絕緣交界面氣隙缺陷及其受潮狀態對T型電纜接頭電熱場的影響研究

劉 剛，徐 慶，石聰聰，張圓明，黃華峰

（國網江蘇省電力有限公司宿遷供電公司，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

目前我國大部分城區新建配電線路多采用配電全電纜網絡，已有配電架空線路也在逐步改造過渡為架空電纜混合網[1]。其中，環網柜因具有維護工作量小、安裝方式靈活、尺寸小等優點，在市轄區配電網絡中得到了廣泛的應用[2]。然而環網柜運行時倉蓋封閉，加上其數量大、安裝位置繁多，不便于巡視檢查，給運維檢修工作帶來了很大的難度[3]。

近年來，由于巡檢不及時且無科學有效的在線監測手段，我國電網轄區發生了多起由環網柜T 型電纜終端接頭溫度過熱、后堵蓋脫落、爬電而導致的嚴重劣化燒蝕故障，從而造成相間短路、單相接地等電網故障[4]，嚴重時甚至引發環網柜灼燒、局部區域停電，給電力系統的安全穩定運行造成不利影響。究其原因，大部分是由絕緣交界面氣隙缺陷導致[4-5]。

環網柜空間狹小、不利于散熱，T 型終端接頭施工工藝復雜且質量難以保證，造成了以下問題：①長期運行在強電場、弱對流的環境下，接頭內部熱脹冷縮、表面結垢、氧化或腐蝕，導致絕緣交界面松動接觸不良、出現氣隙，引起發熱、漏電，加劇電纜終端絕緣層的劣化速度[5-6]；②由于生產和安裝的問題，部分環網柜電纜接頭處本身就存在一定缺陷，導致接觸電阻、彎曲應力過大，在長期的熱老化和機械老化作用下，接頭根部松動開裂，產生氣隙，最終導致內外屏蔽層擊穿[7-8]。

研究電纜絕緣及其接頭附件在復雜環境下的電場、溫度場分布特性，可以揭示其故障缺陷的形成機理和發展過程，為電纜接頭故障預防及抑制提供依據，為優化絕緣材料配方、設計安裝結構、開展故障檢測及診斷提供重要的理論支撐。為此，學者們開展了一定的研究[9-15]，文獻[12]利用有限元仿真研究了無應力管、有空氣隙、有金屬微粒附著及鋼針扎入4 種缺陷下的電纜頭電場分布，結果發現電纜終端電場分布受應力管影響較大，金屬微粒會導致明顯的局部電場畸變，針尖缺陷的尖端處會因電場急劇增大而導致絕緣放電。文獻[13]考慮了空間電荷積累及直流配網拓撲結構，仿真分析了10 kV三芯絕緣電纜截面的溫度場和電場分布，發現電纜絕緣層上的電場強度沿半徑方向逐漸降低，電場強度的最大值出現在導體表面，而當電纜絕緣溫差大于10℃時，電場分布發生反轉，電場強度最大值出現在絕緣外表面。文獻[14]考慮了直流電壓、直流疊加沖擊電壓的作用，仿真分析了不同溫度梯度作用下高壓直流電纜接頭的電場分布，得到其最大場強隨著溫度的升高而增大，而高溫、高電場時電纜接頭會出現局部電場畸變。文獻[15]仿真分析了不同導電性硅橡膠下的XLPE 電纜中間接頭電場分布特性，提出利用電導率較大的非線性硅橡膠基復合材料作為中間接頭絕緣材料，可以改善電纜中間接頭的電場分布。

上述研究對掌握高壓電纜運行特性及故障機制有參考意義。但是目前針對T型電纜終端接頭絕緣交界面缺陷特性的研究較少。為獲得T型電纜終端劣化的電場和溫度場特性，進而提出合理有效的監測識別手段，本研究建立環網柜用10 kV T 型電纜終端接頭有限元模型，研究絕緣交界面典型氣隙缺陷下，T型終端接頭的電場、溫度場幅值變化規律及其在電纜室不同位置處的分布特性，并基于此提出可有效反映T型電纜終端接頭劣化的特征量及監測位置。

1 T型電纜終端接頭多物理場仿真模型

1.1 有限元計算原理

研究T 型電纜終端接頭的電場與溫度場分布時，運行工況為50 Hz 工頻電壓，實際運行中，傳導電流密度為位移電流密度的107倍，因此位移電流可以忽略不計。對于T 型電纜終端接頭，沿電纜終端接頭劣化界面的電場和電位分布受位移電流的影響較大。因此，對于電場的計算，本研究選取準靜電場計算模型。

由靜電場原理，T 型電纜終端接頭整體電位分布滿足泊松方程，如式（1）所示。當電場中無自由移動的空間電荷時，ρ（靜電場中任意一點的電荷密度）為0，拉普拉斯方程成立，如式（2）所示。

式（1）～（2）中：ε為介質的介電常數；φ為電位；?2為拉普拉斯算子。

求解T 型電纜終端接頭的整體電場分布時，靜電場變分公式和計算域單元頂點的電位（Fe(φe)）表達式分別為式（3）和式（4）所示。

式（3）～（4）中：e表示有限元計算單元；J表示計算場域；V表示計算曲面包圍的空間體積。

Fe(φe)對φe導數為0，則可以得到式（5）。進一步表示為矩陣的形式，如式（6）所示。

式（6）中，[K]為剛度矩陣，通過求解器的迭代計算，最終可以求得T型電纜終端接頭的整體電場分布。

為研究T 型電纜終端接頭的電熱耦合問題，根據麥克斯韋方程，引入矢量磁位A?，對于有激勵源存在的電流區的磁矢量位控制方程為式（7），對于無激勵源的非電流區的磁矢量位控制方程為式（8）。

式（7）～（8）中：ω為角頻率；μ為磁導率；σ為電導率；J?s為外加電流密度。

T 型電纜終端接頭磁場問題，可歸納為式（7）和

式（8）的求解問題，本研究中，給出4 類求解的邊界條件，其中，第一類邊界條件，其磁力線垂直于邊界面，表達式可寫為式（9），其中n為單位法向矢量；第二類邊界條件，其磁力線平行于邊界面，表達式可寫為式（10）；第三類邊界條件，具有面電流密度δ?s，如式（11）所示，則表達式可寫為式（12）。最后一類邊界條件，給定矢量磁位具體數量值，如式（13）所示，當此邊界離電流源較遠時，則邊界條件可以近似簡化為式（14）。

式（9）～（14）中：Γ1、Γ2、Γ3、Γ4分別代表4類邊界條件；H?為磁場強度。

對于T 型電纜終端接頭的溫度場計算，T 型電纜終端接頭屬于固體介質，其溫度場滿足的導熱微分方程在直角坐標系中可寫為式（15）。

式（15）中：ρ'表示微元體密度；c是比熱容；T為溫度；t是時間；qv為體積產熱率；λ為導熱系數。

本研究的T型電纜終端接頭的溫度場屬于穩態溫度場，而穩態導熱微分方程可以簡化為式（16）。

根據傳熱學理論，通常傳熱條件有以下3種：①已知邊界的溫度分布情況，一般采用恒溫邊界條件，表示為式（17），T0為初始已知邊界條件溫度；②已知流體溫度及對流傳熱情況的邊界條件，控制方程為式（18），Tf為流體溫度，h為對流換熱系數；③已知周圍環境，且產熱和散熱達到平衡的情況下，其控制方程可以寫為式（19），其中Th為環境溫度。

本文研究的是T型電纜終端接頭在空氣中的電場及熱場分布，屬于以式（19）為控制方程的邊界條件，此外，根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律，T型電纜終端接頭表面的散熱邊界條件可以表示為式（20）。

式（20）中，σ0、ε1分別為斯蒂芬-玻爾茲曼常數及表面發射率。

此外，電纜接頭的電磁場計算和溫度場計算是一個雙向耦合過程。

1.2 多物理場仿真模型

仿真計算中，以實際10 kV T 型電纜終端接頭為研究對象，設計參數為6/10 kV，其結構剖面圖如圖1 所示，本研究綜合考慮了以下工況：T 型電纜終端接頭尾塞、套管與T型接頭的絕緣交界面有氣隙，以及氣隙嚴重程度對其電場和溫度場的影響。

圖1 T型電纜終端接頭剖面圖Fig.1 Section of T-type cable joint

參考文獻[12,16-17]的數據，本研究有限元計算的材料物性參數設置如表1所示。

表1 有限元計算的材料物性參數Tab.1 Material physical parameters for finite element calculation

1.3 氣隙缺陷模擬方法

通過幾何建模的方式，在交界面建立截面為1 mm×30 mm 和2 mm×50 mm 的空氣氣隙分別模擬輕度氣隙和中度氣隙，以輕度氣隙為例，模擬結果如圖2(a)所示。本研究計算過程中，施加電壓為10/kV，根據有限元原理的計算方法，先對T 型電纜終端接頭的電場和溫度場進行計算。其中，本研究設置空氣計算域為環境溫度，電纜頭與空氣接觸面為對流傳熱邊界。計算完成后，選取交界面、箱體上表面、法蘭底座、上護套外部4 處典型位置，分析T 型電纜終端接頭的電場與溫度場分布特性，如圖2(b)所示。

圖2 T型電纜終端接頭電場與溫度場仿真設置Fig.2 Simulation setting of electric field and temperature field of T-type cable joint

2 仿真結果及分析

2.1 電場分布特性仿真結果及分析

2.1.1 無缺陷整體電場分布

無缺陷T型電纜終端接頭整體的電場分布如圖3 所示。從圖3 可以看出，T 型電纜終端接頭在接地眼處電場強度偏大，交界面電場強度次之，但無缺陷的情況下，交界面電場強度沒有明顯的異常增大情況。

圖3 無缺陷整體電場分布Fig.3 Electric field distribution without defect

根據不同路徑的電場分布結果，交界面電場、箱體上表面電場、法蘭底面電場和上護套外部電場計算結果如圖4 所示。從圖4 可以看出，交界面電場范圍為43.07～162.23 kV/m，箱體上表面電場范圍為3.03～30.37 kV/m，法蘭底面電場范圍為7.00～61.10 kV/m，上護套外部電場范圍為57.96～218.65 kV/m。其中，交界面電場和上護套外部電場最大值較大，上護套外部電場最大值可達218.65 kV/m，由此可得，交界面和上護套外部對絕緣要求更高。

圖4 無缺陷下不同位置的電場分布仿真結果Fig.4 Simulation results of electric field distribution at different positions without defects

2.1.2 輕度氣隙缺陷整體電場分布

T 型電纜終端接頭在輕度氣隙缺陷下的整體電場分布如圖5 所示。從圖5 可以看出，整體電場分布情況與無缺陷情況相似。

圖5 輕度氣隙缺陷下整體電場分布Fig.5 Electric field distribution with slight air gap defect

根據不同路徑的電場分布結果，在輕度氣隙缺陷下交界面電場、箱體上表面電場、法蘭底面電場和上護套外部電場計算結果如圖6 所示。從圖6 可以看出，交界面電場范圍為41.21～197.77 kV/m，箱體上表面電場范圍為3.03～30.72 kV/m，法蘭底面電場范圍為7.00～61.10 kV/m，上護套外部電場范圍為56.56～221.09 kV/m。其中，交界面電場和上護套外部電場最大值仍然較大，上護套外部電場最大值可達221.09 kV/m。此外，電場沿仿真路徑均不是均勻分布，與無缺陷情況下較為相似。

圖6 輕度氣隙缺陷不同路徑電場分布結果Fig.6 Simulation results of electric field distribution at different positions with slight air gap defect

T 型電纜終端接頭在輕度氣隙缺陷與無缺陷情況下電場分布的主要區別為：交界面電場最大值從162.23 kV/m 增大至197.77 kV/m，增加了21.91%；上護套外部電場最大值從218.65 kV/m 增大至221.09 kV/m。而箱體上表面電場和法蘭底面電場變化較小。

2.1.3 中度氣隙缺陷整體電場分布

T 型電纜終端接頭在中度氣隙缺陷下的整體電場分布如圖7 所示。從圖7 可以看出，電場分布亦與無缺陷電場分布相似，T 型電纜終端接頭在接地點處電場強度仍偏大，交界面電場強度次之。

圖7 中度氣隙缺陷下整體電場分布Fig.7 Electric field distribution with moderate air gap defect

根據不同路徑的電場分布結果，在中度氣隙缺陷下交界面電場、箱體上表面電場、法蘭底面電場和上護套外部電場計算結果如圖8 所示。從圖8 可以看出，交界面電場范圍為39.72～235.32 kV/m，箱體上表面電場范圍為3.03～30.73 kV/m，法蘭底面電場值范圍為7.00～61.10 kV/m，上護套外部電場范圍為55.42～220.10 kV/m。其中，交界面電場和上護套外部電場最大值仍然較大，交界面電場最大值可達235.32 kV/m。此外，電場沿幾個仿真路徑均不是均勻分布，與無缺陷和輕度缺陷情況下較為相似。

圖8 中度氣隙缺陷下不同路徑電場分布結果Fig.8 Simulation results of electric field distribution at different positions with moderate air gap defect

T 型電纜終端接頭在中度氣隙缺陷與無缺陷情況下電場分布的主要區別為：交界面電場最大值從162.23 kV/m 增大至235.32 kV/m，增加了45.05%；上護套外部電場最大值從218.65 kV/m 增大至220.10 kV/m。但箱體上表面電場和法蘭底面電場變化仍然較小。

2.2 溫度場分布特性仿真結果及分析

2.2.1 無缺陷整體溫度場分布

無缺陷T型電纜終端接頭整體的溫度場分布如圖9所示。從圖9可以看出，T型電纜終端接頭在接地眼處溫度高，電纜頭本體溫度次之，環網柜箱體溫度最低。無缺陷的情況下，交界面溫度場強度沒有明顯的異常增大情況。

圖9 無缺陷整體溫度場分布Fig.9 Temperature field distribution without defect

交界面溫度場、箱體上表面溫度場、法蘭底面溫度場和上護套外部溫度場計算結果如圖10所示。從圖10 可以看出，交界面溫度范圍為30.75～31.12℃、箱體上表面溫度范圍為25.17～29.60℃，法蘭底面溫度范圍為29.59～30.95℃，上護套外部溫度范圍為30.61～31.20℃。其中，交界面溫度場和上護套外部溫度場最大值較大，上護套外部溫度場最大值達31.20℃。此外，溫度場沿監測路徑均不是均勻分布，交界面溫度場沿法蘭底座方向監測路徑溫度降低，箱體上表面溫度沿法蘭底座方向監測路徑溫度升高，法蘭底面溫度沿監測路徑先升高后降低，上護套外部溫度場沿法蘭底座方向監測路徑溫度降低。

圖10 無缺陷不同路徑溫度場分布結果Fig.10 Simulation results of temperature field distribution at different positions without defects

2.2.2 輕度氣隙缺陷整體溫度場分布

T 型電纜終端接頭在輕度氣隙缺陷下的整體溫度場分布如圖11所示。從圖11可以看出，輕度氣隙缺陷下溫度場分布與無缺陷情況下溫度場分布相似，T型電纜終端接頭在接地眼處溫度最高，電纜頭本體溫度次之，環網柜箱體溫度最低。

圖11 輕度氣隙缺陷下整體溫度場分布Fig.11 Temperature field distribution with slight air gap defect

根據不同路徑的溫度場分布結果，在輕度氣隙缺陷下交界面溫度場、箱體上表面溫度場、法蘭底面溫度場和上護套外部溫度場計算結果如圖12 所示。從圖12 可以看出，交界面溫度范圍為31.16～31.53℃，箱體上表面溫度范圍為25.23～30.01℃，法蘭底面溫度值范圍為29.95～31.16℃，上護套外部溫度值范圍為31.01～31.60℃。溫度場沿監測路徑均不是均勻分布，與無缺陷情況下較為相似。

圖12 輕度氣隙缺陷不同路徑溫度場分布結果Fig.12 Simulation results of temperature field distribution at different positions with slight air gap defect

T 型電纜終端接頭在輕度氣隙缺陷下與無缺陷情況下電場分布的主要區別為：4 個分布路徑上，最高溫度值均有所上升，但幅度較小，溫度最大增加值僅為0.41℃。

2.2.3 中度氣隙缺陷整體溫度場分布

T 型電纜終端接頭在中度氣隙缺陷下的整體溫度場分布如圖13 所示。從圖13 可以看出，中度氣隙缺陷下溫度場分布亦與無缺陷情況下溫度場分布相似，T 電纜終端接頭在接地眼處溫度場強度仍偏大，交界面溫度場強度次之。

圖13 中度氣隙缺陷下整體溫度場分布Fig.13 Temperature field distribution with moderate air gap defect

根據不同路徑的溫度場分布結果，在中度氣隙缺陷下交界面溫度場、箱體上表面溫度場、法蘭底面溫度場和上護套外部溫度場計算結果如圖14 所示。從圖14 可以看出，交界面溫度范圍為31.83～32.20℃，箱體上表面溫度范圍為25.69～30.61℃，法蘭底面溫度范圍為30.54～32.03℃，上護套外部溫度范圍為31.67～32.25℃。溫度場沿不同路徑分布與輕度氣隙缺陷和無缺陷情況下較為相似。

圖14 中度氣隙缺陷下不同路徑溫度場分布結果Fig.14 Simulation results of temperature field distribution at different positions with moderate air gap defect

T 型電纜終端接頭在中度氣隙缺陷下與無缺陷下溫度場分布的主要區別為：4 個路徑上，最大溫度值亦均有所升高，但幅度也較小，溫度最大增加值為1.10℃。此外，統計上述數據得到溫度的變化幅度在0.68%～3.49%。

3 氣隙受潮狀態下的電場和溫度場分布

3.1 氣隙受潮狀態下的電場分布

上述研究表明氣隙狀態下的絕緣交界面處最大電場強度不到3 000 kV/m，遠達不到空氣擊穿強度，這一方面是由于10 kV 環網柜T 型接頭施加的電壓較低、電場強度不夠，另一方面是氣隙缺陷未嚴重到使內部發生局部放電。結合文獻調研及現場分析，考慮到長期氣隙受潮的影響，分析氣隙、水膜、水珠并存時T 型電纜接頭的多物理場分布特性[18-19]。

模擬氣隙受潮下的多物理場分布，針對輕度氣隙受潮，設置了23.5 mm 的水膜和4 個接觸角為90°的水滴，水滴為半圓形，直徑為3.5～4.5 mm，如圖15 所示。其中，水的相對介電常數設置為81，導熱系數取常溫下的值（0.599 W/(m·K)），電導率設置為

圖15 T型電纜終端接頭氣隙受潮模擬Fig.15 Simulation of T-type cable joint with air gap wetting

10 μS/cm。

氣隙受潮情況下，不同典型路徑下的電場分布仿真結果如圖16 所示。從圖16 可以看出，氣隙受潮情況下，在水滴邊緣出現電場強度最大值，超過了3 000 kV/m，達到了空氣的臨界擊穿強度，會造成局部放電、沿面爬電，從而引發電纜頭的劣化燒蝕故障。

從圖16 還可以看到，交界面電場范圍為45.31～3 431.98 kV/m，箱體上表面電場范圍為5.81～38.12 kV/m，法蘭底面電場范圍為14.21～77.32 kV/m，上護套外部電場范圍為99.39～261.75 kV/m。其中，交界面電場最大值較大，達到了3 431.98 kV/m。此外，電場沿監測路徑分布與氣隙缺陷情況下較為相似。

圖16 氣隙受潮缺陷下不同路徑電場分布結果Fig.16 Simulation results of electric field distribution at different positions with air gap wetting defect

在氣隙受潮、達到臨界擊穿的情況下，箱體、法蘭、上護套處的最大電場強度增幅明顯，其中箱體上表面最大電場增大約26%、法蘭底座最大電場增大約27%、上護套外部最大電場增大約20%。由此可見，法蘭底座、箱體上表面的電場幅值變化能夠表征氣隙受潮缺陷的臨界情況，且變化幅度較大。

3.2 氣隙受潮狀態下的溫度場分布

T 型電纜終端接頭在氣隙受潮缺陷下的溫度場分布如圖17 所示。從圖17 可以看出，氣隙受潮缺陷下交界面溫度范圍為46.58～47.45℃，箱體上表面溫度范圍為33.12～43.74℃，法蘭底面溫度范圍為43.21～47.06℃，上護套外部溫度范圍為46.28～47.52℃。溫度場沿幾個典型路徑分布和無缺陷情況下較為相似。

圖17 氣隙受潮缺陷下不同路徑溫度場分布結果Fig.17 Simulation results of temperature field distribution at different positions with air gap wetting defect

從圖17 還可以看到，在氣隙受潮、達到臨界擊穿的情況下，箱體、法蘭、上護套處的最高溫度有明顯升高的趨勢，其中箱體上表面最高溫度值升高了約14.1℃、法蘭座最高溫度值升高了約16.1℃、上護套外部最高溫度值升高了約16.3℃。綜上，T 型電纜終端接頭在氣隙受潮缺陷下與無缺陷情況下溫度分布的主要區別為：4 個典型路徑上，最高溫度值均有約15℃的溫升。

4 結論

（1）絕緣交界面處電場分布受氣隙缺陷的影響最為顯著，隨著缺陷加劇，電場最大值呈顯著增大趨勢，輕度缺陷和中度缺陷較無缺陷時分別增大了21.91%和45.05%

（2）隨著氣隙增大，4 處典型位置處的最高溫度值也呈上升趨勢，但是相較于電場分布，溫度值的變化幅度較小，升高幅度為0.68%～3.49%。

（3）在氣隙受潮的情況下，氣隙缺陷處會達到臨界擊穿，此時箱體上表面最大電場值增大約26%，法蘭座最大電場值增大約27%，上護套外部最大電場值增大約20%。

（4）在氣隙受潮、達到臨界擊穿的情況下，箱體、法蘭、上護套處的最高溫度明顯升高，其中箱體上表面最高溫度升高約14.1℃，法蘭座最高溫度升高約16.1℃，上護套外部最高溫度升高增大約16.3℃。

（5）考慮到傳感器的安裝和實施，在實際工程中，可通過監測法蘭底座、箱體上表面的電場幅值增量（約20%）以及溫升（約15℃），來反映T 型電纜終端接頭即將出現局部擊穿放電的潛在臨界隱患。