基于ANSYS的電纜接頭典型絕緣缺陷電-熱場仿真研究

江天炎，成守花，畢茂強，陳 曦，劉 翔，張博文

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054)

電力電纜是電力輸變配的主要載體。與架空線相比，電力電纜敷設(shè)在十分復(fù)雜的電纜隧道或電纜溝內(nèi)，不僅滿足電能遠距離傳輸要求，還能使城市更加美觀[1-3]。但是電力電纜也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，這就導(dǎo)致當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，檢修時間會變長。長時間的停電維修會嚴重影響到供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還會造成巨大的經(jīng)濟損失。近年來，接頭爆炸事故時有發(fā)生。對近十年來全國電力電纜運行故障類型和數(shù)量的統(tǒng)計分析表明，電纜中間接頭擊穿故障的比例約占電纜運行故障總數(shù)的31%[4]。電力電纜在制作和長期運行過程中，由于操作技術(shù)的不完善等原因也會產(chǎn)生一些缺陷，這些缺陷會引起電場強度的畸變而引發(fā)局部放電，甚至對電纜運行溫度產(chǎn)生影響，從而影響電纜載流量。不同類型的電纜缺陷所引起的局部放電程度不同，其決定因素是缺陷造成的電場強度畸變程度的大小[5-7]。電力電纜長期運行在高電壓、強電流環(huán)境中，電纜(特別是接頭和終端部分)溫度十分容易上升，可能會引起爆炸事故和火災(zāi)[8]。電力電纜是輸電系統(tǒng)里輸送電能的重要電力設(shè)施，具有保障整個輸電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的作用[9]。電纜接頭是電纜中最薄弱的環(huán)節(jié)，為了預(yù)防電纜接頭缺陷導(dǎo)致局部放電而引發(fā)絕緣故障，對電力電纜接頭進行絕緣缺陷仿真分析具有重要的意義。

為研究高電壓電纜電場分布情況，國內(nèi)外學(xué)者紛紛提出相關(guān)研究方法。在文獻[10-11]中，研究者提出當(dāng)電纜主絕緣中存在水樹、空氣隙和含導(dǎo)電微粒情況下如何計算電場的方法。文獻[12]采用COMSOL Multiphysics多物理場耦合仿真分析軟件對影響320 kV高壓直流電纜接頭電場的多種因素進行了詳細描述。文獻[13]采用COMSOL Multiphysics軟件，仿真分析不同載流量下直流電壓作用時320 kV直流電纜終端中的電場分布情況。文獻[14]采用有限元的思想，利用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行仿真，研究3種(包括直埋敷設(shè)、管道敷設(shè)和隧道敷設(shè))不同鋪設(shè)方式下電纜的電場與溫度場分布。吐松江·卡日等[15]借助有限元軟件ANSYS仿真分析該開關(guān)柜的母線室和電纜室。眾多學(xué)者利用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行了電纜本體缺陷的仿真分析，給出了電場強度的變化，但對電纜溫度和場強的耦合研究較少，且大多數(shù)研究傾向于對電纜本體的場強研究，而未考慮到對溫度的影響。大量資料表明[16-17]，導(dǎo)致高壓電力設(shè)備故障的主要原因是絕緣性能的劣化和失效，因此高壓電力設(shè)備的絕大多數(shù)故障最終可歸結(jié)為絕緣性故障。本研究利用ANSYS仿真軟件對電纜接頭的主絕緣(XLPE)4種典型絕緣缺陷進行電場和溫度場的仿真，利用特征線詳細地給出缺陷對場強畸變情況，并比較不同缺陷引起的溫度場和電場變化情況。

首先介紹電纜和接頭的結(jié)構(gòu)和材料，然后分析電纜中間接頭常見絕緣缺陷類型，接著在ANSYS軟件中建立電纜接頭無缺陷模型和含有缺陷的中間接頭模型并進行電場仿真計算。分析不同缺陷類型對電場的影響規(guī)律，并利用特征線具體描述不同缺陷引起的電場強度變化規(guī)律。最后對接頭的溫度場進行仿真，得出溫度的變化情況。

1 電纜接頭模型

交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜具有PVC絕緣電纜無法比擬的優(yōu)點，因結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、耐熱好、負載能力強、不熔化、耐化學(xué)腐蝕、機械強度高等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用。本次研究的對象為YJV-1*300 mm210 kV交聯(lián)聚乙烯電纜接頭，利用ANSYS仿真軟件進行絕緣缺陷仿真模擬，10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜本體結(jié)構(gòu)見圖1。

目前，高壓直流電纜接頭按結(jié)構(gòu)可分為組合預(yù)制式和整體預(yù)制式。預(yù)制式電纜附件是高壓直流電纜的首選，它是將工廠預(yù)制的絕緣件套裝在接頭處。近年來預(yù)制式電纜接頭由于其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便而得到廣泛應(yīng)用。它利用交聯(lián)聚乙烯主絕緣和橡膠外絕緣相連接來保持絕緣界面的巨大壓力，并要求外層橡膠絕緣具有較大的張力和應(yīng)力松弛能力，避免在安裝過程中受傷導(dǎo)致絕緣故障。在長期運行中，由于其具有相對的彈力而不會松弛，可保證較長的運行壽命。預(yù)制式接頭簡單結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中：1是應(yīng)力錐半導(dǎo)體層部分，2是XLPE主絕緣層，3是為了增強絕緣的橡膠絕緣層，4是屏蔽管，5是線芯(銅)，6是連接管，7是增強絕緣屏蔽層，8是屏蔽層。

圖2 電纜接頭結(jié)構(gòu)

交聯(lián)聚乙烯電纜接頭常見的幾種典型缺陷有：① 主絕緣含雜質(zhì)：在連接電纜時，接頭連接管要進行打磨，由于打磨過后所殘留的一些銅粉未清理干凈，將留在主絕緣的表面；② 接頭主絕緣劃痕：在制作電纜接頭時，用刀在主絕緣上切割時用力不當(dāng)留下一些氣泡；③ 接頭受潮：電纜接頭密封不好，在長期運行過程中受潮；④ 半導(dǎo)體層尖端：在連接電纜時剝切半導(dǎo)體層時在主絕緣上有殘留形成尖端。

其他絕緣缺陷有：① 連接管錯用絕緣膠帶：將絕緣膠帶當(dāng)成半導(dǎo)體膠帶使用；② 連接管尖頭毛刺：接頭連接管制作時未打磨或者打磨不好，有明顯毛刺；③ 應(yīng)力錐錯位：在連接時，外半導(dǎo)體層端口伸出了應(yīng)力錐的尾部，將在界面產(chǎn)生爬電現(xiàn)象。其他缺陷諸如預(yù)制接頭缺陷等，本文不再一一論述。

為方便觀察電纜接頭的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和建立接頭的三維模型，將電纜接頭結(jié)構(gòu)簡化。其正視剖分結(jié)構(gòu)如圖3所示，列出相應(yīng)部位的部分材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表1)，建立如圖4的接頭三維模型。

圖3 電纜接頭對稱剖分圖

由接頭剖分圖和實際結(jié)構(gòu)可知，電纜接頭為軸對稱圖形，故在仿真中僅取接頭一端進行分析。

表1 各材料屬性

圖4 電纜接頭三維模型

2 4種主絕緣缺陷仿真建模

2.1 接頭含雜質(zhì)

在連接電纜時，接頭連接管要進行打磨。由于打磨后殘留的銅粉(導(dǎo)電微粒)未清理干凈，將留在XLPE主絕緣的表面。主絕緣表面的雜質(zhì)導(dǎo)致內(nèi)部場強集中引起局部放電。在主絕緣表面添加1個邊長為2 mm的正方體來模擬雜質(zhì)(圖5)。

圖5 雜質(zhì)缺陷模型

雜質(zhì)銅粒的相對介電常數(shù)為1，電導(dǎo)率設(shè)為5.8×107S/m，熱導(dǎo)率設(shè)為401 W/(m·K-1)。

2.2 氣隙缺陷(主絕緣劃傷)

電纜接頭氣隙缺陷用于模擬接頭安裝過程中，剝離外半導(dǎo)體層時用力不當(dāng)引起的主絕緣表面留下一些氣隙空間，這會導(dǎo)致氣隙內(nèi)部因為場強集中而產(chǎn)生局部放電。XLPE主絕緣表面在應(yīng)力錐推動過程中也可能留下劃痕，導(dǎo)致?lián)p傷表面而留下氣隙從而引起局部放電。在主絕緣表面上添加底面積為4 mm2、高40 mm圓柱體氣隙(圖6)。

圖6 氣隙缺陷模型

氣隙的相對介電常數(shù)為1，電導(dǎo)率設(shè)為0 S/m，熱導(dǎo)率設(shè)為0.023 W/(m·K-1)。

2.3 接頭受潮

電纜接頭密封不好，在長期運行過程中受潮。模擬接頭受潮是在主絕緣表面上設(shè)計1個底面積為4 mm2、高為20 mm的圓柱體水分，增加不均勻電場下放電的概率(圖7)。

圖7 受潮缺陷模型

水的相對介電常數(shù)設(shè)為81，電導(dǎo)率設(shè)為0.01 S/m，熱導(dǎo)率設(shè)為0.599 W/(m·K-1)。

2.4 半導(dǎo)體尖端

在工程實際操作中，連接電纜時需剝切半導(dǎo)體層。由于操作不夠仔細或者失誤會在主絕緣上留下半導(dǎo)體尖端。建模時在主絕緣上設(shè)立1個長為40 mm、寬為4 mm、厚度為0.5 mm的半導(dǎo)體層(圖8)。

半導(dǎo)體尖端相對介電常數(shù)設(shè)為100，電導(dǎo)率設(shè)為0.000 2 S/m，熱導(dǎo)率設(shè)為0.142 9 W/(m·K-1)。

圖8 半導(dǎo)體尖端缺陷模型

3 ANSYS仿真分析

3.1 電場仿真

ANSYS有限元法指將連續(xù)的大求解單元模塊化，分割成許多微小的單元，這些子單元被稱為有限元[14]。在有限元內(nèi)利用求解邊值問題，求解每個子單元，最后將各個小單元求得的結(jié)果相加，就得到了所求大單元的唯一解[15]。在仿真軟件中建立模型，設(shè)置剖分參數(shù)進行網(wǎng)格剖分，將大區(qū)域細分。

圖9是電纜接頭網(wǎng)格剖分示意圖，可以通過反復(fù)設(shè)置剖分參數(shù)來達到剖分效果。剖分結(jié)果直接影響到求解結(jié)果的精度。有限元思想表明，剖分網(wǎng)格越細，所求解的結(jié)果也就越精確，達到的效果也就越好，但是求解的時間也會隨之增加。綜合考慮兩因素，設(shè)置ANSYS軟件的網(wǎng)格劃分為自適應(yīng)的50%。

圖9 接頭網(wǎng)格剖分圖

ANSYS Electronics Desktop有限元分析軟件擁有二維和三維兩種求解器，都包括有靜態(tài)電磁場、瞬態(tài)場等模塊。本研究采用靜態(tài)電場求解器求解帶電纜接頭絕緣缺陷電場分布情況。目前，求解電磁場應(yīng)用最廣泛的方法是有限元法，該方法是求解電磁場數(shù)值計算方法中最有效和最精確的方法之一。應(yīng)用有限元法求解電場流程見圖10。

為研究工頻(50 Hz)電壓作用下的電場強度，設(shè)置為靜態(tài)電場求解器。常見的線性介質(zhì)有如下控制方程，如式(1)所示。

(1)

式中：E為電場強度(V/m)；ε為介電常數(shù)；B為磁感應(yīng)強度(T)；D為電通量密度(C/m2)，H為磁場強度(A/m)。這4個場量之間的對應(yīng)關(guān)系由介質(zhì)本身決定。邊界條件為電纜導(dǎo)體對地電壓為正峰值，電壓設(shè)為10 kV，屏蔽層設(shè)為地電位。

圖10 電場仿真流程

3.1.1無缺陷

首先對電纜接頭無缺陷模型進行仿真分析，其電場強度分布如圖11所示，場強由內(nèi)而外逐漸減小。但場強最大的不是導(dǎo)體表面，而是在應(yīng)力錐的根部。這是因為應(yīng)力錐的根部由多種不同相對介電常數(shù)的材料組成，導(dǎo)致電場強度比導(dǎo)體處大，也更能說明應(yīng)力錐根部最容易產(chǎn)生局部放電，從而導(dǎo)致絕緣擊穿等危害發(fā)生。主絕緣處無缺陷時場強約為375 V/mm。

圖11 無缺陷電場強度分布

3.1.2雜質(zhì)缺陷

XLPE電纜接頭雜質(zhì)缺陷采用正方體來代替，圖12是含雜質(zhì)的電纜接頭場強分布圖。含雜質(zhì)的主絕緣場強發(fā)生劇烈的畸變，由原來的375 V/mm增加到500 V/mm，可見主絕緣含雜質(zhì)導(dǎo)致絕緣電場強度增大了25%。

圖12 雜質(zhì)缺陷電場強度分布圖

3.1.3氣隙缺陷

圖13是氣隙絕緣缺陷模擬所仿真的電場強度分布。含氣隙的主絕緣場強發(fā)生的畸變由原來的375 V/mm增加到500 V/mm，可見主絕緣含雜質(zhì)導(dǎo)致絕緣電場強度增大了25%。

圖13 氣隙缺陷電場強度分布

3.1.4接頭受潮

XLPE電纜接頭受潮缺陷采用圖14所示的圓柱體來代替。如圖場強分布圖可以得出，受潮的主絕緣場強發(fā)生劇烈畸變，由原來的375 V/mm增加到750 V/mm，可見主絕緣含雜質(zhì)導(dǎo)致絕緣電場強度增大了50%。

圖14 受潮缺陷電場強度分布

3.1.5半導(dǎo)體尖端

主絕緣上殘留的半導(dǎo)體尖端所引起的場強發(fā)生了畸變，由原來的375 V/mm增加到590 V/mm，可見主絕緣含雜質(zhì)導(dǎo)致絕緣電場強度增大了36%。

可以看出，主絕緣在存在以上4種絕緣缺陷時都會導(dǎo)致電場強度的增大，有可能導(dǎo)致絕緣擊穿，發(fā)生故障，被迫停電(圖15)。

圖15 半導(dǎo)體尖端缺陷電場強度分布

在4種缺陷中，接頭受潮缺陷所引起的場強畸變程度最大，但不是絕對的。因為在工程實際中，各種缺陷的程度不同，因此有必要研究缺陷大小對場強的畸變程度影響。通過改變各種缺陷底面邊長倍數(shù)來反映場強的變化程度，結(jié)果如圖16所示。隨著缺陷的增大，場強也呈增長趨勢。因此在實際連接電纜時，要注意預(yù)防缺陷的大小，盡量減小缺陷。

圖16 缺陷大小對場強影響

3.2 溫度場仿真結(jié)果分析

在仿真完電場強度之后，為更加詳細地掌握缺陷對電纜接頭運行的影響，進行溫度場仿真。將電場仿真結(jié)果導(dǎo)入thermal-electric模塊中進行仿真分析，根據(jù)表1的設(shè)置材料參數(shù)，邊界條件為空氣對流，換熱系數(shù)為7.5 W/(m2·℃)，溫度為20 ℃。由于交聯(lián)聚乙烯材料的運行最高溫度一般為90 ℃，所以施加載流量為1 300 A，使其溫度接近90 ℃左右，然后求解電場溫度云圖(圖17)。

施加相同的載流量在含有不同缺陷的電纜接頭中。由圖17(a)～(d)可知：雜質(zhì)缺陷、氣隙缺陷和接頭受潮所引起的主絕緣溫度變化不大，都在92 ℃左右，有稍減弱的趨勢，這是因為3種缺陷的導(dǎo)熱率大于主絕緣(XLPE)，能夠進行少量散熱。因此，當(dāng)存在這3種缺陷時，會導(dǎo)致測量溫度時引起誤差，影響載流量的施加?；蛘咴谑┘舆^程中，由于溫度的誤差，施加過量會使其他主絕緣部分的溫度過高，從而損壞絕緣。當(dāng)施加相同的載流量在含有半導(dǎo)體尖端的接頭上時，發(fā)現(xiàn)溫度升高到95 ℃，對于前面的微小溫差來說，半導(dǎo)體尖端所引起的溫升相對較大，因此會導(dǎo)致主絕緣溫度過大而引起損壞。同理，與電場強度一樣，隨著缺陷的大小不同，對溫度的影響效果也不同，此處不再論證。

圖17 電纜接頭溫度分布云圖

4 結(jié)論

本次研究仿真分析了常見的4種主絕緣缺陷及其產(chǎn)生原因，建立了對應(yīng)的缺陷模型，通過求解電場強度和溫度場反映缺陷對場強和溫度的影響規(guī)律。

1)在電纜接頭中，最大場強出現(xiàn)在接頭的應(yīng)力錐根部，而非導(dǎo)體表面。這是由于不同材料的相對介電常數(shù)不同。因此在工程中，需要格外注意應(yīng)力錐根部的絕緣保證。

2)4種絕緣缺陷均能使場強發(fā)生較大畸變，都能使場強增大。雜質(zhì)和氣隙缺陷使場強增大了25%，接頭受潮缺陷使場強增大了50%，主絕緣含半導(dǎo)體殘留尖端缺陷使場強增大了36%。這些缺陷都有可能使場強增大而發(fā)生局部放電，從而損壞絕緣引發(fā)故障。仿真中，接頭受潮是4種缺陷中引起場強變化最大的，但不是絕對的。因為隨著缺陷的大小增加，所引起的電場強度畸變程度越大，電場強度也增大。這些主絕緣缺陷在工程實際中將有可能導(dǎo)致主絕緣發(fā)生擊穿，從而損壞接頭。

3)4種缺陷對溫度的影響相對電場強度不大，但也產(chǎn)生一些影響。雜質(zhì)缺陷、氣隙和接頭受潮缺陷都使主絕緣溫度稍微降低，半導(dǎo)體尖端缺陷引起了主絕緣溫度升高3 ℃左右，這樣的結(jié)果有可能導(dǎo)致在檢測時出現(xiàn)溫度誤差，影響載流量的施加。

4)本文研究的主絕緣常見絕緣缺陷對場強和溫度場的影響可為電纜接頭的在線監(jiān)測和工程實際應(yīng)用提供一定的理論參考。由于缺少對預(yù)制絕緣缺陷的研究、主絕緣和增加絕緣硅橡膠界面的缺陷研究等，后續(xù)將開展界面絕緣擊穿試驗。