電纜水終端電場分析

田燕山 ，牟澤剛 ，汪 通 ，王鵬亮 ，李 陽

（1.國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052；2．國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

電力電纜相對于架空線路有其自身的優(yōu)點［1］，因而其在電力系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用［2］。與電纜本體相比，電纜終端的接頭是最薄弱的環(huán)節(jié)，當電纜終端頭切斷以后，在它的半導電層與屏蔽層斷開的地方電場比較集中，突出地表現(xiàn)為沿著電纜軸向具有較大的電場應(yīng)力［3］，因此電纜終端作為關(guān)鍵的連接裝置，其運行的優(yōu)劣直接影響到電纜線路的安全運行［4］。

目前電纜終端的研究主要分為幾種類型：電纜油終端、電纜應(yīng)力錐終端以及電纜應(yīng)力管終端等。其中，電纜油終端適用于電壓等級比較低的電力電纜中；電纜應(yīng)力錐終端適用的電壓等級比較廣泛，但是在高電壓和熱場的作用下很容易引起界面的壓力變化導致松弛現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而降低電氣強度；應(yīng)力管終端在擊穿試驗等方面存在局限性。電纜水終端作為一種特殊的電纜終端，它可以通過改變電纜終端周圍的介質(zhì)的電阻以及介電常數(shù)來進行電場分布的調(diào)節(jié)。水作為絕緣儲能電介質(zhì)，它具有相對介電常數(shù)高和自我修復性好的優(yōu)點，并且價格低廉、合乎環(huán)境安全要求，采用水作為保護電纜終端的介質(zhì)，還可以很好地起到均壓的作用［5］。傳統(tǒng)的電纜終端的電場分布已經(jīng)可以通過改變電纜終端的應(yīng)力錐等措施進行改進［6］。但是這種方法具有一定的局限性，因為當應(yīng)力錐的形狀固定以后將不能再進行更進一步的改進，故分析當電纜水終端的水的電阻率發(fā)生變化時終端電場的分布就顯得方便而有意義。

應(yīng)用有限元法分析電纜水終端周圍的電場分布，觀察終端周圍電場分布與水的電阻率之間的關(guān)系，研究水的電阻率變化對于終端周圍電場分布的影響，對于水終端進行電纜的耐壓試驗具有一定的指導意義。

1 電纜終端電場分布

1.1 剝離護套前后電纜本體電場分布

電纜在沒有剝除屏蔽層之前在絕緣層內(nèi)部的電場分布是比較均勻的，沒有出現(xiàn)局部的電場增強的問題，高壓電纜的線芯外層都有一層屏蔽層，導體的線芯和屏蔽層之間會形成一個徑向的電場。正常電纜的電場分布是由線芯到外屏蔽層沿著半徑方向的電力線，而沒有沿著軸向的電力線，電場分布是均勻的［7］。

剝離護套后的電纜終端電場分布如圖1所示。

圖1 電纜終端電場分布

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，電纜終端的電場分布明顯比電纜本體復雜得多。終端的電場分布不但有垂直于軸向的分量，而且還有沿軸向沿電纜長度方向分布不均勻的分量。一般情況下在線芯、鉛套處比較集中，而且靠鉛套邊緣處的電場強度最大。

1.2 電纜終端等值電路分析

電纜終端可以進一步簡化為如圖2所示的等值電路。圖2中Yv表示單位長度電纜的絕緣層的體積導納，Ys表示單位長度電纜的表面導納。

圖2 電纜終端等值電路

若外施電壓為正弦波形，那么，在終端上任意一點的電壓和電流關(guān)系為

式中：U0為電纜線芯與外屏蔽層之間的電壓；Ix、Ux分別為距離鉛套邊緣（原點）x處的電流和電壓。

解方程式（1）和式（2），并考慮到邊界條件為x=0處 Ux=0，x=L 處 Ux=U0，當 tg δv及 tg δsm很小時，求解式（1）、（2）并化簡有

分析式（4），可得：

最大電場強度發(fā)生在鉛套邊緣處（x=0），其值為

由于函數(shù)cth（x）當 x很大時，其值趨于1，故式（5）中，l增加對x=0處場強E影響不大。也就是說，剝?nèi)ャU套部分長度l的增加，并不能減小最大電場強度的值。l超過一定值的時候，U0一定時，E｜x=0與 γ成正比，這就提供了降低場強的方法。增大Rc、εm、k，減小 Rs、Rm，均可以降低最大電場強度［8］。

2 電纜水終端ANSYS仿真

水終端模型用一根鋁桿外套一層有機玻璃筒模擬電纜，由有機玻璃筒和鋁板組成兩側(cè)的水終端，并在施加高壓的一端加上高壓屏蔽環(huán)，在模擬電纜的兩端分別加上兩個水終端保護，在模擬電纜的中間用一段鋁絲纏繞在有機玻璃筒的外表面，起到一定的屏蔽作用。

由于水終端模型具有軸對稱結(jié)構(gòu)，故只對1／4模型進行建模?？紤]材料熱場和電場相互影響后，在電纜水終端的上法蘭和中間的導體芯處施加100 kV電壓。

2.1 電纜水終端電勢分布

在電纜終端的電纜芯上施加電壓，在下法蘭和外屏蔽層加上零電位，可以觀察到電纜終端周圍的電勢分布如圖3所示。

圖3 施加電壓后電纜水終端電勢分布

由圖3可知，隨著絕緣筒高度升高，電位是不斷提高的，而且通過觀察電力線的密度可以看出隨著高度升高，電場強度不斷降低，最大電場強度出現(xiàn)在下法蘭和絕緣層的接觸處。

2.2 改變電纜水終端中水的電阻率時電場分布

當水的電阻率分別為20 MΩ·cm、10 MΩ·cm及2 MΩ·cm時，通過施加電壓觀察終端的電場分布，如圖4~6所示。

圖4 電阻率為20 MΩ·cm時終端電場分布

圖5 電阻率為10 MΩ·cm時終端電場分布

圖6 電阻率為2 MΩ·cm時終端電場分布

由圖4~6可知，水的電阻率變化后電場強度發(fā)生改變。當水的電阻率為20 MΩ·cm時，施加相同的電壓100 kV，其電場強度的最大值為248 937 V／m；當水的電阻率變?yōu)?0 MΩ·cm時，其電場強度的最大值變?yōu)?49 520 V／m，當水的電阻率變?yōu)? MΩ·cm時，其電場強度的最大值變?yōu)?9 680 V／m。

3 電纜水終端模型的試驗

當提高對電纜終端施加的電壓時，電纜終端的電場就會不斷增強，最終會在電纜終端的外絕緣處發(fā)生滑閃等放電現(xiàn)象［9］。實際應(yīng)用中，按照圖7進行接線，首先在電纜終端的外絕緣筒內(nèi)注入標準的去離子水，經(jīng)過兆歐表測量其電阻值約為500 kΩ，在終端的導體芯和上法蘭施加電壓，當把電壓加到約30 kV時，在電纜水終端的下法蘭的底部（屏蔽層的邊緣）出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象，如圖8所示，繼續(xù)提高施加電壓，可觀察到平行的紫色細光線，且隨著電壓的升高光線的長度將增加，放電現(xiàn)象越來越明顯直到發(fā)生滑閃，如圖9所示。

圖7 電纜水終端試驗接線

圖8 電纜水終端起暈

圖9 電纜水終端滑閃

在去離子水中加入食鹽水降低水的電阻率。隨著加入食鹽水量的增加，其電阻值會逐漸的減小，通過兆歐表測量電阻值變?yōu)榧s200 kΩ時，采用上述加壓方式對水終端進行加壓，觀察到發(fā)生電暈放電時的施加電壓為50 kV；當水的電阻值降為100 kΩ左右時，發(fā)生電暈放電時起始放電電壓約為60 kV。

4 結(jié)語

隨著絕緣筒高度的升高，電位是不斷提高的，而且通過觀察電力線的密度可以看出，隨著高度的升高，電場強度不斷降低，最大電場強度出現(xiàn)在下法蘭和絕緣層的接觸處。

降低水的電阻率可以起到均勻終端周圍的電場分布的作用，從而提高終端放電起始電壓。

［1］宮瑞磊．高壓電纜終端設(shè)計的新進展［J］.絕緣材料，2006，39（3）：53-56，60.

［2］崔江靜，梁芝培，孫廷璽.電力電纜故障測試技術(shù)及應(yīng)用的概述［J］.高電壓技術(shù)，2001，27（S1）：40-41，43.

［3］王超，劉毅剛，劉剛，等.有限元法應(yīng)用于電纜終端應(yīng)力錐缺陷分析［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（5）：152-154.

［4］李新平，劉守功，曹曉瓏，等.高壓電纜終端結(jié)構(gòu)設(shè)計的新進展［J］.電線電纜，2002（3）：11-14.

［5］潘亞峰.水介質(zhì)傳輸線的耐高電壓擊穿技術(shù)的研究［D］.長沙：中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學，2002.

［6］KATAHOIRE AMS，RAGHUVEER MR，KUFFEL E.Determination of Stress Cone Profiles for Termination of High Voltage，XLPE Cables［J］.IEEE Trans.On MAG，1982，10（101）：3 804-3 805.

［7］曲世光.高壓直流電纜電場分布的簡化計算方法［J］.電線電纜，1993（2）：2-7.

［8］劉子玉.電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.西安：西安交通大學出版社，1981.

［9］JAMES J，KULKARNI SV，PREKH BR.Partial discharge in high voltage equipments-HV Cable［C］∥IEEE international conference，July 19-23，2009.