220kV電纜中間接頭XLPE絕緣收縮電場(chǎng)分析

陶瑞祥，王成珠，姜云土，曹俊平，王少華

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

電纜接頭是電纜穩(wěn)定運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，也是電纜故障的多發(fā)區(qū)段[1]。電纜長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，通流發(fā)熱使得電纜接頭各部分產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性變化，導(dǎo)致內(nèi)部電場(chǎng)畸變，同時(shí)絕緣材料熱老化使得絕緣性能下降[2]，最終導(dǎo)致電纜接頭發(fā)生擊穿故障。當(dāng)前，針對(duì)電纜接頭缺陷故障分析已有相當(dāng)數(shù)量的研究，其中關(guān)于電纜接頭絕緣缺陷[3-4]及接頭內(nèi)部電場(chǎng)分布[5-6]的研究較多，此外還包括阻水性[7]、溫度分布及監(jiān)測(cè)[8-9]、局放檢測(cè)[10-11]等方面的研究。在電纜接頭缺陷方面，文獻(xiàn)[12]研究了接頭半導(dǎo)電尖端缺陷的局部放電特征，文獻(xiàn)[13]對(duì)電纜主絕緣劃傷、含雜質(zhì)、受潮和半導(dǎo)體尖端缺陷4種典型的絕緣缺陷進(jìn)行電場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真，文獻(xiàn)[14]計(jì)算了110 kV 電纜中間接頭在正常工作、絕緣層出現(xiàn)老化和絕緣層中存在雜質(zhì)時(shí)的電場(chǎng)分布?，F(xiàn)有文獻(xiàn)在電纜接頭絕緣收縮方面的研究較少。文獻(xiàn)[15]針對(duì)電纜主絕緣回縮類缺陷給出了電場(chǎng)模擬方法，但針對(duì)的是10 kV 電壓等級(jí)的電纜接頭。220 kV 電纜接頭內(nèi)部主絕緣收縮量更大，加上電壓等級(jí)較高，電場(chǎng)畸變更加明顯。本文對(duì)220 kV電纜接頭XLPE 絕緣收縮后關(guān)鍵區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，分析不同收縮情況下的電場(chǎng)變化，為電纜接頭擊穿故障分析提供理論基礎(chǔ)。

1 電纜接頭及參數(shù)

某220 kV 電纜運(yùn)行過程中，線路中間接頭出現(xiàn)了如圖1 所示的擊穿故障，擊穿通道位于高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域。此接頭為整體預(yù)制式接頭，基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。各主要部分的徑向參數(shù)與電磁參數(shù)如表1 所示。依據(jù)圖2 所示的結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，并假定電纜運(yùn)行電壓有效值為127 kV。

圖1 電纜接頭擊穿故障

圖2 電纜接頭基本結(jié)構(gòu)

表1 電纜各部分基本參數(shù)

2 電纜接頭電場(chǎng)分析

本文通過建立電纜中間接頭XLPE 絕緣不同程度收縮但未脫離與高壓應(yīng)力錐接觸情況下的模型，在靜電場(chǎng)條件下計(jì)算電纜接頭的電場(chǎng)，研究電纜接頭絕緣部分電場(chǎng)分布。在不考慮殘余電荷的情況下計(jì)算方程為：

導(dǎo)體邊界為：

絕緣橡膠邊界為：

式（1）—（3）中：φ 為電位；φ0為導(dǎo)體邊界電位；φ1為絕緣邊界電位。

XLPE 絕緣收縮情況下的電場(chǎng)分布符合軸對(duì)稱性質(zhì)，可采用二維計(jì)算模型。此外，當(dāng)XLPE 絕緣收縮造成高壓應(yīng)力錐與絕緣橡膠出現(xiàn)空氣間隙時(shí)，其電場(chǎng)分布仍符合軸對(duì)稱性質(zhì)。

高壓應(yīng)力錐端部、高壓應(yīng)力錐與絕緣橡膠的結(jié)合部均是擊穿故障的高發(fā)區(qū)域，本文在分析電場(chǎng)分布時(shí)，將重點(diǎn)關(guān)注高壓應(yīng)力錐與絕緣橡膠交界區(qū)域，尤其是高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域，如圖3 所示。本文電場(chǎng)分布曲線圖中橫軸所示的節(jié)點(diǎn)編號(hào)均按照?qǐng)D3 中箭頭方向由小到大進(jìn)行編號(hào)。

2.1 正常電纜接頭電場(chǎng)

依據(jù)圖2 所示的電纜接頭基本結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，計(jì)算正常電纜接頭的電場(chǎng)分布，標(biāo)定路徑（圖3 虛線段）上的電場(chǎng)分布如圖4 所示。

圖3 高壓應(yīng)力錐與絕緣橡膠交界區(qū)域

圖4 標(biāo)定路徑上的電場(chǎng)分布

從圖4 的計(jì)算結(jié)果看，電纜接頭高壓應(yīng)力錐端部是電場(chǎng)強(qiáng)度最大的區(qū)域，驗(yàn)證了該區(qū)域是電纜接頭擊穿故障高發(fā)區(qū)域的判斷。

2.2 XLPE 絕緣單側(cè)收縮的電纜接頭電場(chǎng)

隨著電纜的運(yùn)行，XLPE 絕緣受熱老化會(huì)出現(xiàn)不同程度的收縮，如圖5 所示。220 kV 電纜主絕緣收縮量可達(dá)數(shù)厘米，XLPE 絕緣收縮會(huì)影響電纜接頭內(nèi)部電場(chǎng)分布。本節(jié)計(jì)算電纜接頭單側(cè)出現(xiàn)不同程度XLPE 絕緣收縮時(shí)，標(biāo)定路徑上的電場(chǎng)分布，并與正常電纜接頭計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖5 單側(cè)XLPE 絕緣收縮

從圖6、圖7 的計(jì)算結(jié)果看，電纜接頭內(nèi)高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段電場(chǎng)隨著收縮距離的增大而整體增大，而其他段電場(chǎng)基本保持一致，變化很小。

圖6 XLPE 單側(cè)收縮時(shí)，高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段的電場(chǎng)分布

圖7 XLPE 絕緣單側(cè)收縮時(shí)，標(biāo)定路徑上的電場(chǎng)分布

選取高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域中電場(chǎng)變化較為明顯的4 個(gè)節(jié)點(diǎn)A，B，C，D，比較XLPE 絕緣出現(xiàn)單側(cè)收縮時(shí)電纜接頭與正常接頭在節(jié)點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度，如表2 所示。

表2 擊穿部位附近節(jié)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度

從表2 的計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)XLPE 絕緣出現(xiàn)單側(cè)收縮時(shí)，高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域電場(chǎng)出現(xiàn)一定程度增強(qiáng)，最高可達(dá)11 kV/m。

2.3 XLPE 絕緣雙側(cè)收縮的電纜接頭電場(chǎng)

本節(jié)計(jì)算電纜XLPE 絕緣雙側(cè)收縮時(shí)（如圖8 所示），電纜接頭標(biāo)定路徑上的電場(chǎng)分布。

圖8 雙側(cè)XLPE 絕緣收縮

從圖6、圖7 的計(jì)算結(jié)果可以看出，XLPE 絕緣出現(xiàn)收縮時(shí)，收縮距離只對(duì)高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段的電場(chǎng)影響較大，而對(duì)其他接觸段電場(chǎng)影響不明顯。為了更清晰地顯示收縮距離對(duì)電場(chǎng)的影響規(guī)律，后續(xù)收縮距離顆粒度設(shè)置為1 cm。本節(jié)假定單側(cè)收縮1 cm，通過改變另一側(cè)的收縮距離來研究XLPE 絕緣雙側(cè)收縮時(shí)電纜接頭電場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。

圖9 XLPE 絕緣雙側(cè)收縮時(shí)，高壓應(yīng)力錐與XLPE絕緣接觸段的電場(chǎng)分布

從圖9 的計(jì)算結(jié)果看，XLPE 絕緣雙側(cè)收縮時(shí)，隨著收縮距離的增大，電纜接頭高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段電場(chǎng)強(qiáng)度整體提升，且右側(cè)收縮距離的增大對(duì)左側(cè)電場(chǎng)分布基本沒有影響。

假定左側(cè)收縮距離為Dl、右側(cè)收縮距離為Dr（如圖10 所示），本節(jié)計(jì)算XLPE 絕緣單側(cè)收縮（Dl分別為1 cm，2 cm，3 cm，4 cm）和XLPE 絕緣雙側(cè)收縮（Dl為1 cm，Dr分別為1 cm，2 cm，3 cm，4 cm）不同情形下，高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段、高壓應(yīng)力錐端部的電場(chǎng)，比較結(jié)果如圖11、表3 所示，其中表3 的選點(diǎn)方式與表2 相同。

圖10 XLPE 絕緣單側(cè)與雙側(cè)收縮

從圖11 可以看出，XLPE 絕緣出現(xiàn)雙側(cè)收縮時(shí)，兩側(cè)XLPE 接觸段的電場(chǎng)分布相對(duì)獨(dú)立，即一側(cè)XLPE 絕緣收縮對(duì)另一側(cè)電場(chǎng)分布影響甚微。從表3 的計(jì)算結(jié)果看，XLPE 絕緣出現(xiàn)單側(cè)收縮和雙側(cè)收縮時(shí)，高壓應(yīng)力錐端部區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度基本一致。

圖11 XLPE 絕緣單側(cè)與雙側(cè)收縮情形下，高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段電場(chǎng)分布比較

表3 2 種情況下?lián)舸┎课桓浇?jié)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度

2.4 XLPE 絕緣收縮產(chǎn)生氣隙時(shí)的電纜接頭電場(chǎng)

當(dāng)電纜XLPE 絕緣出現(xiàn)收縮時(shí)，很可能造成高壓應(yīng)力錐與橡膠之間的氣隙，如圖12 所示。本節(jié)計(jì)算當(dāng)高壓應(yīng)力錐與橡膠之間出現(xiàn)氣隙時(shí)電纜接頭標(biāo)定路徑上的電場(chǎng)大小，研究絕緣收縮與氣隙對(duì)電纜接頭電場(chǎng)的影響。

圖12 高壓應(yīng)力錐與橡膠之間出現(xiàn)氣隙

XLPE 出現(xiàn)單側(cè)收縮或雙側(cè)收縮時(shí)，單側(cè)收縮側(cè)或雙側(cè)收縮中收縮量較大的一側(cè)均可能會(huì)出現(xiàn)氣隙，標(biāo)定路徑上的電場(chǎng)分布如圖13 所示。

圖13 單側(cè)出現(xiàn)氣隙時(shí)，標(biāo)定路徑上的電場(chǎng)分布

從圖13 的計(jì)算結(jié)果看，單側(cè)氣隙對(duì)高壓應(yīng)力錐本側(cè)端部電場(chǎng)影響極為明顯，而對(duì)另一側(cè)端部電場(chǎng)影響甚微。相比而言，XLPE 收縮量的大小對(duì)高壓應(yīng)力錐端部電場(chǎng)影響較為微弱，且收縮量對(duì)標(biāo)定路徑上其他位置的電場(chǎng)強(qiáng)度影響不大。

若XLPE 出現(xiàn)雙側(cè)收縮，則有可能在雙側(cè)出現(xiàn)氣隙，標(biāo)定路徑上的電場(chǎng)分布如圖14 所示。

從圖14 的計(jì)算結(jié)果看，雙側(cè)出現(xiàn)氣隙時(shí)，各側(cè)的氣隙只會(huì)影響本側(cè)高壓應(yīng)力錐端部的電場(chǎng)分布，而對(duì)另一側(cè)的電場(chǎng)分布影響很小。

圖14 雙側(cè)收縮時(shí)，標(biāo)定路徑上的電場(chǎng)分布

3 結(jié)語

本文通過分析正常電纜接頭和出現(xiàn)XLPE 絕緣收縮的電纜接頭的電場(chǎng)分布，得出如下結(jié)論：

1）正常情況下，電纜接頭高壓應(yīng)力錐端部電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較高，在出現(xiàn)XLPE 絕緣收縮后，電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大，加上絕緣材料的熱老化使得該區(qū)域更易發(fā)生擊穿故障。

2）當(dāng)XLPE 絕緣出現(xiàn)收縮時(shí)，高壓應(yīng)力錐與XLPE 絕緣接觸段的電場(chǎng)隨著收縮距離的增大而增大。高壓應(yīng)力錐端部電場(chǎng)對(duì)收縮距離的變化不敏感。

3）當(dāng)XLPE 絕緣出現(xiàn)雙側(cè)收縮時(shí)，一側(cè)收縮距離的增大對(duì)另一側(cè)電場(chǎng)分布基本沒有影響。

4）XLPE 絕緣收縮產(chǎn)生的氣隙對(duì)電場(chǎng)的影響遠(yuǎn)超過絕緣收縮，更易導(dǎo)致高壓應(yīng)力錐端部的擊穿故障。一側(cè)氣隙只對(duì)高壓應(yīng)力錐本側(cè)電場(chǎng)產(chǎn)生影響，對(duì)另一側(cè)電場(chǎng)影響甚微。