頭內部的電場分布具有重要意義。

目前,國內外學者對電纜中間接頭的電場分布及其自身缺陷對電場分布影響的研究已取得初步結論。嚴有祥等[1]求解了±320 kV 直流交聯聚乙烯(XLPE)電纜中間接頭的電場分布;文獻[2-4]研究了水分缺陷和雜質對中間接頭內部電場分布的影響;ILLIAS H A 等[5]研究了缺陷尺寸、位置等參數對接頭電場分布的影響。

在安裝電纜接頭時,因操作導致的割痕、氣隙等多種缺陷同時存在的情況不可避免,而此類基于有限元分析的研究較少。黨衛軍等[6]研究了劃傷、雜質和毛刺3 種缺陷,但當不對稱缺陷存在于電纜中間接頭時,未考慮復合缺陷對電場分布的影響;胡新宇等[7]利用COMSOL 軟件對復合缺陷進行了分析;ILLIAS H A 等[8]建立了電纜終端的模型,考慮空隙、尖銷及絕緣體與應力錐之間的分層缺陷,研究了不同的空穴位置、材料介電常數等對電場大小的影響,但兩者均是基于2D 模型下的分析。采用2D模型進行計算可縮短求解時間,但2D 模型求解的結果不能準確模擬真實的中間接頭電場分布。文獻[9-13]分別在2D 和3D 模型下對導電顆粒、劃痕等典型單一缺陷進行了仿真分析,但未考慮實際中可能出現的多種復合缺陷。

本工作從模型維數的選擇和缺陷的復雜程度兩個角度,比較了2D 和3D 模型的計算結果,選擇3D模型進行分析。模型不僅設置了針尖、受潮等典型單一缺陷,還結合現場安裝過程引入多種復合缺陷的組合,采用有限元分析軟件對電纜中間接頭內部電場分布進行分析和比較。

1 有限元分析原理

有限元法是求解偏微分方程邊值問題近似解的一種數值計算方法。國內的電力電纜是在50 Hz 工頻交流電壓環境下運行的,其中,電場隨時間的變化較緩慢,可按電準靜態場來處理[9],由電磁場理論可知,其基本微分方程為

式中:Δ為哈密頓算子;E為電場強度;J為電流密度;B為磁感應強度;H為磁場強度;D為電位移矢量;ρ為自由電荷的體密度。

對于各向同性的電介質,其計算公式為

式中:γ為電導率;ε為相對介電常數;E為電場強度。

由矢量計算公式可得

把公式(2)、公式(3)、公式(4)代入公式(5)得到

式中:ω為角速度;j為虛數符號。

由上述分析可知,在電準靜態場中,介電常數ε和電導率γ是影響電場分布的兩個主要因素。

2 電纜中間接頭模型

本工作建立的的電纜中間接頭結構示意圖見圖1。

圖1 電纜中間接頭結構示意圖

纜芯處設置電壓為10 kV,外護套電位為零,求解器設為靜電場。纜芯材料采用銅,其相對介電常數為 1,電導率為 5.8 × 107S·m-1,半徑為10.25 mm,長度為400 mm;XLPE 絕緣層相對介電常數為2.5,電導率為1 × 10-13S·m-1,厚度為4.5 mm,長度為170 mm,模型中的其余參數見表1。

表1 中間接頭模型參數

3 仿真維數的選擇

由于2D 模型和3D 模型在求解時間上存在很大的差異,模型維數選擇是否恰當決定了計算時間的長短,且不同缺陷類型的計算結果與真實的電場分布也有著較大區別。在2D 模型和3D 模型下XLPE 層的同一位置(深度為4 mm 和3.5 mm)設置尖端缺陷,得到的尖端缺陷電場分布云圖分別見圖2 和圖3。從計算數值可以看出,3D 模型下的尖端處的電場強度求解精度比2D 模型高。

圖2 2D 模型下XLPE 存在尖端缺陷

圖3 3D 模型下XLPE 存在尖端缺陷

同理,可以作出不同維數的模型下,中間接頭存在其他不對稱缺陷、對稱缺陷時的電場強度變化曲線,見圖4 和圖5。

圖4 不對稱缺陷下2D 與3D 模型的計算結果對比

圖5 對稱缺陷下2D 與3D 模型的計算結果對比

由圖4 可知,對于尖端、氣隙等破壞接頭對稱結構的缺陷類型,采用2D 模型求解的精度較低。由圖4 和圖5 可知,對于連接管、主絕緣回縮等沒有破壞中間接頭對稱性的缺陷,2D 與3D 求解的結果相差不大。整體上,3D 模型計算的精度高于2D 模型,更能反映真實的電場分布情況。因此,本工作采用3D 模型進行求解。

4 缺陷設置

在電纜中間接頭的現場實際安裝過程中,常見的幾種缺陷有:①半導電層未打磨干凈,連接導體時金屬碎屑掉落,在絕緣表面有金屬顆粒殘留;②中間接頭安裝不準確,主絕緣脫離了屏蔽管的覆蓋范圍,形成環形氣隙;③過度打磨半導電層形成割痕,或因進刀深度過大形成環切尖端;④XLPE 沒有被硅橡膠完全密封,水分泄漏到界面上的小間隙中產生水膜缺陷。

當存在這些缺陷時,中間接頭內部的電場會發生畸變,從而會出現局部放電現象,降低電纜接頭的運行壽命。本工作分別設置無缺陷、單一典型缺陷和復合典型缺陷等3 種情況,并對電纜中間接頭內部電場分布進行分析。

4.1 無缺陷

對于無缺陷的電纜中間接頭,其內部電場分布云圖見圖6。

圖6 無缺陷電纜中間接頭電場分布云圖

由圖6 可以看出,電場強度由內而外逐漸減小,最大電場強度位于主絕緣和導體接觸的部位,電場強度為1.45～1.61 MV·m-1,應力錐處的電場分布均勻;電場強度為0.96～1.29 MV·m-1,未出現電場畸變的現象,試驗表明應力錐起到均勻電場的作用,其余部位的電場分布均勻,說明電纜中間接頭無缺陷條件下的電場分布均勻。

4.2 單一典型缺陷

電纜中間接頭在現場安裝過程中容易產生氣隙、尖端、導電顆粒嵌入等典型的微小缺陷。主絕緣存在單一缺陷的徑向電場分布曲線見圖7。

圖7 主絕緣存在不同缺陷和無缺陷時的電場強度對比

由圖7 可以看出,存在缺陷的電場強度曲線發生了不同程度的畸變。以針尖缺陷為例,尖端缺陷在徑向 17 mm 處的電場強度達到了峰值2.95 MV·m-1,是正常值0.99 MV·m-1的2.97 倍。主絕緣存在尖端缺陷時的電場分布云圖見圖8,由圖8 可以看出,在其針尖尖端處的電場較為集中。

圖8 主絕緣存在尖端缺陷的電場分布云圖

4.3 復合典型缺陷

在中間接頭實際安裝過程中,需要剝切電纜本體的銅屏蔽層和半導電層,可能有金屬粉末、半導電微粒附著在主絕緣或空氣進入主絕緣的情況。由此很難保證缺陷只存在于一個部位,中間接頭內部也可能會同時存在多種缺陷,以下就接頭內部存在復合缺陷時對電場分布的影響進行分析。

在剝離絕緣層時操作人員對進刀深度的把握較難控制。因此,存在缺陷時的長度不同。考慮到不同的缺陷長度,受潮缺陷的設置見圖9。

圖9 XLPE 層不同深度的受潮缺陷設置

不同深度缺陷的電場強度與其嵌入長度的關系曲線見圖10。

圖10 缺陷深度與電場強度的關系

由圖10 可以看出,缺陷周圍的電場強度隨著深度的加深而不同。

另外,分別在硅橡膠、XLPE 和連接管處設置尖端和氣隙缺陷,利用鐵釘模型模擬尖端特性,長度為1 mm,相對介電常數和電導率分別為1 和1.03×;用長度為4 mm、半徑為0.5 mm 的圓柱模擬氣隙缺陷,尖端缺陷和氣隙缺陷的電場分布云圖分別見圖11 和圖12。

圖11 主絕緣和連接管存在尖端缺陷的電場云圖

圖12 主絕緣和連接管存在氣隙缺陷的電場云圖

由圖11 可以看出,在主絕緣缺陷的尖端處,電場發生了嚴重的畸變;由圖12 可以看出,氣隙周圍的電場分布已不再均勻。由能帶理論可知,帶電尖端導體內較高能量的自由電荷勢必優先占據其尖端部位較低的能級,然后再占據其他較高的能級部位。當導電尖端帶正電時,其尖端面積非常小,而周圍的電荷密度較大。因此,導電尖端處具有非常大的電場強度,必然產生尖端放電。通常,為避免主絕緣發生局部放電現象,要求其表面沿軸向的電場強度(En)不大于0.3 MV·m-1,而此時XLPE 尖端處最大電場強度達到了2.76 MV·m-1,計算值遠大于En。因此,在其尖端周圍會發生局部放電現象,如果不加以處理,最終將導致絕緣擊穿。

以上只是各種復合缺陷的其中一種情況,為方便統計分析,記中間接頭內部集中的最大電場強度為Emax,各復合缺陷類型符號見表2。

表2 缺陷類型簡記符號

A3、B1缺陷的設置見圖13。圖13 中氣隙缺陷用半徑為0.5 mm、長度為10 mm 的圓柱代替,相對介電常數和電導率分別設置為1.006 和0 S·m-1,其局部電場分布云圖見圖14。

圖13 A3、B1 缺陷設置

圖14 A3、B1 缺陷電場云圖

由圖14 可以看出,缺陷周圍的電場已不再均勻分布,電場強度最大值出現在XLPE 氣隙處,為1.3 MV·m-1。中間接頭內部存在復合缺陷的電場強度分布曲線見圖15,其中4 種主要的復合缺陷分別為:A1、A3缺陷;A1、B1、C1缺陷;A3、B1、C2缺陷和A3、B3、C3缺陷。

圖15 復合缺陷電場強度分布曲線圖

由圖15 可知,上述4 種主要復合缺陷的Emax分別為2.55,3.35,1.26,1.17 MV·m-1,出現的位置分別為XLPE 層、連接管、連接管和XLPE 層。上述4 種情況下的Emax均遠大于En,可能發生局部放電現象。

經過大量計算和統計分析,發現XLPE 主絕緣被損傷時,其破壞點是電場強度較集中的部位;當中間接頭內部的主絕緣存在導電尖端時,其周圍的場強普遍高于其他缺陷類型,這是因為電介質的電場強度E與相對介電常數ε成反比[14]。ILLIAS H A等[8]的研究也證實電纜附件內部電介質的相對介電常數越大,其場強越小。本工作導電的ε為1,而主絕緣的ε為2.5,ε由2.5 突變為1,尖端處的電場強度高于主絕緣的電場強度,電場發生了極其嚴重的畸變,導致局部放電現象的發生。

考慮到空氣擊穿電場強度(Ea)為30 kV·cm-1,若在硅橡膠、XLPE 等部位存在氣隙且其內部電場強度接近或高于Ea時(如:A1、A3和A1、B3等缺陷),就可能形成局部放電現象,從而逐漸導致絕緣失效。因此,中間接頭安裝時應避免空氣進入主絕緣。

各種復合缺陷時,中間接頭內部最大電場強度及其位置數據見表3。

表3 中間接頭內部最大電場強度及其位置

由表3 可知,中間接頭內部電場強度數值均大于En,在其周圍會發生局部放電現象,久而久之形成電樹枝并逐漸使絕緣材料劣化、失效,最終導致嚴重的絕緣擊穿,甚至發生爆炸事故。

5 結 論

本工作通過建立電纜中間接頭的3D 模型,討論了復合缺陷下的模型維數選擇和復合缺陷對接頭內部電場分布的影響。基于分析仿真結果,得出以下結論。

1)對于仿真模型維數的選擇,無論缺陷對稱與否,采用3D 模型求解更能反映真實的電場分布。

2)電纜中間接頭無缺陷時,內部電場均勻分布,電場主要集中在導體和主絕緣的交界處,電場強度為1.45～1.61 MV·m-1。

3)在中間接頭的主絕緣存在單一缺陷時,尖端缺陷的電場強度普遍高于氣隙、割痕等缺陷。

4)中間接頭內部主絕緣存在復合缺陷時,尖端和氣隙缺陷的電場強度隨著嵌入深度的加深而不同,呈現上升趨勢;由于相對介電常數的突變,導電尖端處的電場強度普遍高于其他類型的缺陷,是電場集中的部位,其周圍電場發生了極其嚴重的畸變,電場強度超過規定范圍,不加以處理最終將導致絕緣擊穿。

根據上述分析,并結合實際現場安裝電纜中間接頭時可能出現的情況,提出以下幾點注意事項:避免硅橡膠、XLPE 主絕緣層割傷或因剝離不整齊而存在于導電尖端;避免空氣進入主絕緣內部,切勿在潮濕環境中安裝,以避免絕緣受潮;安裝時,應做好絕緣清潔,避免駁接時有導電顆粒殘留或金屬絲嵌入中間接頭內部;把握好剝切半導電層的進刀深度,避免導體產生毛刺。