10 kV電纜中間接頭典型施工缺陷的電場(chǎng)及局放特性研究

陶玉寧，陳皇熹，趙國(guó)偉，方春華

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443000；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司，山西 大同 037000)

0 引言

電力電纜憑借線間絕緣距離小、占地少、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)在城市線路改造工程中被廣泛應(yīng)用。電纜線路應(yīng)用快速增長(zhǎng)的同時(shí)，電纜故障[1—5]引發(fā)的事故數(shù)量也呈上升趨勢(shì)。據(jù)故障案例統(tǒng)計(jì)表明，電纜故障多發(fā)生于電纜中間接頭位置[6—9]，即電纜中間接頭絕緣性能的劣化是造成電纜故障的直接原因[10—12]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電纜中間接頭及接頭缺陷進(jìn)行了大量試驗(yàn)和仿真。

通過(guò)對(duì)缺陷電場(chǎng)的研究，可直觀了解缺陷對(duì)中間接頭絕緣強(qiáng)度的影響程度。文獻(xiàn)[13—16]通過(guò)有限元軟件建立常見(jiàn)缺陷的二維模型，得出主絕緣劃傷、連接管毛刺缺陷或主絕緣含雜質(zhì)缺陷均會(huì)引起電場(chǎng)的畸變，但缺陷的存在破壞了附件對(duì)稱性，因此二維模型存在較大誤差，必須使用三維立體模型才能真實(shí)模擬缺陷實(shí)際狀況。文獻(xiàn)[17—18]建立三維電纜中間接頭模型，分析部分典型缺陷對(duì)絕緣的影響程度，但未考慮同一類型缺陷在不同位置時(shí)對(duì)電場(chǎng)分布的影響。為了掌握缺陷在實(shí)際線路中表現(xiàn)特征，目前應(yīng)用最廣泛的方法是對(duì)接頭缺陷進(jìn)行局部放電試驗(yàn)。文獻(xiàn)[19]對(duì)目前主要存在的電纜中間接頭缺陷以及缺陷形成原因做出總結(jié)，指出目前局放等檢測(cè)技術(shù)需要在靈敏度、抗干擾能力方面進(jìn)行提升改進(jìn)。文獻(xiàn)[20]對(duì)局部放電檢測(cè)方法進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)分析局部放電信號(hào)在交聯(lián)聚乙烯(cross-inked polyethylene,XLPE)電纜接頭中的傳輸衰變特性、特征提取和識(shí)別技術(shù)。文獻(xiàn)[21]利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)比分析超低頻和工頻電壓下局部放電試驗(yàn)的等效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)2種電壓下的局部放電量的差異與缺陷類型密切相關(guān)。

缺陷會(huì)降低電纜中間接頭的絕緣性能。針對(duì)缺陷在不同位置時(shí)的表現(xiàn)特征以及對(duì)絕緣的影響程度，目前研究較少。因此，開(kāi)展中間接頭典型施工缺陷電場(chǎng)及局部放電特性研究，探究接頭缺陷的電場(chǎng)與放電特征的規(guī)律對(duì)于研究故障發(fā)生機(jī)理、準(zhǔn)確判斷故障類型等具有重要意義。

文中通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)缺陷接頭進(jìn)行三維模型下的靜電場(chǎng)仿真計(jì)算，分析中間接頭存在硅脂涂抹方式不正確、接頭受潮和主絕緣劃傷缺陷時(shí)的電場(chǎng)分布情況，研究缺陷位置與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。同時(shí)搭建工頻交流電壓局部放電試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)3種缺陷試片進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，利用Matlab軟件對(duì)局放試驗(yàn)原始波形進(jìn)行后處理，根據(jù)局部放電次數(shù)等局放特征量具體分析不同缺陷對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響。

1 電纜中間接頭仿真模型

圖1 電纜中間接頭三維模型Fig.1 3D model of cable intermediate joint

表1 模型材料參數(shù)Table 1 Parameters of model materials

2 中間接頭典型缺陷電場(chǎng)分析

2.1 硅脂涂抹缺陷

2.1.1 硅脂涂抹不均勻與正常情況對(duì)比

圖2(a)為正常涂有硅脂時(shí)電場(chǎng)分布，XLPE內(nèi)半導(dǎo)電層交界處場(chǎng)強(qiáng)最大，為1.35 MV/m。該情況下導(dǎo)體線芯、應(yīng)力錐、連接管、銅網(wǎng)場(chǎng)強(qiáng)接近為0，XLPE與硅橡膠界面最大場(chǎng)強(qiáng)為0.581 MV/m。硅脂中設(shè)置6 mm×5 mm×0.3 mm的長(zhǎng)方體型空氣隙模擬硅脂涂抹不均勻缺陷，此時(shí)電場(chǎng)分布見(jiàn)圖2(b)，XLPE與硅橡膠界面最大場(chǎng)強(qiáng)為1.140 MV/m。XLPE與硅橡膠界面存在空氣時(shí)，氣隙與絕緣層介電常數(shù)的差異導(dǎo)致電場(chǎng)在交界處發(fā)生畸變。場(chǎng)強(qiáng)的畸變易引發(fā)局部放電，長(zhǎng)期放電會(huì)加速XLPE的老化，從而降低接頭的絕緣強(qiáng)度。

圖2 硅脂涂抹不同情況電場(chǎng)分布云圖Fig.2 Clouds of electric field distribution under different conditions of silicone grease coating

圖3為自電纜接頭膠帶外端至電纜外半導(dǎo)電層處的電場(chǎng)分布，氣隙處的場(chǎng)強(qiáng)明顯高于相同位置正常涂有硅脂時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。這說(shuō)明正常涂抹硅脂能優(yōu)化XLPE與硅橡膠界面處的電場(chǎng)分布，降低電場(chǎng)畸變程度，提高接頭絕緣性能。

圖3 硅脂涂抹不同情況電場(chǎng)分布Fig.3 Electric field distribution under different silicon grease coating conditions

2.1.2 涂抹不均勻處不同位置對(duì)電場(chǎng)的影響

圖4為空氣隙距外半導(dǎo)切斷處軸向方向不同位置時(shí)的電場(chǎng)分布。

圖4 空氣隙不同位置電場(chǎng)分布Fig.4 Electric field distribution at different positions of air gap

當(dāng)空氣隙遠(yuǎn)離外半導(dǎo)切斷處時(shí)，氣隙處場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在應(yīng)力錐倒角處達(dá)到最大值，為1.140 MV/m?？諝馀c硅脂介電常數(shù)的差異導(dǎo)致氣隙處場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生突變。施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)排查應(yīng)力錐倒角處附近是否存在硅脂涂抹不均勻。

2.2 主絕緣劃傷缺陷

2.2.1 主絕緣劃傷缺陷與正常情況對(duì)比

主絕緣劃傷時(shí)劃痕多為短劃痕，即空氣間隙多為小氣隙，因此設(shè)置長(zhǎng)度為5 mm、厚度為2 mm的長(zhǎng)方體小氣隙模擬主絕緣劃傷缺陷。主絕緣劃傷缺陷和正常情況下，相同位置處的電場(chǎng)分布見(jiàn)圖5。

圖5 主絕緣劃傷及正常情況相同位置電場(chǎng)分布Fig.5 Electric field distribution at the same position of main insulation scratches and normal conditions

當(dāng)出現(xiàn)主絕緣劃傷時(shí)，劃傷處的場(chǎng)強(qiáng)為1.459 MV/m；而在正常情況下，相同位置電場(chǎng)強(qiáng)度僅為0.531 MV/m。主絕緣劃傷處場(chǎng)強(qiáng)是正常情況下場(chǎng)強(qiáng)的2.75倍，這說(shuō)明電場(chǎng)發(fā)生了嚴(yán)重畸變。造成該情況的主要原因是空氣間隙的存在使得介質(zhì)材料不連續(xù)，引起該處場(chǎng)強(qiáng)增大。主絕緣劃傷及正常情況電場(chǎng)分布見(jiàn)圖5(c)，主絕緣劃傷處電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，而其他位置場(chǎng)強(qiáng)基本為0，與正常情況下的電場(chǎng)分布情況差距較大。劃傷一方面損傷電纜主絕緣，造成劃傷處絕緣厚度降低；另一方面產(chǎn)生的氣隙，會(huì)引起局部氣隙放電，嚴(yán)重時(shí)擊穿接頭，引發(fā)線路停電事故。

2.2.2 主絕緣劃傷不同位置對(duì)電場(chǎng)的影響

進(jìn)一步地研究劃傷位置對(duì)電場(chǎng)影響，分別將劃傷位置設(shè)置在距離外半導(dǎo)切斷處軸向方向0 mm，0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm，2.5 mm，3 mm，3.5 mm，仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著軸向方向上遠(yuǎn)離外半導(dǎo)切斷處，主絕緣劃傷處的場(chǎng)強(qiáng)整體趨勢(shì)是逐漸減小的。劃傷位置在外半導(dǎo)切斷處時(shí)，劃傷氣隙的場(chǎng)強(qiáng)最大，達(dá)到了2.385 MV/m。因此，實(shí)際剝切外半導(dǎo)電層時(shí)應(yīng)重點(diǎn)排查外半導(dǎo)切斷處主絕緣是否劃傷。

圖6 主絕緣劃傷不同位置電場(chǎng)分布Fig.6 Electric field distribution of main insulation scratches at different positions

2.3 接頭受潮缺陷

2.3.1 接頭受潮缺陷與正常情況對(duì)比

若電纜中間接頭安裝在濕度較大的環(huán)境，或敷設(shè)環(huán)境存在化學(xué)腐蝕導(dǎo)致接頭密封失效，均會(huì)造成接頭絕緣浸水受潮，導(dǎo)致XLPE與硅橡膠界面夾雜一層水膜。為探究接頭受潮時(shí)水膜對(duì)接頭內(nèi)電場(chǎng)分布的影響，文中設(shè)置水膜模型為長(zhǎng)5 mm、厚0.3 mm、寬5 mm的長(zhǎng)方體，得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 接頭受潮及正常情況相同位置電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field distribution at the same position under damp and normal conditions

從圖7(a)可知，當(dāng)接頭受潮時(shí)，水膜處場(chǎng)強(qiáng)為0.659 MV/m，而在正常情況下與水膜相同位置處場(chǎng)強(qiáng)大小則為0.582 MV/m，受潮水膜處場(chǎng)強(qiáng)是正常情況下場(chǎng)強(qiáng)的1.13倍。主要原因是電纜接頭滲水屬于導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生懸浮電位，導(dǎo)致水膜與硅橡膠界面電場(chǎng)集中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生界面爬電。此外水膜在電場(chǎng)作用下，易發(fā)生電泳現(xiàn)象，誘發(fā)水樹(shù)枝生長(zhǎng)。因此在進(jìn)行線路規(guī)劃時(shí)應(yīng)進(jìn)行詳盡的地質(zhì)勘探，避免電纜線路經(jīng)過(guò)潮濕或化學(xué)腐蝕地區(qū)。

2.3.2 接頭受潮不同位置對(duì)電場(chǎng)的影響

以外半導(dǎo)切斷處為基準(zhǔn)，分別將水膜設(shè)置在距離外半導(dǎo)切斷處軸向位置為10 mm，20 mm，30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm處，進(jìn)一步探究水膜位置與電場(chǎng)關(guān)系，圖8為相應(yīng)的仿真結(jié)果。

圖8 接頭受潮不同位置電場(chǎng)分布Fig.8 Electric field distribution in different position of joint affected by moisture

由圖8可知，受潮時(shí)水膜位置在距離外半導(dǎo)切斷0～20 mm與50～80 mm處時(shí)，水膜處場(chǎng)強(qiáng)較小，而相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)較高的位置區(qū)間為30～40 mm處，此區(qū)間對(duì)應(yīng)圖8(a)中電纜接頭膠帶外端至電纜外半導(dǎo)電層方向上距離應(yīng)力錐倒角處10 mm內(nèi)。水膜在應(yīng)力錐倒角處場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最大值，為0.659 MV/m。因此施工中應(yīng)格外注意應(yīng)力錐處是否有受潮受濕的情況。

3 局部放電試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

為探究硅脂涂抹不均勻、主絕緣劃傷、接頭受潮3種缺陷下局部放電特性，根據(jù)局部放電試驗(yàn)原理搭建了一套實(shí)驗(yàn)室工頻交流電壓下局部放電試驗(yàn)平臺(tái)。文中對(duì)人工缺陷試樣進(jìn)行的局部放電試驗(yàn)采用脈沖電流測(cè)量法測(cè)取局放信號(hào)，脈沖電流法的基本原理如圖9所示。調(diào)壓器型號(hào)為ZX-15-11,額定容量為15 kV·A;變壓器型號(hào)為YDJ，容量為10 kV·A/100 kV；分壓器額定電壓為50 kV，分壓比為3 000∶1。試驗(yàn)電極為板-板電極，固定在環(huán)氧樹(shù)脂的載物臺(tái)上。

圖9 脈沖電流法基本原理示意Fig.9 Schematic diagram of the pulse current method

3.2 試驗(yàn)方法

人工制作正常無(wú)缺陷試樣以及3種缺陷試樣，以模擬存在不同缺陷時(shí)的電纜中間接頭實(shí)際情況。在制作缺陷前，確保XLPE表面平整光滑，無(wú)毛刺、雜質(zhì)或其他制造過(guò)程中的瑕疵，并用無(wú)水乙醇對(duì)XLPE進(jìn)行漂洗，去除表面灰層污物后在自然干燥條件下晾干，以避免雜質(zhì)、毛刺灰層污物等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成干擾。制作正常無(wú)缺陷試樣時(shí)，在XLPE表面均勻涂抹硅脂，硅脂涂抹厚度為0.3 mm，其他附件均正常敷設(shè)、安裝。在應(yīng)力錐附近的XLPE表面1 cm2區(qū)域內(nèi)不涂硅脂，其余區(qū)域同正常試樣均勻涂抹硅脂，以模擬硅脂涂抹不均勻缺陷。用剝切刀在外半導(dǎo)切斷處的XLPE表面沿徑向制造長(zhǎng)10 mm、深2 mm的劃痕，然后正常涂抹硅脂，以制造主絕緣劃傷缺陷。施工過(guò)程中形成的接頭受潮大多由于在濕度環(huán)境較大天氣下施工，水分極容易附著在接頭XLPE表面，因此利用注射器在應(yīng)力錐附近的XLPE表面注入少許水，在其他區(qū)域均勻涂抹硅脂，以模擬接頭受潮缺陷。

對(duì)每組缺陷試樣以0.5U0為電壓梯度，從0到2U0逐級(jí)加壓，分別采集0.5U0，U0，1.5U0，2U0這4個(gè)電壓等級(jí)下不同缺陷試樣和無(wú)缺陷試樣組的局部放電信號(hào)，并用Matlab軟件對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行去噪處理。最后對(duì)不同電壓等級(jí)下不同缺陷試樣以及正常無(wú)缺陷試樣局部放電特征量進(jìn)行對(duì)比分析，探究不同缺陷局部放電特征。其中U0為10 kV電纜的額定電壓8.7 kV。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)3種缺陷試樣起始放電電壓均小于U0，隨著電壓增大，示波器顯示波形的局放脈沖數(shù)越密集。利用Matlab軟件對(duì)原始波形進(jìn)行濾波處理，局放電流與相位的關(guān)系見(jiàn)圖10，放電量與相位的關(guān)系見(jiàn)圖11。

圖10 局放電流與相位關(guān)系Fig.10 The relationship between local discharge current and phase

圖11 放電量與相位的關(guān)系Fig.11 The relationship between discharge and phase

從局放脈沖的個(gè)數(shù)在相位上的分布來(lái)看，硅脂涂抹不均勻缺陷，放電頻次較高的相位區(qū)間分布在180°～270°。主絕緣劃傷缺陷造成的放電次數(shù)相位區(qū)間主要集中在0°～90°、180°～270°，且區(qū)間內(nèi)各相位值對(duì)應(yīng)的放電頻次之間相差不大，分布較為均衡。針對(duì)受潮缺陷，放電次數(shù)較大的區(qū)間較小，在200°～270°之間，且放電頻次集中在該區(qū)間的中段。

計(jì)算試樣在20個(gè)周波內(nèi)的放電次數(shù)，正常無(wú)缺陷、硅脂涂抹不均勻、接頭受潮與主絕緣劃傷缺陷分別放電2次、224次、75次和510次。試樣沒(méi)有任何缺陷時(shí)，在額定電壓U0下幾乎沒(méi)有局放現(xiàn)象。比較硅脂涂抹不均勻、受潮、主絕緣劃傷3種缺陷可知，試樣的各類存在缺陷均會(huì)不同程度對(duì)試樣的絕緣強(qiáng)度造成影響，體現(xiàn)在局放次數(shù)出現(xiàn)不同程度的增加。相比完整試樣的放電次數(shù)，在施加同一電壓等級(jí)U0時(shí)，主絕緣劃傷缺陷導(dǎo)致的放電次數(shù)是無(wú)缺陷時(shí)的255倍，而接頭受潮和硅脂涂抹不均勻缺陷則分別為正常情況下放電次數(shù)的37.5倍和122倍。顯然，主絕緣劃傷缺陷對(duì)XLPE 絕緣的影響程度最大，接頭受潮對(duì)絕緣強(qiáng)度的影響則最小，硅脂涂抹不均勻的影響程度處于二者之間。

3.4 場(chǎng)強(qiáng)和局部放電特征關(guān)系

結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果，將3種缺陷的電場(chǎng)強(qiáng)度與局放次數(shù)作對(duì)比，匯總?cè)绫?所示。

表2 仿真與試驗(yàn)對(duì)比Table 2 Comparison of simulation and experiment

將3種缺陷下靜電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果與工頻交流電壓下局部放電試驗(yàn)做比較，發(fā)現(xiàn)主絕緣劃傷、硅脂涂抹不均勻、接頭受潮3種缺陷仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果保持一致。主絕緣劃傷缺陷對(duì)XLPE 絕緣絕緣強(qiáng)度影響最大，接頭受潮對(duì)XLPE 絕緣的絕緣強(qiáng)度影響最小。

4 結(jié)論

文中開(kāi)展了10 kV電纜中間接頭典型施工缺陷電場(chǎng)仿真，模擬了局放檢測(cè)試驗(yàn)，得到的結(jié)果對(duì)提升敷設(shè)安裝的技術(shù)規(guī)范度，提高電纜接頭可靠性具有重要意義，結(jié)論如下：

(1)硅脂涂抹不均勻時(shí)，空氣隙在應(yīng)力錐周圍時(shí)電場(chǎng)畸變最為嚴(yán)重，逐漸遠(yuǎn)離應(yīng)力錐，則場(chǎng)強(qiáng)逐漸減小。電纜接頭制作過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)排查應(yīng)力錐處硅脂是否涂抹均勻。

(2)主絕緣劃傷時(shí)，電場(chǎng)畸變最為嚴(yán)重，空氣隙在外半導(dǎo)切斷處場(chǎng)強(qiáng)最大。劃傷位置逐漸遠(yuǎn)離外半導(dǎo)切斷處，場(chǎng)強(qiáng)逐漸減小。制作接頭時(shí)應(yīng)仔細(xì)排查該處是否有劃傷。

(3)接頭受潮后，水膜位于應(yīng)力錐附近電場(chǎng)畸變程度最為劇烈，逐漸遠(yuǎn)離應(yīng)力錐，則水膜對(duì)接頭電場(chǎng)影響減小。線路規(guī)劃時(shí)避免電纜線路經(jīng)過(guò)潮濕或化學(xué)腐蝕地區(qū)。

(4)主絕緣劃傷、硅脂涂抹不均勻、接頭受潮3種缺陷均會(huì)造成接頭發(fā)生嚴(yán)重的局部放電。3種缺陷對(duì)試樣絕緣強(qiáng)度的影響依次減小，仿真與試驗(yàn)結(jié)果一致。