高壓電力電纜接頭劣化分析

葉冠豪，潘 偉，王 浩

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210001)

0 引言

伴隨我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展及城市美化的客觀需要，高壓電力電纜在城市電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。以江蘇省南京市為例，2014—2018年，35 kV及以上電壓等級電纜線路總長度平均年增速為8.5 %，總里程突破了1 400 km。中間接頭是高壓電力電纜線路薄弱環(huán)節(jié)之一，統(tǒng)計結(jié)果顯示，接頭故障在總故障中所占比例接近40 %。中間接頭內(nèi)部缺陷給高壓電力電纜的運行埋下了安全隱患，嚴(yán)重時將導(dǎo)致線路停運，造成巨大的經(jīng)濟損失。

2018年3—7月，南京供電公司所轄110 kV電纜線路接連發(fā)生兩次因中間接頭擊穿導(dǎo)致的線路跳閘事故，經(jīng)分析電纜接頭均為上海某附件廠家批次性產(chǎn)品。以往在故障原因的研究中大多只給出理論研究結(jié)論，結(jié)合實際現(xiàn)場的開殼檢查分析相當(dāng)少見。此外，常規(guī)故障分析僅對已經(jīng)發(fā)生故障線路進(jìn)行原因分析，缺乏對亞健康線路的趨勢性缺陷分析。

因此，為全面、深入了解該型號中間接頭內(nèi)部缺陷類型及可能原因，結(jié)合南京供電公司實際接頭開殼檢修結(jié)果，對該特定型號電纜中間接頭缺陷情況進(jìn)行研究。通過建立物理模型后進(jìn)行受力分析，并輔以有限元仿真驗算。對腐蝕物進(jìn)行傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀檢查，研究電纜接頭腐蝕影響因素，較為全面地研究該型號中間接頭劣化的整體過程。

1 缺陷概況

2018年5—9月，南京供電公司對運營范圍內(nèi)132只接頭集中檢查，其電纜型號為YJLW03—64/110-630，中間接頭型號1YJ1001，系統(tǒng)投運已累計15年。缺陷結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。經(jīng)檢查，電纜中間接頭的劣化情況已十分嚴(yán)重。如不及時開展開殼檢修，發(fā)生故障的風(fēng)險極大。

表1 某型號高壓電力電纜中間接頭缺陷檢查結(jié)果

2 羊角受力分析

2.1 COMSOL有限元分析

采用了COMSOL有限元分析軟件進(jìn)行仿真計算。COMSOL軟件是瑞典COMSOL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(jìn)行電學(xué)、熱學(xué)以及材料學(xué)的建模仿真計算，已成為有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件。通過在COMSOL軟件中建立高壓電纜中間接頭模型，并進(jìn)行力學(xué)分析，實現(xiàn)對中間接頭羊角終端電纜封鉛處的應(yīng)力分析計算。

2.2 熱膨脹分析

導(dǎo)體溫升導(dǎo)致的電纜線路熱膨脹,沿電纜線路軸向產(chǎn)生機械應(yīng)力F，與電纜導(dǎo)體溫度θ和電纜線路熱膨脹系數(shù)α有關(guān)。當(dāng)電纜導(dǎo)體溫度變化時，電纜所受合力分解為電纜線路軸向伸縮力和側(cè)向滑移力。電纜線路蛇形敷設(shè)及熱膨脹分析如圖1所示。

圖1 電纜線路蛇形敷設(shè)及熱膨脹分析示意

電纜線路軸向熱膨脹量ΔL可參考式(1)理論計算：

式中：ΔL為電纜線路熱膨脹量；Δθ為電纜線路導(dǎo)體溫升；L為蛇形長度的1/2；α為電纜線路熱膨脹系數(shù)。

針對水平敷設(shè)的電纜線路，當(dāng)導(dǎo)體溫度下降時，其蛇形弧軸向力Fh1可參考式(2)理論計算：

當(dāng)導(dǎo)體溫度上升時，其蛇形弧軸向力Fh2可參考式(3)理論計算:

針對垂直敷設(shè)的電纜線路，當(dāng)導(dǎo)體溫度下降時，其蛇形弧軸向力可參考式(4)理論計算：

當(dāng)導(dǎo)體溫度上升時，其蛇形弧軸向力Fv2可參考式(5)理論計算：

蛇形弧側(cè)向滑移量n可以參考式(6)理論計算:

式(2)～(6)中，θ為電纜導(dǎo)體溫度；B為蛇形弧幅；L為蛇形長度的1/2；α為電纜線路線性膨脹系數(shù)；μ為電纜摩擦系數(shù)；W為電纜線路單位重量；A為電纜導(dǎo)體截面積；E為電纜楊氏模量； -EI為電纜抗彎剛性。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，取計算參數(shù)如表2所示。

表2 熱膨脹計算參數(shù)

在電力電纜、同軸電纜水平敷設(shè)條件下，取其不同工況條件進(jìn)行熱膨脹計算，在θ=50 ℃時計算結(jié)果如圖2，3所示。

圖2 電力電纜不同L時B與Fva的關(guān)系

可以看出，在進(jìn)入工井后，如果未設(shè)置蛇形敷設(shè)或打Ω彎，則電力電纜與同軸電纜的等效蛇形長度L會顯著增大，引起高壓電力電纜搪鉛部位與羊角尾部應(yīng)力顯著增大，造成羊角尾部斷裂或搪鉛脫落，導(dǎo)致附件內(nèi)部進(jìn)水，給安全運行帶來隱患。

2.3 有限元仿真分析

建立電纜接頭“羊角”處的有限元模型如圖4所示。圖中細(xì)長圓柱為接地電纜，短粗圓柱為電纜接頭外殼的一部分。黑色部分施加45 N外力，折合壓力約為0.03 MPa，模擬施工人員壓接接地電纜、調(diào)整接地電纜位置時施加的彎折力。得到應(yīng)力分布如圖5所示，從圖中可以看出，接地電纜根部應(yīng)力比較集中。

圖4 接地電纜根部有限元模型

圖5 接地電纜根部仿真結(jié)果

接地電纜連接處應(yīng)力分析，應(yīng)力最高達(dá)到12 MPa，是外加力(0.03 MPa)的400倍，所以該處很容易出現(xiàn)開裂情況。

在室溫25 ℃，接地電纜導(dǎo)體溫升50 ℃(即溫度75 ℃)工況下，應(yīng)力最大值為6.6 MPa，說明同軸電纜的熱膨脹對羊角處應(yīng)力增大有明顯影響。

為分析電纜本體熱膨脹對電纜接頭(尤其封鉛處)應(yīng)力變化的影響，建立電纜封鉛處有限元模型如圖6所示。

圖6 電纜封鉛處有限元模型

圖中最左側(cè)截面，由內(nèi)至外各圈材料分別為銅、交聯(lián)聚乙烯、鋁，中間的圓球為鉛封，右半部分最外側(cè)圓筒為電纜中間接頭的銅套管，通過封鉛可以使電纜鋁護(hù)套與銅套管緊密相連。

圖7為電纜封鉛處在室溫25 ℃、導(dǎo)體溫度升高50 ℃的工況下的應(yīng)力分布?？梢钥闯?，應(yīng)力主要集中在鉛封與銅套管、電纜鋁護(hù)套的接觸部分末端。

圖7 封鉛處仿真結(jié)果

選取應(yīng)力最集中的部位，即鉛封與銅套管的接觸部位末端(圓)，應(yīng)力值約為58 MPa，而鉛合金的抗拉強度為30～70 MPa；如果此處鉛封質(zhì)量不是很好，或者導(dǎo)體溫升更大，很可能造成鉛封的破壞，使得接頭失去密封性，電纜本體鋁護(hù)套的電氣連接斷開。

3 腐蝕情況分析

3.1 試驗系統(tǒng)簡介

FTIR為第三代紅外吸收光譜儀?？蓪Ω缮婧蟮募t外光進(jìn)行傅里葉變換，實現(xiàn)樣品定性和定量分析。SEM為掃描電鏡，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像，具有放大倍數(shù)高、景深大、視野大等優(yōu)勢。

SEM分析采用美國FEI公司生產(chǎn)的Quanta 250型掃描電子顯微鏡；紅外光譜分析所用儀器為美國Thermo Fisher Scientific生產(chǎn)的Nicolet 380傅里葉變換紅外光譜儀。將電纜中間接頭周邊鋁護(hù)套腐蝕成分進(jìn)行FTIR，SEM測試。

3.2 樣品試驗分析

FTIR測試結(jié)果顯示，樣品含有羧酸鹽。SEM測試結(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測試結(jié)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 %。紅外光譜如圖8所示。

圖8 紅外光譜

分析結(jié)果表明，中間接頭長期進(jìn)水后、會引起周邊皺紋鋁護(hù)層腐蝕，產(chǎn)生羧酸鹽以及金屬氧化物等物質(zhì)。這些物質(zhì)會嚴(yán)重降低皺紋鋁護(hù)層導(dǎo)電性能，導(dǎo)致電力電纜接地不良，加速電纜絕緣的發(fā)熱及老化，給電力電纜運行帶來嚴(yán)重威脅。

4 結(jié)論

(1) 電力電纜中間接頭長期運行后的主要缺陷類型包括羊角開裂、接頭進(jìn)水、鋁護(hù)套腐蝕。

(2) 羊角設(shè)計過長與中間接頭敷設(shè)中未設(shè)置Ω彎導(dǎo)致羊角末端應(yīng)力過大，造成羊角根部斷裂，加速中間接頭進(jìn)水。

(3) 進(jìn)水可能引起接頭周邊鋁護(hù)套腐蝕，引起絕緣發(fā)熱，進(jìn)一步劣化電纜運行可靠性。