配電電纜附件XLPE/SIR界面缺陷特性及其對電場分布的影響研究

張世棟，蘇國強(qiáng)，劉合金，張林利，李 帥

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

造成電纜附件混入雜質(zhì)的原因復(fù)雜多樣，主要包括：安裝過程中操作不當(dāng)導(dǎo)致半導(dǎo)電層殘留、半導(dǎo)電膠滲透到絕緣界面、絕緣材料或金屬顆粒殘留等［13-14］。對于缺陷對附件內(nèi)部電場的影響，眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，He 等［15］基于模擬電荷法針對電纜接頭中氣隙缺陷和水膜缺陷等進(jìn)行了仿真，結(jié)合隨機(jī)游走理論描述了缺陷周圍電樹生長的隨機(jī)過程。Sobhy S 等［16］針對電纜附件空隙缺陷、受潮缺陷進(jìn)行仿真分析了缺陷位置以及大小對場強(qiáng)的影響。劉琦等［17］基于有限元法，對電纜附件制作過程中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了定量分析計(jì)算，分析了不同缺陷情況下中間接頭內(nèi)部的電場分布情況。統(tǒng)計(jì)表明，XLPE/SIR 絕緣介質(zhì)界面是電纜附件絕緣的薄弱環(huán)節(jié)［18-19］，但由于電纜附件界面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，較難通過實(shí)驗(yàn)手段直接進(jìn)行界面缺陷性能表征。

針對電纜附件復(fù)合界面處的3 種典型缺陷，設(shè)計(jì)了XLPE/SIR 雙層結(jié)構(gòu)界面缺陷，并對引入不同缺陷的試樣分別進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而展開仿真研究，通過建立雙層結(jié)構(gòu)界面缺陷模型仿真模型，計(jì)算了界面缺陷引起的電場畸變，將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比；進(jìn)一步將缺陷模型擴(kuò)展到配電電纜中間接頭，研究電纜中間接頭的內(nèi)部電場分布。

1 模型構(gòu)建

1.1 XLPE/SIR雙層結(jié)構(gòu)界面缺陷模型構(gòu)建

由于電纜附件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難直接針對整支電纜附件進(jìn)行界面缺陷擊穿測試。而實(shí)際工程應(yīng)用中電纜附件XLPE/SIR 界面為附件的薄弱位置，相比于附件的其他部位更容易發(fā)生擊穿故障［20-21］。因此設(shè)計(jì)了雙層結(jié)構(gòu)界面缺陷模型來模擬附件XLPE/SIR界面缺陷，開展擊穿測試。

考慮電纜附件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，SIR材料的絕緣厚度通常為XLPE 絕緣的2～3倍。因此制備厚度為0.3 mm SIR 的試樣和厚度為0.15 mm 的XLPE 試樣，試樣尺寸為100 mm×100 mm。XLPE/SIR 界面由交聯(lián)聚乙烯薄片與硅橡膠片貼合在一起構(gòu)成，從外界施加壓力，使兩種絕緣材料黏合，模擬附件中XLPE/SIR 復(fù)合介質(zhì)絕緣結(jié)構(gòu)。

為模擬生產(chǎn)、安裝過程中界面處殘留的雜質(zhì)，在模型中引入金屬缺陷、半導(dǎo)電缺陷、絕緣缺陷（XLPE），如圖1 所示，將半徑為1.5 mm、厚度為0.15 mm 的缺陷材料置于XLPE 與SIR 界面中，并使XLPE 與SIR嚴(yán)密貼合，進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)。

圖1 XLPE/SIR雙層結(jié)構(gòu)界面缺陷模型示意

1.2 電纜附件仿真模型

在雙層結(jié)構(gòu)介質(zhì)界面缺陷模型的基礎(chǔ)上，建立電纜中間接頭電場仿真模型，重點(diǎn)分析界面缺陷類型（金屬、半導(dǎo)電和絕緣）和位置對電場分布的影響，如圖2所示。

圖2 界面缺陷模型示意

使缺陷在XLPE/SIR 界面移動，對雜質(zhì)處于不同位置時(shí)附件的電場進(jìn)行進(jìn)一步仿真，探究3 種固體雜質(zhì)在界面上不同位置時(shí)對附件內(nèi)部電場的影響規(guī)律。

關(guān)于道德行為究竟是怎么發(fā)生的問題，王陽明從“知行合一”的觀點(diǎn)論述，用“知行”二者不可分割性，論述道德行為發(fā)生的必須性；休謨從“反理性”的角度出發(fā)，認(rèn)為道德行為的踐行不應(yīng)該摻雜太多的理性因素，理性因素很大程度上是道德行為發(fā)生的阻礙。針對當(dāng)前社會上出現(xiàn)的“知行脫節(jié)”“扶不扶”等道德問題，都是一種理性支配感性的不道德現(xiàn)象，在道德實(shí)踐領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)道德情感本身的重要性，降低理性因素的主導(dǎo)，對于更好地進(jìn)行道德實(shí)踐具有重要意義。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)電磁場理論，當(dāng)電力設(shè)備尺寸遠(yuǎn)小于波長時(shí)，設(shè)備的電場可近似為靜電場。因此，本研究中工頻下電纜附件電場計(jì)算采用靜電場處理，設(shè)置電勢的邊界條件為10 kV。

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)GB/T 16927《高電壓試驗(yàn)技術(shù)》中規(guī)定的連續(xù)放電實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行交流擊穿測試，測試系統(tǒng)采用直徑25 mm 的柱狀電極結(jié)構(gòu)。測試時(shí)，將裝有試樣的電極整體置于絕緣油中，以防高壓下發(fā)生沿面閃絡(luò)。交流電源的升壓速率為1 kV/s，直到試樣擊穿。

根據(jù)GB/T 29310《電氣絕緣擊穿數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析導(dǎo)則》，采用兩參數(shù)Weibull 分布對試樣的擊穿數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表達(dá)式為

式中：y為變量，代表試樣擊穿電壓、場強(qiáng)或擊穿時(shí)間；F（y）為對應(yīng)于參數(shù)y的失效概率；α為尺度參數(shù)，表示失效概率為63.2%時(shí)的擊穿電壓、場強(qiáng)或擊穿時(shí)間值，也稱為平均值；β為形狀參數(shù)，代表試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性，其值越大，數(shù)據(jù)分散性越小，β也代表著Weibull擬合曲線的斜率。

擊穿測試結(jié)果如圖3所示。Weibull坐標(biāo)下，引入不同缺陷的試樣擊穿概率為63.2%的場強(qiáng)大小如表1所示。

圖3 XLPE/SIR雙層結(jié)構(gòu)界面缺陷擊穿性能

表1 雙層結(jié)構(gòu)界面不同缺陷的引起的擊穿場強(qiáng)

在交流電壓下，電介質(zhì)內(nèi)電場強(qiáng)度按照介電常數(shù)分配，人工加入雜質(zhì)破壞了均勻電場，使缺陷周圍電場發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致?lián)舸﹫鰪?qiáng)降低。由圖3與表1可以看出，引入金屬缺陷時(shí)，試樣的擊穿場強(qiáng)最小，危害最大。由于金屬與半導(dǎo)電的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于絕緣，所以金屬缺陷與半導(dǎo)電缺陷造成的電場畸變較為嚴(yán)重，從而含金屬缺陷試樣的擊穿場強(qiáng)較低。由于絕緣缺陷與試樣材料介電常數(shù)相差不大，所以引入絕緣缺陷造成的電場畸變較小，對擊穿場強(qiáng)的影響也較小。

2.2 雙層結(jié)構(gòu)界面缺陷電場仿真

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒㈦p層結(jié)構(gòu)界面缺陷仿真模型，試樣與缺陷均與試驗(yàn)相對應(yīng)，圖4 為無缺陷試樣的電場分布云圖。

圖4 無缺陷雙層結(jié)構(gòu)電場分布圖

由圖4 可以看出，XLPE 材料內(nèi)部的最大電場為27.6 kV/mm，而SIR 材料內(nèi)部的電場為19.6 kV/mm，兩者差別明顯，這是因?yàn)楣ゎl電壓下，附件電場主要取決于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)，而XLPE的相對介電常數(shù)對于SIR 來說較小，在交流電場下承擔(dān)的電場強(qiáng)度相對較高。

對XLPE/SIR 試樣模型引入缺陷后，試樣內(nèi)部電場出現(xiàn)變化，如圖5所示。

圖5 含界面缺陷雙層結(jié)構(gòu)電場分布

圖5（a）為試樣引入金屬缺陷時(shí)的場強(qiáng)變化?？梢钥闯鲈谌毕莞浇霈F(xiàn)了較明顯的場強(qiáng)畸變，畸變最大可以達(dá)到44.6 kV/mm，這是因?yàn)榻饘俚南鄬殡姵?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣材料，所以在缺陷與絕緣材料交界處產(chǎn)生了電場畸變，金屬缺陷承擔(dān)的電場強(qiáng)度較小，因此其內(nèi)部的電場強(qiáng)度較小，僅有0.07 kV/mm。

圖5（b）為試樣引入半導(dǎo)電缺陷時(shí)的場強(qiáng)變化，半導(dǎo)電缺陷與金屬缺陷引起的電場變化相差不大，這是因?yàn)閮烧叩南鄬殡姵?shù)均遠(yuǎn)大于絕緣材料。半導(dǎo)電缺陷與絕緣試樣交界處的最大場強(qiáng)可以達(dá)到44.3 kV/mm，缺陷內(nèi)部有最小場強(qiáng)0.62 kV/mm。

圖5（c）為絕緣缺陷對試樣內(nèi)部電場造成的影響，絕緣缺陷相對于前兩者對電場的影響較小，缺陷處最大場強(qiáng)為28.3 kV/mm，這是由于缺陷材料為XLPE，相對介電常數(shù)一致，不會引起較強(qiáng)的電場畸變。

3種缺陷引入時(shí)XLPE 絕緣與SIR 絕緣的電場強(qiáng)度分別為27.6 kV/mm 與19.6 kV/mm，與正常試樣的電場分布一致，說明缺陷僅在其周圍造成了電場畸變，對遠(yuǎn)離缺陷的位置的電場影響不大。

2.3 電纜附件界面缺陷電場仿真

在電纜附件中，最大場強(qiáng)一般出現(xiàn)在應(yīng)力錐根部，最大畸變值為2.17 kV/mm，如圖6 所示。這是因?yàn)閼?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)致場強(qiáng)較為集中。而且應(yīng)力錐根部界面處容易產(chǎn)生局部放電，導(dǎo)致絕緣擊穿等危害發(fā)生。

圖6 無缺陷電纜附件電場分布圖

針對缺陷在應(yīng)力錐根部附近時(shí)對電場的影響進(jìn)行了研究，對3 種缺陷位于應(yīng)力錐根部附近時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算。圖7 給出了不同類型界面缺陷引起的電纜附件最大畸變電場。

圖7 含界面缺陷電纜附件電場分布圖

如圖7（a）和圖7（b）所示，缺陷位于距離應(yīng)力錐根部3.5 mm 的XLPE/SIR 界面處時(shí)，由于金屬與半導(dǎo)電雜質(zhì)的相對介電常數(shù)均遠(yuǎn)大于絕緣材料，以及兩者的導(dǎo)電特性，使得金屬缺陷與半導(dǎo)電缺陷內(nèi)部的電場強(qiáng)度降低，缺陷周圍的電場強(qiáng)度增加。復(fù)合界面處金屬、半導(dǎo)電缺陷引起的最大場強(qiáng)畸變均為3.56 kV/mm。

如圖7（c）所示，絕緣缺陷位于三結(jié)合點(diǎn)處時(shí)引起的電場畸變?yōu)?.23 kV/mm?；兂霈F(xiàn)在絕緣缺陷與應(yīng)力錐的交界處，這是由于絕緣材料的介電常數(shù)較小，缺陷區(qū)域承擔(dān)電場較高，再加上缺陷的引入可能會出現(xiàn)尖端效應(yīng)，導(dǎo)致缺陷邊緣與應(yīng)力錐交界處出現(xiàn)電場畸變。

為了探究3 種缺陷在界面上的位置對附件內(nèi)部電場的影響，進(jìn)行進(jìn)一步仿真，使缺陷在XLPE/SIR界面移動，逐漸遠(yuǎn)離應(yīng)力錐根部，計(jì)算缺陷在各個(gè)位置的電場強(qiáng)度，結(jié)果如圖8所示。

圖8 界面固體雜質(zhì)缺陷位置對電場的影響

如圖8 所示，金屬缺陷與半導(dǎo)電缺陷在離開應(yīng)力錐的過程中引起的電場畸變有小幅升高，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)力錐根部的電場畸變逐漸增強(qiáng)，在距應(yīng)力錐3.5 mm 處缺陷仍與應(yīng)力錐接觸，但缺陷已基本沒有與應(yīng)力錐重合部分，此時(shí)場強(qiáng)達(dá)到最值3.67 kV/mm。絕緣缺陷在離開應(yīng)力錐過程中周圍電場急劇下降，這是由于絕緣缺陷在移動的過程中與應(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，缺陷承擔(dān)的電場逐漸降低。

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)研究了絕緣、半導(dǎo)電、金屬等3 種典型界面缺陷類型下的擊穿特性，建立了雙層結(jié)構(gòu)界面缺陷模型仿真模型，研究了配電電纜附件XLPE/SIR 界面缺陷特性及其對電場分布的影響。

XLPE/SIR 雙層結(jié)構(gòu)界面引入缺陷后擊穿場強(qiáng)明顯降低，其中金屬缺陷與半導(dǎo)電缺陷的試樣擊穿場強(qiáng)分別為41.37 kV/mm 與43.66 kV/mm，相對于無缺陷結(jié)構(gòu)降低了14.2%與9.9%。電場仿真結(jié)果表明金屬缺陷和半導(dǎo)電缺陷在雙層結(jié)構(gòu)試樣仿真模型內(nèi)部造成的電場畸變分別為44.6 kV/mm與44.3 kV/mm，絕緣缺陷引起的畸變相對較小，為28.3 kV/mm，與實(shí)驗(yàn)規(guī)律相吻合。

電纜附件界面缺陷仿真表明，隨著缺陷遠(yuǎn)離應(yīng)力錐根部，金屬缺陷與半導(dǎo)電缺陷引起的電場畸變先增大后減小，最大畸變電場出現(xiàn)在距離“XLPESIR-應(yīng)力錐”三結(jié)合點(diǎn)3.5 mm 處，為3.56 kV/mm；相比而言，絕緣缺陷引起的最大電場畸變出現(xiàn)在三結(jié)合點(diǎn)處，為7.23 kV/mm，隨著缺陷遠(yuǎn)離應(yīng)力錐根部電場畸變呈現(xiàn)下降趨勢。