接地不良缺陷對高壓XLPE電纜終端的影響

葉冠豪， 呂立翔, 洪 露

( 國網南京供電公司, 江蘇 南京 210019)

0 引言

伴隨我國經濟社會的不斷發展及城市美化的客觀需要，高壓電力電纜在城市電網中得到了日益廣泛的應用。以南京為例，2013—2016年，35 kV及以上電壓等級電纜線路總長度平均年增速為9.2%，總里程已經突破了1300 km。其中，高壓交聯聚乙烯(XLPE)電纜以其電氣性能優越、耐熱性和機械性能好、最高允許連續運行工作溫度高、載流負荷能力強、敷設安裝方便等技術特點，已在國內的城市電網和大型水電站、變電站出線等領域得到廣泛應用，成為目前使用比例最高的高壓電力電纜[1-5]。與此同時，已投入運行電纜線路的統計資料顯示，國內電纜運行可靠性與歐美日等發達國家的運行可靠性相比仍有較大差距。2009—2011年，國家電網公司運營范圍內高壓XLPE電纜故障統計結果顯示，終端故障占比約為20%。其中，接地不良導致的故障在終端故障中約占35%。接地不良缺陷給高壓電力電纜的安全運行埋下了安全隱患，嚴重時將導致線路停運，造成巨大的經濟損失[6-10]。

電力電纜工作者在高壓XLPE電纜終端故障上作了大量的研究工作。然而，以往在故障原因的研究中大多只給出定性的研究結論，較少進行定量的仿真計算。在接地不良后果分析中，絕大部分也僅進行了電學分析，而對于溫度場以及相應化學產物的研究相當匱乏[11-17]。

因此，為了全面、定量地研究接地不良對高壓XLPE電纜終端的影響，文中在ANSYS有限元分析軟件中建立了高壓XLPE電纜終端的仿真模型，并模擬了接地不良缺陷，通過有限元軟件定量仿真計算接地不良帶來的影響。與此同時，在實驗室中構建了接地不良工況下的實物模擬實驗，通過紅外成像儀進行了溫度場檢測，并通過傅氏轉換紅外線光譜分析儀(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、掃描式電子顯微鏡X光微區分析 (scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer, SEM-EDS)等先進的材料學測試方法，分析了阻水帶中產物成分，較為全面地研究了高壓XLPE電纜終端接地不良帶來的影響。

1 仿真軟件與實驗模型

1.1 仿真軟件

文中采用了ANSYS有限元分析軟件進行仿真計算。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件。該軟件功能強大，操作簡單方便，可以方便地進行電學、熱學，以及材料學的建模仿真計算，已成為有限元分析的標準軟件。文中通過在ANSYS軟件中建立高壓XLPE電纜終端模型，并設置接地不良故障，實現對故障終端的電參數與溫度場的分析計算。

1.2 實驗模型

在實驗室環境下，文中通過搭建電纜實物模型，進行了模擬實驗分析。通過紅外成像儀與鉗形電流表、電壓表進行測量，并與ANSYS軟件中的仿真分析結果進行對比。為充分反映電纜終端接地不良故障，實物仿真中，未將終端尾管接地。

2 電纜終端接地不良的電學分析

2.1 電纜終端電參數理論計算

針對電纜終端接地不良故障，首先對電纜終端建立參數分析模型與電壓等值計算模型。考慮到緩沖層容抗值遠小于電纜主絕緣的容抗值，在建立等值計算模型時將緩沖層忽略，建立的模型分別如圖1、圖2所示。

圖1 高壓XLPE電纜終端參數分析模型Fig.1 Parameter analysis model of high voltage XLPE cable terminal

圖2 高壓XLPE電纜終端電壓等值計算模型Fig.2 Voltage equivalent calculation model of high voltage XLPE cable terminal

首先通過等值計算模型進行初步計算。查閱普通物理學教材，得到XLPE介電常數為2.5，護套材料PE的介電常數為2.3[18]。使用游標卡尺測量，實驗電纜各部件的尺寸如表1所示。

表1 實驗電纜各部件尺寸Tab.1 Dimensions of experimental cable mm

空氣相對介電常數ε空=1，真空絕對介電常數ε0=8.85×10-12F/m，應力錐半導電體積電阻率取ρ1=0.5 Ω·m。電阻計算公式為：

R=ρL/S

(1)

式中：ρ為材料電阻率;L為材料長度;S為材料截面積。

圓柱形電容計算公式為：

C=2πε0ε/ln(Db/Da)

(2)

式中：Db為外層圓柱直徑;Da為內層圓柱直徑。

容抗計算公式為：

X=1/2πfC

(3)

結合各溫度下高壓XLPE電纜絕緣屏蔽的體積電阻率，如表2所示，計算得出實驗電纜各電學參數值：R1為41.5 Ω；R2為21.1 Ω；Xi為6×104Ω；Xs為1.5×103Ω；X雜為1×108Ω。

表2 高壓XLPE電纜絕緣屏蔽體積電阻率Tab.2 Volume resistivity of insulation shield of high voltage XLPE cable

接地銅編織線與電纜鋁護套及終端尾管連接正常情況下，R地=0 Ω，Ua=0 V。一旦接地銅編織線存在虛焊或環氧泥混合不均勻致未完全固化時，會導致電纜終端進潮，造成銅編織線與鋁護套和尾管處的焊接點發生氧化腐蝕，導致R地逐漸增加，致使Ua值上升，加速銅編織線焊接點的腐蝕。隨著R地不斷增加，Ua值受到R1與R2的鉗制，逐漸趨向穩定。在將接地線完全去除后，實際測量Ua為89.6 V，根據歐姆定律，計算可得流經R1與R2的電流值約為1.12 A，遠高于正常運行時通過R1與R2的電流值。使用鉗形電流表測量，證實流經絕緣屏蔽的電流值約為1.1 A。

2.2 電纜終端電參數有限元軟件分析

電纜導體上施加電壓，在導體周圍將產生電場。由于工頻電壓下電場隨時間變化緩慢，計算時可按電準靜態場來處理。電準靜態場的基本方程組為：

×E=0

(4)

(5)

·D=ρ

(6)

·B=0

(7)

式(6)中ρ為體電荷密度。將式(6)代入電流連續性方程：

(8)

得到：

·J+·J+jω·D

(9)

對于各向同性介質有特性關系式：

J=γE

(10)

D=εE

(11)

式中:γ和ε分別為介質電導率和介電常數。引入標量位函數：

φ=-E

(12)

則從(9)即可推出下列方程：

·[(γ+jωε)φ]=0

(13)

使用ANSYS軟件建立電纜終端模型進行電參數仿真計算，結果如圖3所示。接地銅編織線完全腐蝕脫離后，電纜鋁護套電壓約為79 V，與理論計算結果較接近。

圖3 終端接地不良時電壓分布Fig.3 Voltage distribution under terminal imperfect grounding

對終端接地不良時的絕緣屏蔽進行電流密度分析，結果如圖4所示。分析結果顯示，接地銅編織線焊接點完全腐蝕脫離后，故障點絕緣外屏電流密度高達4400 A/m2。根據表1尺寸進行計算，得出通過絕緣屏蔽的電流約為0.988 A，與理論計算的結果相近。說明電纜終端接地不良時，絕緣屏蔽承載了懸浮電壓，導致流經絕緣屏蔽的電流相應增加。

圖4 終端接地不良時電流分布Fig.4 Current distribution under terminal imperfect grounding

3 電纜終端接地不良的溫度場分析

實驗電纜各材料的導熱參數值如表3所示。當終端接地不良時，絕緣屏蔽會因為流經的電流而發熱。為全面地反映問題，環境溫度選取南京地區夏季均溫29 ℃與冬季平均氣溫3 ℃兩種進行建模分析。夏季時，接地不良情況下絕緣屏蔽處溫度分布如圖5所示。電容電流從絕緣屏蔽流過，導致發熱。其中，溫度最高的位置在應力錐下端口7 cm處，約為106 ℃，溫度從外向內遞減，溫度最高點附近主絕緣溫度在97 ℃以上。

表3 實驗電纜各材料導熱系數值Tab.3 Thermal conductivity of experimental cable materials W·(m·k)-1

圖5 夏季終端接地不良時溫度分布Fig.5 Temperature distribution under terminal imperfect grounding in summer

應用熱-結構分析方法，構造由電纜結構(線芯、絕緣、屏蔽層，緩沖層、鋁護套、外護套)與復合套管終端末端結構(尾管、環氧泥、防水帶、熱縮管)、空氣組成的模型，如圖6所示。

圖6 電纜終端熱結構模型Fig.6 Cable terminal thermal structure model

使用有限元軟件對29 ℃時，環氧泥、電纜外護套、尾管、熱縮管等部件位移進行形變分析，如圖7所示。仿真表明位移量最大約為0.7 mm。

圖7 夏季電纜終端各部位形變Fig.7 Deformation of each part in cable terminal in summer

同樣方法，冬季時，故障點絕緣外屏處溫度如圖8所示。ANSYS軟件仿真表明，在冬季，低負荷運行時，故障點絕緣外屏溫度約為69 ℃，溫度從外向內遞減，溫度最高點附近主絕緣溫度在62 ℃以上。對電纜終端形變量進行分析，仿真結果顯示最大位移量為0.6 mm。

圖8 冬季終端接地不良時溫度分布Fig.8 Temperature distribution under terminal imperfect grounding in winter

可以推論，系統運行時，故障點溫度將在69～106 ℃范圍內浮動，附近主絕緣溫度也達到了62～97 ℃的變化范圍。考慮到我國炎夏大部地區最高氣溫將達到39 ℃以上，最高溫度也將相應升高。交聯聚乙烯的長時間運行溫度應低于90 ℃[19-20]。若主絕緣溫度較長時間超過規定值，將很可能導致絕緣劣化，進而引起絕緣失效。并可能產生熱膨脹，形成氣隙，引起發熱和灼燒，最終導致擊穿故障。

為了進一步確認仿真結果，在實驗室環境下進行了模擬實驗分析。在環境溫度為29 ℃時，將終端接地去除，待溫度穩定后，使用紅外成像儀進行檢測，圖9為得到的紅外圖譜，測得最高溫為103.8 ℃，最低溫為39.3 ℃和平均溫度為61.5 ℃。

圖9 終端接地不良時紅外圖譜Fig.9 Infrared spectrum under terminal imperfect grounding

其中，電纜外半導電層最高溫度為103.8 ℃，與仿真實驗結果相近。證實了仿真實驗的有效性，說明電纜終端接地不良將一定程度上導致絕緣屏蔽發熱，影響絕緣性能。

4 電纜終端接地不良的產物分析

對實驗電纜終端中絕緣屏蔽與鋁護套之間的半導電緩沖帶進行FTIR、SEM-EDS測試，結果如圖10、圖11所示。

圖10 樣品原樣紅外譜Fig.10 Original sample infrared spectrum

圖11 樣品灰分紅外譜Fig.11 Sample ash infrared spectrum

圖10中，FTIR測試結果顯示峰值出現在波數為2000處，與羧酸譜圖高度吻合，表明樣品含有羧酸鹽。對分析樣品進行灰化并對其灰分進行FTIR測試，測試結果如圖11所示。與圖10相比，圖譜發生了50 cm-1的紅移，與金屬氧化物圖譜相吻合。根據上述測試結果，推測該白色物質為氧化鋁、氧化鋅混合物。具體形成原因很可能為電位差引起異常熱效應所致。

SEM-EDS測試結果顯示樣品中主要含有C、O、Na、Al等元素，其中C、O、Na元素可能歸屬于羧酸鈉，Al元素可能歸屬于三氧化二鋁。

綜合FTIR、SEM-EDS測試結果，推測樣品中羧酸鹽的含量約25%，三氧化二鋁的含量約為40%。

分析結果表明，接地不良時會產生羧酸鹽以及金屬氧化物等物質。這些物質一定程度上會增強絕緣屏蔽的導電性能，提高通過絕緣屏蔽的電流值，加速電纜絕緣的發熱及老化。

5 結語

高壓XLPE電纜終端接地不良會導致絕緣屏蔽處產生懸浮電壓，產生流經絕緣屏蔽的表面電流；絕緣屏蔽表面電流會導致電纜絕緣溫度上升，引起熱膨脹，產生結構位移，形成氣隙，并可能引起電纜灼燒，最終造成擊穿故障；終端接地不良時會產生羧酸鹽以及金屬氧化物等物質，導致絕緣屏蔽電阻進一步降低，流經絕緣屏蔽電流值進一步加大，加速電纜終端發熱老化。