10 kV XPLE電纜中間接頭缺陷電場(chǎng)仿真計(jì)算

劉 琦，白玉鵬，王 超

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

·班組創(chuàng)新·

10 kV XPLE電纜中間接頭缺陷電場(chǎng)仿真計(jì)算

劉 琦，白玉鵬，王 超

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

中間接頭故障是10 kV XPLE電纜運(yùn)行中最常遇到的問(wèn)題，中間接頭制作過(guò)程中存在的缺陷是影響其運(yùn)行壽命的一個(gè)重要因素。基于有限元法，以 AnsoftMaxwell 12為求解工具，對(duì)電纜中間頭制作過(guò)程中存在的影響中間接頭運(yùn)行安全的因素進(jìn)行了定量分析計(jì)算。得到了不同缺陷情況下中間接頭的電場(chǎng)分布情況，所得仿真計(jì)算結(jié)果可以為電纜中間接頭制作工藝水平的提高提供參考依據(jù)。

XPLE電纜；中間接頭；AnsoftMaxwell 12；電場(chǎng)分布

0 引言

中間接頭是電纜的薄弱環(huán)節(jié)，亦是電纜運(yùn)行故障的多發(fā)部位。受運(yùn)輸?shù)葪l件的限制，10 kV XPLE電纜生產(chǎn)的長(zhǎng)度大多在500m以下。因此，當(dāng)線路超過(guò)一定距離時(shí)便需要通過(guò)制作中間接頭進(jìn)行連接。中間接頭的制作工藝復(fù)雜，制作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的復(fù)合界面，如半導(dǎo)電層、主絕緣層、銅屏蔽層、線芯等，復(fù)合界面的連接極易產(chǎn)生應(yīng)力的集中。在制作過(guò)程中也存在損傷主絕緣、混入導(dǎo)電顆粒等情況，這些都會(huì)成為影響電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行的潛在威脅，存在此類缺陷的電纜長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)常出現(xiàn)中間接頭絕緣擊穿從而導(dǎo)致接地跳閘，影響城市配網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1-5］。

圖1電纜中間接頭故障

電纜中間接頭故障如圖1所示。其中，圖1（a）為中間接頭處主絕緣擊穿，圖2（b）為中間接頭應(yīng)力錐處擊穿。造成此類擊穿的直接原因均為局部電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，出現(xiàn)局部放電，放電通道逐漸形成，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，造成絕緣擊穿［6］。通過(guò)對(duì)擊穿位置的分析可以看出，擊穿點(diǎn)位于半導(dǎo)電層與主絕緣層形成的復(fù)合界面處以及剝離半導(dǎo)電層露出主絕緣部位。由于電纜全封閉的運(yùn)行特性，很難得到中間接頭處的電場(chǎng)分布情況，因此通過(guò)仿真計(jì)算得出中間接頭內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布，識(shí)別絕緣的臨界點(diǎn)從而分析出故障原因是一種有效途徑［7-8］。目前對(duì)10 kV XPLE電纜的中間接頭電場(chǎng)仿真分析多為二維模型，計(jì)算的結(jié)果并不直觀，同時(shí)難以分析非對(duì)稱故障下電場(chǎng)分布情況［8-11］。

為深入分析故障原因，基于有限元分析法，通過(guò)仿真計(jì)算得出中間接頭的電場(chǎng)分布，定量計(jì)算缺陷對(duì)于電場(chǎng)分布影響，為10 kV XPLE電纜中間頭制作工藝的改善提供必要的參考依據(jù)。

1 仿真模型

Maxwell是應(yīng)用廣泛的商用低頻電磁場(chǎng)有限元分析軟件之一，其憑借友好的用戶界面、高精度的自適應(yīng)性剖分技術(shù)和強(qiáng)大的后處理器獲得業(yè)界的廣泛認(rèn)可［12-13］。為此，選用AnsoftMaxwell 12對(duì)電纜中間接頭進(jìn)行電場(chǎng)分布的仿真計(jì)算。

1.1 仿真模型建立

為了便于計(jì)算，對(duì)中間接頭的模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，根據(jù)擊穿點(diǎn)的位置，確定仿真計(jì)算的部位。目前使用的10 kV XPLE電纜多為3芯電纜，對(duì)其中的一相進(jìn)行仿真建模分析，其3D模型如圖2所示。

圖2 電纜中間接頭3D模型

在電纜中間接頭的3D模型基礎(chǔ)之上，對(duì)中間頭制作過(guò)程中最容易出現(xiàn)的3種缺陷進(jìn)行建模，通過(guò)仿真計(jì)算得出缺陷對(duì)于電纜中間接頭的電場(chǎng)畸變的影響。3種缺陷分別為：半導(dǎo)帶搭接不良，主絕緣剝切損傷，主絕緣表面附著金屬顆粒。

半導(dǎo)帶搭接不良。半導(dǎo)帶搭接不良是電纜中間接頭制作中存在的比較普遍的一種現(xiàn)象［2］。在模擬該情況時(shí)，模型中給出了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，即應(yīng)力錐處的半導(dǎo)電層與電纜本體的半導(dǎo)電帶完全未搭接，如圖3所示。

圖3 半導(dǎo)帶搭接不良模型

主絕緣剝切損傷。在中間接頭制作過(guò)程中，剝離電纜本體半導(dǎo)電層是必不可少的一個(gè)步驟［2］。但在此過(guò)程中，也極易傷及主絕緣，主絕緣上出現(xiàn)劃痕是剝離過(guò)程中最容易出現(xiàn)的問(wèn)題，這種劃痕極不容易發(fā)現(xiàn)，但為后期的安全運(yùn)行留下了巨大隱患。在仿真模型中劃痕的寬度為0.2mm，深度為0.1mm，如圖4所示。

圖4 主絕緣剝切損傷模型

主絕緣附著金屬顆粒。在剝切銅屏蔽層、半導(dǎo)電層過(guò)程中，都有可能使金屬或半導(dǎo)顆粒附著在主絕緣上。以金屬顆粒為例，建立了主絕緣附著不規(guī)則形狀金屬顆粒的近似模型，如圖5所示。

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)AnsoftMaxwell 12自身所帶的材料庫(kù)以及電纜各組成部分的不同特性，對(duì)模型中的各組件進(jìn)行材料特性的定義，如表1所示。

表1 模型材料求解屬性

完成模型中材料屬性的定義后，即可設(shè)定模型求解的激勵(lì)源及邊界條件，由于模型比較簡(jiǎn)單，這里可以采用軟件自帶的自適應(yīng)剖分進(jìn)行求解。

2 仿真結(jié)果

圖6 半導(dǎo)帶搭接不完備電場(chǎng)分布情況

2.1 半導(dǎo)搭接不完備

半導(dǎo)帶搭接不完備時(shí)的電場(chǎng)分布情況如圖6所示。由仿真結(jié)果可以看出，左側(cè)未搭接部電場(chǎng)強(qiáng)度為Emax=439.4 kV／m，而右側(cè)搭接良好的應(yīng)力錐處，電場(chǎng)強(qiáng)度最高為303.7 kV／m。由此可見(jiàn)，中間接頭半導(dǎo)帶搭接不良將顯著改變應(yīng)力錐處的電場(chǎng)分布，使電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，絕緣擊穿的可能性將增加。

2.2 主絕緣剝切損傷

主絕緣存在劃痕時(shí)的電場(chǎng)分布情況如圖7所示。從仿真計(jì)算結(jié)果可以得出，在剝切造成的劃痕處電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于無(wú)劃痕區(qū)域，劃痕處電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為Emax=783.7 kV／m，而光滑的主絕緣表面電場(chǎng)強(qiáng)度為590.8～687.2 kV／m。在電場(chǎng)強(qiáng)度最高的劃痕處會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，放電通道逐漸累積，最終導(dǎo)致絕緣擊穿，造成線路跳閘故障。

圖7 主絕緣存在劃痕電場(chǎng)分布情況

2.3 主絕緣附著導(dǎo)電顆粒

主絕緣表面附著導(dǎo)電顆粒時(shí)的電場(chǎng)分布情況如圖8所示。仿真計(jì)算結(jié)果表明，金屬顆粒的存在將顯著改變?cè)搮^(qū)域的電場(chǎng)分布。在金屬顆粒的邊緣與絕緣接觸部分，電場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于未附著金屬顆粒的部位，其中，金屬顆粒邊緣的最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax= 1 652.8 kV／m。金屬顆粒使電場(chǎng)畸變非常明顯，最大場(chǎng)強(qiáng)集中在金屬顆粒的邊緣。

圖8 主絕緣附著導(dǎo)電顆粒電場(chǎng)分布

3 結(jié)語(yǔ)

采用AnsoftMaxwell 12對(duì)電纜中間接頭制作過(guò)程中出現(xiàn)的半導(dǎo)帶搭接不良、主絕緣剝切損傷和導(dǎo)電顆粒附著的情況進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過(guò)仿真計(jì)算定量地得到了3種情況對(duì)于中間接頭電場(chǎng)分布情況的影響。在3種情況中，均會(huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)強(qiáng)度增大，在運(yùn)行過(guò)程中將縮短電纜中間接頭的使用壽命，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。其中，表面附著金屬顆粒對(duì)于電場(chǎng)畸變的影響尤為明顯。在電纜中間接頭的制作過(guò)程中，應(yīng)規(guī)范制作流程，提高制作標(biāo)準(zhǔn)，避免出現(xiàn)上述缺陷對(duì)于中間接頭質(zhì)量的影響，才能延長(zhǎng)中間接頭的使用壽命，降低10 kV XPLE電纜的故障率，保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

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The Electric Field Simulation of 10 kV XPLE Cable Intermediate Joint Defect

LIU QI，BAIYupeng，WANG Chao
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

The fault of intermediate joint is themost common problem in the operation of 10 kV XPLE cable.The defect in the manufacturing of the intermediate joint is an important factor which affects the life span of the joint.Based on the finite element method and using Ansoft Maxwell 12 as the solving tool，the factors associated with themanufacturing process thosemay later affect the safety of intermediate joint are analyzed quantitatively.The paterns of electric field distribution within the intermediate joints for different types ofmanufacturing defects are obtained.These simulation results can be used to guide the improvement to themanufacturing techniques of the cable intermediate joint.

XPLE cable；intermediate joint；Maxwell 12；electric field distribution

TM247

A

1007－9904（2017）06－0070－03

2016-12-13

劉 琦（1991），男，工程師，主要從事輸電線路運(yùn)行檢修工作；白玉鵬（1970），男，主要從事輸電線路運(yùn)行檢修工作；王 超（1973），男，主要從事配電網(wǎng)運(yùn)行管理工作。