配電電纜附件復(fù)合絕緣界面缺陷類(lèi)型和位置對(duì)電場(chǎng)分布的影響研究

李國(guó)倡 梁簫劍 魏艷慧 蘇國(guó)強(qiáng) 雷清泉

（1.青島科技大學(xué)先進(jìn)電工材料研究院 青島 266042 2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院 濟(jì)南 250002）

0 引言

城市配電網(wǎng)的快速發(fā)展對(duì)電纜線路的需求日益增多，相比架空線路而言，電纜線路具有安全性好、可靠性高、受惡劣氣象條件影響小等優(yōu)點(diǎn)。配電網(wǎng)電纜附件作為配電電纜線路的關(guān)鍵部件，其絕緣性能直接關(guān)乎整個(gè)線路的安全運(yùn)行。電纜附件是電纜線路中絕緣最為薄弱的部件[1-3]，導(dǎo)致電纜接頭故障在電纜運(yùn)行故障部位分布中占有較大比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成電纜附件運(yùn)行故障的原因較多，主要包括：附件密封性差導(dǎo)致絕緣受潮、復(fù)合界面壓力不匹配、復(fù)合界面在安裝過(guò)程中殘留固體雜質(zhì)以及操作不當(dāng)產(chǎn)生劃痕等[4-6]。

針對(duì)電纜附件運(yùn)行故障，已有較多學(xué)者研究了受潮對(duì)電纜及附件絕緣性能的影響。李武強(qiáng)[7]分析了電力電纜受潮判斷方法和水樹(shù)形成機(jī)理，采用脈沖法和電橋法進(jìn)行電纜受潮段定位，并提出預(yù)防電纜受潮措施。賈志東等[8]用恒壓負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，獲得了受潮電纜在潮氣排出前后的絕緣電阻和介質(zhì)損耗。李巍巍等[9]選取4 條不同程度受潮的終端頭的電纜，通過(guò)負(fù)荷溫升試驗(yàn)，研究終端頭的絕緣電阻和介質(zhì)損耗受溫度、受潮程度影響的變化規(guī)律。通常，在電纜附件故障分析中，單純采用試驗(yàn)手段較難復(fù)現(xiàn)故障狀態(tài)，且成本較高。

受到安裝條件、安裝技術(shù)以及運(yùn)行環(huán)境、材料自身性能等因素的影響，在電纜施工過(guò)程中容易產(chǎn)生氣泡、雜質(zhì)、劃痕等缺陷，此外在電纜運(yùn)行過(guò)程中，水分可能會(huì)進(jìn)入電纜接頭的內(nèi)部形成水珠和受潮等缺陷[10-12]。在電纜的長(zhǎng)期運(yùn)行中，上述因素往往是誘發(fā)電纜附件故障最直接的原因，開(kāi)展仿真計(jì)算有助于全面掌握缺陷帶來(lái)的影響。He Jiahong 等[13]基于模擬電荷法針對(duì)電纜接頭中氣隙缺陷和水膜缺陷等進(jìn)行仿真，結(jié)合隨機(jī)游走理論描述了缺陷周?chē)姌?shù)生長(zhǎng)的隨機(jī)過(guò)程。曾莼[14]研究電纜附件受潮、外半導(dǎo)電斷口臺(tái)階、主絕緣劃傷等典型缺陷的電場(chǎng)分布，分析了不同缺陷的危害程度。電纜附件涉及電纜主絕緣、附件絕緣和應(yīng)力錐等多種界面結(jié)構(gòu)，復(fù)合絕緣的界面比本體更容易發(fā)生擊穿故障[15-16]。

目前，針對(duì)配電網(wǎng)電纜附件復(fù)合絕緣界面缺陷的對(duì)比研究較少。電纜附件安裝和運(yùn)維過(guò)程中，復(fù)合絕緣界面氣泡、水膜、雜質(zhì)等不同缺陷類(lèi)型會(huì)影響部件內(nèi)部電場(chǎng)分布規(guī)律，此外，相同的缺陷在不同位置引起的電場(chǎng)畸變也會(huì)發(fā)生改變。但由于電纜附件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其內(nèi)部準(zhǔn)確設(shè)計(jì)氣泡、水膜、雜質(zhì)等缺陷較為困難。在缺陷引入過(guò)程中，不可避免地容易在電纜絕緣本體、附件增強(qiáng)絕緣本體或界面其他位置引入新的缺陷，導(dǎo)致局放起始電壓、局部放電量不能準(zhǔn)確反映某一缺陷類(lèi)型；此外，不同位置的缺陷引起的局放特征量相似，較難區(qū)分缺陷位置帶來(lái)的影響。因此，通過(guò)仿真手段系統(tǒng)開(kāi)展電纜附件界面缺陷研究對(duì)預(yù)防不同類(lèi)型接頭缺陷引發(fā)的絕緣故障以及事后故障分析具有重要意義。

本文圍繞配電網(wǎng)電纜附件復(fù)合絕緣XLPE/SIR界面，模擬電纜附件安裝和運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的典型缺陷，設(shè)計(jì)了界面氣泡、氣隙、水珠、水膜、金屬雜質(zhì)、半導(dǎo)電雜質(zhì)和絕緣雜質(zhì)七種缺陷結(jié)構(gòu)，通過(guò)建立配電電纜附件界面缺陷電場(chǎng)仿真模型，研究了缺陷類(lèi)型、大小和位置對(duì)電場(chǎng)分布的影響。

1 界面缺陷模型與計(jì)算方法

1.1 界面缺陷模型設(shè)計(jì)

電纜附件安裝過(guò)程中需要將電纜金屬屏蔽層與絕緣層剝離，導(dǎo)致斷口處電場(chǎng)較為集中，通過(guò)應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)可以有效地改善斷口處電場(chǎng)分布。而在電纜接頭制作和長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，電纜主絕緣與應(yīng)力錐/硅橡膠絕緣界面不可避免地存在氣隙、雜質(zhì)等缺陷，會(huì)影響復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)界面電場(chǎng)分布，在電纜長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，受沖擊電壓、極端溫度等因素的影響，界面缺陷會(huì)加劇電場(chǎng)畸變，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致界面放電，影響電纜附件的安全運(yùn)行。分析認(rèn)為按照復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)界面缺陷類(lèi)型的不同，大致可以劃分為以下幾類(lèi)：①電纜接頭制作操作過(guò)程中操作不當(dāng)或長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中絕緣材料電化學(xué)反應(yīng)引起的界面氣泡或者氣隙等氣體雜質(zhì)缺陷；②長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中電纜接頭受潮引起的界面水珠或水膜等液體雜質(zhì)缺陷；③電纜接頭打磨殘留的雜質(zhì)粉末或長(zhǎng)期運(yùn)行中絕緣材料老化導(dǎo)致的界面導(dǎo)電顆粒、半導(dǎo)電或絕緣微粒等固體雜質(zhì)缺陷。研究中針對(duì)上述三種典型缺陷類(lèi)型進(jìn)行建模，圖1 為電纜附件界面缺陷模型示意圖。

圖1 電纜附件復(fù)合絕緣界面缺陷示意圖 Fig.1 Schematic diagram of composite insulation interface defects of cable accessories

研究中考慮缺陷類(lèi)型、大小和位置對(duì)界面電場(chǎng)分布的影響。為了對(duì)比缺陷類(lèi)型對(duì)界面電場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)中令氣泡、水珠和固體雜質(zhì)三種缺陷的形狀和大小相等，圖1a 為氣泡和水珠缺陷示意圖，橢圓長(zhǎng)半軸為1.5mm，短半軸為0.5mm；圖1b 為氣隙缺陷示意圖，其長(zhǎng)度為5mm，高度為0.1mm；圖1c 為水膜缺陷示意圖，水膜缺陷設(shè)置為若干個(gè)小水珠的連接與實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)；圖1d 為固體雜質(zhì)缺陷示意圖，包括導(dǎo)電顆粒雜質(zhì)、半導(dǎo)電雜質(zhì)和絕緣雜質(zhì)。研究中，首先，固定缺陷的大小，將缺陷沿著界面方向從半導(dǎo)電層斷口處向應(yīng)力錐喇叭口方向逐漸移動(dòng)，計(jì)算不同位置缺陷對(duì)界面電場(chǎng)的影響；其次，討論缺陷大小對(duì)電場(chǎng)分布的影響。

1.2 計(jì)算方法與仿真參數(shù)獲取

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，當(dāng)電力設(shè)備尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備的電場(chǎng)可近似為靜電場(chǎng)。因此，本研究中工頻下電纜附件電場(chǎng)計(jì)算采用靜電場(chǎng)處理。電場(chǎng)計(jì)算中，通常將多層絕緣介質(zhì)等效為電阻-電容并聯(lián)的電路模型，電纜附件中主要涉及兩個(gè)復(fù)合絕緣界面：電纜主絕緣交聯(lián)聚乙烯（XLPE）與應(yīng)力錐的界面、XLPE 與附件增強(qiáng)絕緣硅橡膠（SIR）的界面，以及三者結(jié)合點(diǎn)。工頻電壓下，附件電場(chǎng)呈容性分布，主要取決于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)[17-18]。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，不同絕緣介質(zhì)界面電感應(yīng)強(qiáng)度連續(xù)，滿足

式中，D為電感應(yīng)強(qiáng)度；x為距離。

電位和電場(chǎng)強(qiáng)度滿足

式中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度；φ為電位。

研究中采用有限元法，將介質(zhì)連續(xù)區(qū)域離散化，對(duì)微分方程求解，計(jì)算得出電纜附件內(nèi)部電位、電場(chǎng)的分布特性。由于電纜接頭軸向?qū)ΨQ，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用二維電場(chǎng)進(jìn)行分析。本文主要研究配電網(wǎng)10kV 電壓等級(jí)電纜附件內(nèi)部電場(chǎng)分布，因此設(shè)置導(dǎo)體電位為10kV。

電場(chǎng)仿真所需要的絕緣材料介電常數(shù)采用Novocontrol 寬頻介電譜系統(tǒng)測(cè)量得到。測(cè)試樣品從電纜附件切片得到，樣品直徑為20mm，XLPE 和SIR 厚度分別為0.15mm 和0.3mm。實(shí)驗(yàn)前，采用無(wú)水乙醇對(duì)試樣進(jìn)行表面清潔處理并烘干，測(cè)試頻率設(shè)置為1kHz，施加幅值為1V、頻率為50Hz 的電壓，考慮到附件實(shí)際運(yùn)行溫度，溫度設(shè)置為25～90℃，測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 XLPE/SIR 介電常數(shù)隨溫度變化 Fig.2 The permittivity of XLPE/SIR varies with temperature

計(jì)算中取電纜平均運(yùn)行溫度60℃時(shí)XLPE/SIR的相對(duì)介電常數(shù)，兩者相對(duì)介電常數(shù)分別為2.15 和2.81。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 絕緣良好電纜附件的電場(chǎng)分布

圖3 為配電網(wǎng)電纜絕緣良好電纜附件內(nèi)部電位和電場(chǎng)分布圖。

圖3 絕緣良好電纜附件內(nèi)部電位和電場(chǎng)分布 Fig.3 Distribution diagram of potential and electric field inside well-insulated cable accessories

由圖3a 可以看出，內(nèi)部電位由導(dǎo)體向外部絕緣四周方向逐漸降低，電位沒(méi)有明顯突變，電纜導(dǎo)體電位為10 kV。由圖3b 可以看出電場(chǎng)線在應(yīng)力錐根部較為集中，最大畸變電場(chǎng)達(dá)到2.10kV/mm。圖4為電纜附件法向電場(chǎng)分布。沿附件法線方向，建立坐標(biāo)軸，坐標(biāo)原點(diǎn)兩側(cè)分別為電纜線芯、電纜主絕緣XLPE、應(yīng)力錐、增強(qiáng)絕緣SIR 和空氣域。可以看出附件內(nèi)部電場(chǎng)呈現(xiàn)梯度分布，主絕緣XLPE 承擔(dān)主要的電場(chǎng)應(yīng)力，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為2.0kV/mm 左右；其次為增強(qiáng)絕緣SIR 最大電場(chǎng)強(qiáng)度為1.42kV/mm。這部分電場(chǎng)雖然不足以對(duì)電纜帶來(lái)直接破壞，但電纜長(zhǎng)期運(yùn)行中，較高的局部電場(chǎng)會(huì)造成材料損壞，引起絕緣材料的老化或劣化，降低絕緣性能，尤其是沖擊電壓、溫度梯度等極端條件會(huì)加劇絕緣材料被破壞。由于電纜接頭制作或安裝過(guò)程中會(huì)引入氣隙、雜質(zhì)等缺陷，原電場(chǎng)會(huì)與外界因素引起的新增電場(chǎng)疊加，從而造成局部電場(chǎng)畸變加劇。

圖4 電纜附件法向電場(chǎng)分布 Fig.4 Electric field distribution in normal direction of cable accessory

2.2 含氣泡缺陷電纜附件電場(chǎng)分布

電纜接頭制作和安裝的過(guò)程中，剝離外半導(dǎo)電層時(shí)用力不當(dāng)會(huì)使主絕緣表面殘留一些氣泡。設(shè)置氣泡為橢圓形，長(zhǎng)半軸a為1.5mm，短半軸b為0.5mm。氣泡的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置為1，界面氣泡缺陷引起的電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 界面氣泡缺陷引起的電場(chǎng)分布 Fig.5 Electric field distribution caused by bubble defects at the interface

根據(jù)雙層絕緣介質(zhì)電路模型，介質(zhì)的介電常數(shù)與其承擔(dān)的電場(chǎng)成反比，由于氣體介電常數(shù)較小，其分擔(dān)的電場(chǎng)必然較高，圖5 為氣泡在應(yīng)力錐根部附近時(shí)的電場(chǎng)云圖?？梢钥闯?，氣泡的邊緣區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度最高可以達(dá)到13kV/mm，遠(yuǎn)超過(guò)氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，容易引起電纜XLPE/SIR 界面局部放電。為了探究氣泡缺陷大小與位置對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，按照?qǐng)D1a 所示的幾何模型，開(kāi)展了進(jìn)一步仿真計(jì)算，結(jié)果如圖 6 所示，圖中，氣泡缺陷初始尺寸為2.36mm2（a=1.5mm；b=0.5mm），采用相對(duì)值描述氣泡缺陷尺寸的變化。

圖6 界面氣泡缺陷大小和位置對(duì)電場(chǎng)的影響 Fig.6 Influence of bubble defect size and location on electric field

由圖6 可以看出，隨著氣泡缺陷與半導(dǎo)電斷層距離的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。氣泡缺陷位于半導(dǎo)電斷口時(shí)電場(chǎng)畸變較為嚴(yán)重，達(dá)到7.2kV/mm 左右，這是由于外半導(dǎo)電斷口與應(yīng)力錐相接觸，氣泡缺陷與XLPE 絕緣、應(yīng)力錐構(gòu)成了復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)，改變了應(yīng)力錐原有結(jié)構(gòu)，降低了其均化電場(chǎng)的效果。隨著氣泡缺陷向應(yīng)力錐根部移動(dòng)，氣泡缺陷所處位置的XLPE 主絕緣電場(chǎng)逐漸集中，導(dǎo)致缺陷造成的電場(chǎng)畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重。在距半導(dǎo)電斷層20 mm 處，電場(chǎng)強(qiáng)度畸變達(dá)到最大值，這是因?yàn)闅馀萑毕菰赬LPE 絕緣、SIR 絕緣與應(yīng)力錐三者界面處，導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度較大，約為13kV/mm。隨著氣泡缺陷遠(yuǎn)離三者界面位置時(shí)，氣泡缺陷位于電纜主絕緣XLPE 和附件增強(qiáng)絕緣SIR 二者界面，電場(chǎng)畸變明顯變小，圖5 中藍(lán)色區(qū)域，平均約為1.50kV/mm。

此外，進(jìn)一步分析氣泡缺陷大小對(duì)電場(chǎng)分布的影響。在相同位置，隨著氣泡缺陷尺寸的增加，電場(chǎng)畸變呈小幅增大趨勢(shì)。XLPE 絕緣、SIR 絕緣與應(yīng)力錐三者界面的位置最大畸變電場(chǎng)由13kV/mm（尺寸為2.36mm2）增加至13.7kV/mm（尺寸為4.72 mm2）；遠(yuǎn)離三結(jié)合點(diǎn)的位置，尺寸引起的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不明顯，平均電場(chǎng)強(qiáng)度為1.50kV/mm。因此，工程中需要重點(diǎn)關(guān)注三結(jié)合點(diǎn)位置的處理，以減少該位置缺陷引起的界面電場(chǎng)畸變。

2.3 含劃痕氣隙電纜附件電場(chǎng)分布

在電纜接頭安裝過(guò)程中，特別是電纜主絕緣表面在應(yīng)力錐推動(dòng)過(guò)程中容易留下劃痕，導(dǎo)致表面損傷而出現(xiàn)氣隙，從而引起局部放電。設(shè)置一個(gè)矩形的氣隙來(lái)模擬劃痕，長(zhǎng)邊為5mm，短邊為0.15mm。氣隙的介電常數(shù)設(shè)為1，界面氣隙缺陷引起的電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 界面氣隙缺陷引起的電場(chǎng)分布 Fig.7 Electric field distribution caused by interfacial air gap defects

與氣泡缺陷相似，氣隙的介電常數(shù)較小，分擔(dān)的電場(chǎng)較高，而且氣體的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度較低，因此，放電會(huì)首先從氣體處開(kāi)始。由圖7 可知，復(fù)合界面處氣隙缺陷引起的最大電場(chǎng)強(qiáng)度畸變?yōu)?.58kV/mm，高于空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度閾值。為了探究氣隙缺陷大小與位置對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，開(kāi)展了進(jìn)一步仿真計(jì)算，結(jié)果如圖8 所示，圖8 中，氣隙缺陷初始尺寸為0.75mm2，并采用相對(duì)值描述氣隙缺陷尺寸的變化。

圖8 界面氣隙缺陷大小和位置對(duì)電場(chǎng)的影響 Fig.8 Influence of size and location of interface air gap defects on electric field

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算可知，隨著氣隙缺陷與應(yīng)力錐根部的距離增大，電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，在應(yīng)力錐根部處電場(chǎng)出現(xiàn)小幅升高，達(dá)到4.58kV/mm，這與復(fù)合絕緣界面結(jié)構(gòu)有關(guān)系；此外，界面氣隙缺陷的尺寸對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響較小。

2.4 含界面受潮缺陷電纜附件電場(chǎng)分布

配電網(wǎng)電纜附件受潮、浸水誘發(fā)的故障所占比例較高，電纜附件受潮缺陷大致可以分為兩類(lèi)：一是電纜接頭密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷或半導(dǎo)電阻水層受損，會(huì)導(dǎo)致水分或潮氣直接定向遷移滲入電纜附件內(nèi)部；二是電纜本體在運(yùn)行過(guò)程中由于受到極端工況或溫度的變化會(huì)引起材料發(fā)生熱脹冷縮，導(dǎo)致電纜主絕緣與附件增強(qiáng)絕緣之間形成呼吸效應(yīng)，使大氣中的水分與潮氣進(jìn)入電纜附件內(nèi)部。此外，電纜管道或隧道環(huán)境潮氣會(huì)顯著加劇電纜接頭復(fù)合界面受潮的概率，使潮氣和遷移水分在界面凝結(jié)成水膜與水珠[19]。

研究中設(shè)置水珠為橢圓形，長(zhǎng)半軸為1.5mm，短半軸為0.5mm。水珠的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置為81。界面水珠缺陷引起的電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。

圖9 界面水珠缺陷引起的電場(chǎng)分布 Fig.9 Electric field distribution caused by water drop defects at the interface

由于水的相對(duì)介電常數(shù)較大，導(dǎo)致水珠缺陷內(nèi)部區(qū)域承擔(dān)的電場(chǎng)強(qiáng)度較低。在復(fù)合界面處水珠引起的最大畸變電場(chǎng)強(qiáng)度為2.94kV/mm，這主要是由水珠缺陷幾何結(jié)構(gòu)引起的電場(chǎng)畸變。為了探究水珠缺陷大小與位置對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響，開(kāi)展了進(jìn)一步仿真計(jì)算，結(jié)果如圖10 所示。圖10 中，水珠缺陷初始尺寸為2.36 mm2，采用相對(duì)值描述缺陷尺寸的變化。

圖10 界面水珠缺陷大小和位置對(duì)電場(chǎng)的影響 Fig.10 Influence of the size and location of the interface water drop defect on the electric field

由圖10 可以看出，最大畸變電場(chǎng)出現(xiàn)XLPE 絕緣、SIR 絕緣與應(yīng)力錐三結(jié)合點(diǎn)附近，距離半導(dǎo)電斷層約20mm 的位置，最大畸變電場(chǎng)為2.94kV/mm；且隨著缺陷的增大，電場(chǎng)畸變明顯加劇。當(dāng)尺寸增大至兩倍時(shí)，最大畸變電場(chǎng)達(dá)到3.49kV/mm。隨著水珠缺陷遠(yuǎn)離三結(jié)合點(diǎn)，電場(chǎng)畸變明顯減弱，且受尺寸影響變化較小。當(dāng)缺陷距離半導(dǎo)電層超過(guò)40mm 時(shí)，最大畸變電場(chǎng)僅為1.03kV/mm。

當(dāng)界面水珠較多時(shí)會(huì)形成水膜積聚。設(shè)置水膜為若干小水珠連接而成，以減小尖端效應(yīng)，每個(gè)小水珠都設(shè)置為橢圓形，長(zhǎng)半軸為 0.2mm，短半軸為0.05mm，水膜總長(zhǎng)為10mm。計(jì)算結(jié)果如圖11 所示。

圖11 界面水膜缺陷大小和位置對(duì)電場(chǎng)的影響 Fig.11 Influence of interface water film defect size and location on electric field

由圖11 可以看出，當(dāng)水膜處于XLPE 絕緣、SIR 絕緣與應(yīng)力錐三結(jié)合點(diǎn)附近時(shí)，對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度影響較大，最大電場(chǎng)畸變可以達(dá)到3.74kV/mm。進(jìn)一步討論水膜大小和位置對(duì)電場(chǎng)分布的影響，計(jì)算結(jié)果如圖12 所示。

圖12 界面水膜缺陷大小和位置對(duì)電場(chǎng)的影響 Fig.12 Influence of interface water film defect size and location on electric field

由圖12 可以看出，最大畸變電場(chǎng)出現(xiàn)在XLPE絕緣、SIR 絕緣與應(yīng)力錐三結(jié)合點(diǎn)附近，為3.74kV/mm；隨著缺陷的增大，電場(chǎng)畸變明顯加劇。當(dāng)尺寸增大至兩倍時(shí)，最大畸變電場(chǎng)達(dá)到4.34kV/mm。隨著水膜缺陷遠(yuǎn)離三結(jié)合點(diǎn)，電場(chǎng)畸變明顯減弱，且受尺寸影響變化較小。當(dāng)缺陷距離半導(dǎo)電層超過(guò)40mm 時(shí)，最大畸變電場(chǎng)僅為0.88kV/mm。相比界面水珠缺陷而言，界面水膜缺陷引起的電場(chǎng)畸變更為嚴(yán)重。

2.5 含雜質(zhì)缺陷電纜附件電場(chǎng)分布

電纜接頭打磨殘留的金屬碎屑或長(zhǎng)期運(yùn)行中絕緣材料老化引起的絕緣微粒會(huì)引起界面場(chǎng)強(qiáng)集中，從而導(dǎo)致局部放電[20]。研究中，為避免尖端效應(yīng)對(duì)電場(chǎng)的影響，這里設(shè)置雜質(zhì)為橢圓形，長(zhǎng)半軸為1.5mm，短半軸為0.5mm。為了對(duì)比分析雜質(zhì)類(lèi)型對(duì)電場(chǎng)分布的影響，計(jì)算中分別設(shè)計(jì)了導(dǎo)電雜質(zhì)、半導(dǎo)電雜質(zhì)和XLPE 絕緣雜質(zhì)，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖13 界面固體雜質(zhì)缺陷引起的電場(chǎng)分布 Fig.13 Electric field distribution caused by solid impurity defects at the interface

圖 13 給出了應(yīng)力錐根部，距離半導(dǎo)電斷層20mm 處三種雜質(zhì)引起的電場(chǎng)畸變，界面金屬和半導(dǎo)電雜質(zhì)引起的電場(chǎng)畸變近似，約為3.07kV/mm，這是由于缺陷部分與應(yīng)力錐根部重合，金屬雜質(zhì)和半導(dǎo)電雜質(zhì)均處于接地狀態(tài)，且二者的相對(duì)介電常數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣材料。XLPE 絕緣雜質(zhì)引起的電場(chǎng)畸變明顯高于金屬和半導(dǎo)電的情況，這是由于絕緣材料的介電常數(shù)較小，導(dǎo)致缺陷區(qū)域承擔(dān)電場(chǎng)較高，電場(chǎng)強(qiáng)度畸變可達(dá)到8.74kV/mm。

進(jìn)一步研究了固體雜質(zhì)缺陷大小和位置對(duì)界面電場(chǎng)的影響，結(jié)果如圖14 所示。對(duì)比缺陷類(lèi)型可以看出，金屬雜質(zhì)、半導(dǎo)電雜質(zhì)與XLPE 雜質(zhì)造成的最大畸變電場(chǎng)位置有所不同，這與復(fù)合絕緣界面結(jié)構(gòu)有關(guān)系。金屬雜質(zhì)與半導(dǎo)電雜質(zhì)造成的最大畸變電場(chǎng)均出現(xiàn)在距離半導(dǎo)電斷層約 22mm 處，約為3.67kV/mm；而XLPE 缺陷造成的最大場(chǎng)強(qiáng)畸變出現(xiàn)在距離半導(dǎo)電斷層約20mm 處，即圖13c 所示應(yīng)力錐根部位置。

圖14 界面固體雜質(zhì)缺陷大小和位置對(duì)電場(chǎng)的影響 Fig.14 Influence of the size and location of solid impurity defects on the electric field

金屬缺陷與半導(dǎo)電缺陷在離開(kāi)應(yīng)力錐的過(guò)程中引起的電場(chǎng)畸變有小幅升高，由3.07kV/mm 升高至3.67kV/mm，這是因?yàn)槿毕菰谂c應(yīng)力錐接觸時(shí)，應(yīng)力錐根部與缺陷部分重合，導(dǎo)致應(yīng)力錐根部的電場(chǎng)被削弱，而當(dāng)缺陷遠(yuǎn)離應(yīng)力錐根部時(shí)，應(yīng)力錐根部的電場(chǎng)畸變逐漸增強(qiáng)，在距應(yīng)力錐約2mm 處缺陷仍與應(yīng)力錐接觸，但缺陷已基本沒(méi)有與應(yīng)力錐相重合部分，此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值3.67kV/mm。相比而言，絕緣缺陷引起的最大畸變電場(chǎng)出現(xiàn)在應(yīng)力錐根部，隨著缺陷離開(kāi)應(yīng)力錐周?chē)妶?chǎng)明顯下降，這是由于絕緣缺陷在移動(dòng)的過(guò)程中與應(yīng)力錐的接觸界面逐漸縮小，導(dǎo)致缺陷內(nèi)部承擔(dān)的電場(chǎng)下降，當(dāng)絕緣缺陷逐漸遠(yuǎn)離應(yīng)力錐處于XLPE/SIR 界面上時(shí)，SIR承擔(dān)了較多的電場(chǎng)，缺陷承擔(dān)的電場(chǎng)逐漸降低。

3 結(jié)論

1）氣泡缺陷與氣隙缺陷在界面上引起的最大場(chǎng)強(qiáng)畸變分別為13kV/mm 和4.58kV/mm，均超過(guò)空氣擊穿閾值，相比良好絕緣附件而言，最大畸變電場(chǎng)分別增加了6.19 倍和2.48 倍。隨著氣泡缺陷尺寸的增加，電場(chǎng)畸變呈小幅增大趨勢(shì)；遠(yuǎn)離應(yīng)力錐的位置，尺寸變化引起的電場(chǎng)強(qiáng)度變化較小。

2）水珠缺陷和水膜缺陷引起的最大畸變電場(chǎng)均出現(xiàn)在XLPE 絕緣、SIR 絕緣與應(yīng)力錐三結(jié)合點(diǎn)附近，分別為2.94kV/mm 和3.74kV/mm。隨著缺陷尺寸的增大，電場(chǎng)畸變明顯加劇，當(dāng)尺寸增大為兩倍時(shí)，水珠和水膜引起的最大畸變電場(chǎng)分別提高了18.7%和16%；隨著水珠缺陷遠(yuǎn)離三結(jié)合點(diǎn)，電場(chǎng)畸變明顯減弱，且受尺寸影響變化較小。

3）金屬雜質(zhì)與半導(dǎo)電雜質(zhì)造成的最大畸變電場(chǎng)均出現(xiàn)在距離半導(dǎo)電斷層約 22mm 處，約為3.67kV/mm；相比而言，絕緣缺陷引起的最大電場(chǎng)畸變出現(xiàn)在應(yīng)力錐根部，約為8.74kV/mm，隨著缺陷遠(yuǎn)離應(yīng)力錐根部電場(chǎng)畸變呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。