接地不良缺陷對(duì)高壓XLPE電纜終端的影響

葉冠豪， 呂立翔, 洪 露

( 國(guó)網(wǎng)南京供電公司, 江蘇 南京 210019)

0 引言

伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展及城市美化的客觀需要，高壓電力電纜在城市電網(wǎng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。以南京為例，2013—2016年，35 kV及以上電壓等級(jí)電纜線路總長(zhǎng)度平均年增速為9.2%，總里程已經(jīng)突破了1300 km。其中，高壓交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜以其電氣性能優(yōu)越、耐熱性和機(jī)械性能好、最高允許連續(xù)運(yùn)行工作溫度高、載流負(fù)荷能力強(qiáng)、敷設(shè)安裝方便等技術(shù)特點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)的城市電網(wǎng)和大型水電站、變電站出線等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為目前使用比例最高的高壓電力電纜[1-5]。與此同時(shí)，已投入運(yùn)行電纜線路的統(tǒng)計(jì)資料顯示，國(guó)內(nèi)電纜運(yùn)行可靠性與歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的運(yùn)行可靠性相比仍有較大差距。2009—2011年，國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)營(yíng)范圍內(nèi)高壓XLPE電纜故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，終端故障占比約為20%。其中，接地不良導(dǎo)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(yùn)行埋下了安全隱患，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致線路停運(yùn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(jié)論，較少進(jìn)行定量的仿真計(jì)算。在接地不良后果分析中，絕大部分也僅進(jìn)行了電學(xué)分析，而對(duì)于溫度場(chǎng)以及相應(yīng)化學(xué)產(chǎn)物的研究相當(dāng)匱乏[11-17]。

因此，為了全面、定量地研究接地不良對(duì)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(guò)有限元軟件定量仿真計(jì)算接地不良帶來(lái)的影響。與此同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建了接地不良工況下的實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)紅外成像儀進(jìn)行了溫度場(chǎng)檢測(cè)，并通過(guò)傅氏轉(zhuǎn)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(qū)分析 (scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer, SEM-EDS)等先進(jìn)的材料學(xué)測(cè)試方法，分析了阻水帶中產(chǎn)物成分，較為全面地研究了高壓XLPE電纜終端接地不良帶來(lái)的影響。

1 仿真軟件與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 仿真軟件

文中采用了ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件。該軟件功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單方便，可以方便地進(jìn)行電學(xué)、熱學(xué)，以及材料學(xué)的建模仿真計(jì)算，已成為有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件。文中通過(guò)在ANSYS軟件中建立高壓XLPE電纜終端模型，并設(shè)置接地不良故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障終端的電參數(shù)與溫度場(chǎng)的分析計(jì)算。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，文中通過(guò)搭建電纜實(shí)物模型，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)分析。通過(guò)紅外成像儀與鉗形電流表、電壓表進(jìn)行測(cè)量，并與ANSYS軟件中的仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。為充分反映電纜終端接地不良故障，實(shí)物仿真中，未將終端尾管接地。

2 電纜終端接地不良的電學(xué)分析

2.1 電纜終端電參數(shù)理論計(jì)算

針對(duì)電纜終端接地不良故障，首先對(duì)電纜終端建立參數(shù)分析模型與電壓等值計(jì)算模型?？紤]到緩沖層容抗值遠(yuǎn)小于電纜主絕緣的容抗值，在建立等值計(jì)算模型時(shí)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(shù)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(jì)算模型Fig.2 Voltage equivalent calculation model of high voltage XLPE cable terminal

首先通過(guò)等值計(jì)算模型進(jìn)行初步計(jì)算。查閱普通物理學(xué)教材，得到XLPE介電常數(shù)為2.5，護(hù)套材料PE的介電常數(shù)為2.3[18]。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量，實(shí)驗(yàn)電纜各部件的尺寸如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)電纜各部件尺寸Tab.1 Dimensions of experimental cable mm

空氣相對(duì)介電常數(shù)ε空=1，真空絕對(duì)介電常數(shù)ε0=8.85×10-12F/m，應(yīng)力錐半導(dǎo)電體積電阻率取ρ1=0.5 Ω·m。電阻計(jì)算公式為：

R=ρL/S

(1)

式中：ρ為材料電阻率;L為材料長(zhǎng)度;S為材料截面積。

圓柱形電容計(jì)算公式為：

C=2πε0ε/ln(Db/Da)

(2)

式中：Db為外層圓柱直徑;Da為內(nèi)層圓柱直徑。

容抗計(jì)算公式為：

X=1/2πfC

(3)

結(jié)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(jì)算得出實(shí)驗(yàn)電纜各電學(xué)參數(shù)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(hù)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(huán)氧泥混合不均勻致未完全固化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電纜終端進(jìn)潮，造成銅編織線與鋁護(hù)套和尾管處的焊接點(diǎn)發(fā)生氧化腐蝕，導(dǎo)致R地逐漸增加，致使Ua值上升，加速銅編織線焊接點(diǎn)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(wěn)定。在將接地線完全去除后，實(shí)際測(cè)量Ua為89.6 V，根據(jù)歐姆定律，計(jì)算可得流經(jīng)R1與R2的電流值約為1.12 A，遠(yuǎn)高于正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)R1與R2的電流值。使用鉗形電流表測(cè)量，證實(shí)流經(jīng)絕緣屏蔽的電流值約為1.1 A。

2.2 電纜終端電參數(shù)有限元軟件分析

電纜導(dǎo)體上施加電壓，在導(dǎo)體周圍將產(chǎn)生電場(chǎng)。由于工頻電壓下電場(chǎng)隨時(shí)間變化緩慢，計(jì)算時(shí)可按電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)來(lái)處理。電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)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(xù)性方程：

(8)

得到：

·J+·J+jω·D

(9)

對(duì)于各向同性介質(zhì)有特性關(guān)系式：

J=γE

(10)

D=εE

(11)

式中:γ和ε分別為介質(zhì)電導(dǎo)率和介電常數(shù)。引入標(biāo)量位函數(shù)：

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(jìn)行電參數(shù)仿真計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。接地銅編織線完全腐蝕脫離后，電纜鋁護(hù)套電壓約為79 V，與理論計(jì)算結(jié)果較接近。

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

對(duì)終端接地不良時(shí)的絕緣屏蔽進(jìn)行電流密度分析，結(jié)果如圖4所示。分析結(jié)果顯示，接地銅編織線焊接點(diǎn)完全腐蝕脫離后，故障點(diǎn)絕緣外屏電流密度高達(dá)4400 A/m2。根據(jù)表1尺寸進(jìn)行計(jì)算，得出通過(guò)絕緣屏蔽的電流約為0.988 A，與理論計(jì)算的結(jié)果相近。說(shuō)明電纜終端接地不良時(shí)，絕緣屏蔽承載了懸浮電壓，導(dǎo)致流經(jīng)絕緣屏蔽的電流相應(yīng)增加。

圖4 終端接地不良時(shí)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(chǎng)分析

實(shí)驗(yàn)電纜各材料的導(dǎo)熱參數(shù)值如表3所示。當(dāng)終端接地不良時(shí)，絕緣屏蔽會(huì)因?yàn)榱鹘?jīng)的電流而發(fā)熱。為全面地反映問(wèn)題，環(huán)境溫度選取南京地區(qū)夏季均溫29 ℃與冬季平均氣溫3 ℃兩種進(jìn)行建模分析。夏季時(shí)，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(guò)，導(dǎo)致發(fā)熱。其中，溫度最高的位置在應(yīng)力錐下端口7 cm處，約為106 ℃，溫度從外向內(nèi)遞減，溫度最高點(diǎn)附近主絕緣溫度在97 ℃以上。

表3 實(shí)驗(yàn)電纜各材料導(dǎo)熱系數(shù)值Tab.3 Thermal conductivity of experimental cable materials W·(m·k)-1

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

應(yīng)用熱-結(jié)構(gòu)分析方法，構(gòu)造由電纜結(jié)構(gòu)(線芯、絕緣、屏蔽層，緩沖層、鋁護(hù)套、外護(hù)套)與復(fù)合套管終端末端結(jié)構(gòu)(尾管、環(huán)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(jié)構(gòu)模型Fig.6 Cable terminal thermal structure model

使用有限元軟件對(duì)29 ℃時(shí)，環(huán)氧泥、電纜外護(hù)套、尾管、熱縮管等部件位移進(jìn)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(shí)，故障點(diǎn)絕緣外屏處溫度如圖8所示。ANSYS軟件仿真表明，在冬季，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，故障點(diǎn)絕緣外屏溫度約為69 ℃，溫度從外向內(nèi)遞減，溫度最高點(diǎn)附近主絕緣溫度在62 ℃以上。對(duì)電纜終端形變量進(jìn)行分析，仿真結(jié)果顯示最大位移量為0.6 mm。

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

可以推論，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，故障點(diǎn)溫度將在69～106 ℃范圍內(nèi)浮動(dòng)，附近主絕緣溫度也達(dá)到了62～97 ℃的變化范圍?？紤]到我國(guó)炎夏大部地區(qū)最高氣溫將達(dá)到39 ℃以上，最高溫度也將相應(yīng)升高。交聯(lián)聚乙烯的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行溫度應(yīng)低于90 ℃[19-20]。若主絕緣溫度較長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)規(guī)定值，將很可能導(dǎo)致絕緣劣化，進(jìn)而引起絕緣失效。并可能產(chǎn)生熱膨脹，形成氣隙，引起發(fā)熱和灼燒，最終導(dǎo)致?lián)舸┕收稀?/p>

為了進(jìn)一步確認(rèn)仿真結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)分析。在環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)，將終端接地去除，待溫度穩(wěn)定后，使用紅外成像儀進(jìn)行檢測(cè)，圖9為得到的紅外圖譜，測(cè)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(shí)紅外圖譜Fig.9 Infrared spectrum under terminal imperfect grounding

其中，電纜外半導(dǎo)電層最高溫度為103.8 ℃，與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。證實(shí)了仿真實(shí)驗(yàn)的有效性，說(shuō)明電纜終端接地不良將一定程度上導(dǎo)致絕緣屏蔽發(fā)熱，影響絕緣性能。

4 電纜終端接地不良的產(chǎn)物分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)電纜終端中絕緣屏蔽與鋁護(hù)套之間的半導(dǎo)電緩沖帶進(jìn)行FTIR、SEM-EDS測(cè)試，結(jié)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，F(xiàn)TIR測(cè)試結(jié)果顯示峰值出現(xiàn)在波數(shù)為2000處，與羧酸譜圖高度吻合，表明樣品含有羧酸鹽。對(duì)分析樣品進(jìn)行灰化并對(duì)其灰分進(jìn)行FTIR測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。與圖10相比，圖譜發(fā)生了50 cm-1的紅移，與金屬氧化物圖譜相吻合。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，推測(cè)該白色物質(zhì)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(yīng)所致。

SEM-EDS測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果，推測(cè)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(jié)果表明，接地不良時(shí)會(huì)產(chǎn)生羧酸鹽以及金屬氧化物等物質(zhì)。這些物質(zhì)一定程度上會(huì)增強(qiáng)絕緣屏蔽的導(dǎo)電性能，提高通過(guò)絕緣屏蔽的電流值，加速電纜絕緣的發(fā)熱及老化。

5 結(jié)語(yǔ)

高壓XLPE電纜終端接地不良會(huì)導(dǎo)致絕緣屏蔽處產(chǎn)生懸浮電壓，產(chǎn)生流經(jīng)絕緣屏蔽的表面電流；絕緣屏蔽表面電流會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣溫度上升，引起熱膨脹，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)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(shí)會(huì)產(chǎn)生羧酸鹽以及金屬氧化物等物質(zhì)，導(dǎo)致絕緣屏蔽電阻進(jìn)一步降低，流經(jīng)絕緣屏蔽電流值進(jìn)一步加大，加速電纜終端發(fā)熱老化。