絕緣交界面氣隙缺陷及其受潮狀態(tài)對(duì)T型電纜接頭電熱場(chǎng)的影響研究

劉 剛，徐 慶，石聰聰，張圓明，黃華峰

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電公司，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

目前我國(guó)大部分城區(qū)新建配電線路多采用配電全電纜網(wǎng)絡(luò)，已有配電架空線路也在逐步改造過渡為架空電纜混合網(wǎng)[1]。其中，環(huán)網(wǎng)柜因具有維護(hù)工作量小、安裝方式靈活、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，在市轄區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。然而環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行時(shí)倉(cāng)蓋封閉，加上其數(shù)量大、安裝位置繁多，不便于巡視檢查，給運(yùn)維檢修工作帶來了很大的難度[3]。

近年來，由于巡檢不及時(shí)且無科學(xué)有效的在線監(jiān)測(cè)手段，我國(guó)電網(wǎng)轄區(qū)發(fā)生了多起由環(huán)網(wǎng)柜T 型電纜終端接頭溫度過熱、后堵蓋脫落、爬電而導(dǎo)致的嚴(yán)重劣化燒蝕故障，從而造成相間短路、單相接地等電網(wǎng)故障[4]，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)環(huán)網(wǎng)柜灼燒、局部區(qū)域停電，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。究其原因，大部分是由絕緣交界面氣隙缺陷導(dǎo)致[4-5]。

環(huán)網(wǎng)柜空間狹小、不利于散熱，T 型終端接頭施工工藝復(fù)雜且質(zhì)量難以保證，造成了以下問題：①長(zhǎng)期運(yùn)行在強(qiáng)電場(chǎng)、弱對(duì)流的環(huán)境下，接頭內(nèi)部熱脹冷縮、表面結(jié)垢、氧化或腐蝕，導(dǎo)致絕緣交界面松動(dòng)接觸不良、出現(xiàn)氣隙，引起發(fā)熱、漏電，加劇電纜終端絕緣層的劣化速度[5-6]；②由于生產(chǎn)和安裝的問題，部分環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭處本身就存在一定缺陷，導(dǎo)致接觸電阻、彎曲應(yīng)力過大，在長(zhǎng)期的熱老化和機(jī)械老化作用下，接頭根部松動(dòng)開裂，產(chǎn)生氣隙，最終導(dǎo)致內(nèi)外屏蔽層擊穿[7-8]。

研究電纜絕緣及其接頭附件在復(fù)雜環(huán)境下的電場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布特性，可以揭示其故障缺陷的形成機(jī)理和發(fā)展過程，為電纜接頭故障預(yù)防及抑制提供依據(jù)，為優(yōu)化絕緣材料配方、設(shè)計(jì)安裝結(jié)構(gòu)、開展故障檢測(cè)及診斷提供重要的理論支撐。為此，學(xué)者們開展了一定的研究[9-15]，文獻(xiàn)[12]利用有限元仿真研究了無應(yīng)力管、有空氣隙、有金屬微粒附著及鋼針扎入4 種缺陷下的電纜頭電場(chǎng)分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電纜終端電場(chǎng)分布受應(yīng)力管影響較大，金屬微粒會(huì)導(dǎo)致明顯的局部電場(chǎng)畸變，針尖缺陷的尖端處會(huì)因電場(chǎng)急劇增大而導(dǎo)致絕緣放電。文獻(xiàn)[13]考慮了空間電荷積累及直流配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真分析了10 kV三芯絕緣電纜截面的溫度場(chǎng)和電場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)電纜絕緣層上的電場(chǎng)強(qiáng)度沿半徑方向逐漸降低，電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在導(dǎo)體表面，而當(dāng)電纜絕緣溫差大于10℃時(shí)，電場(chǎng)分布發(fā)生反轉(zhuǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在絕緣外表面。文獻(xiàn)[14]考慮了直流電壓、直流疊加沖擊電壓的作用，仿真分析了不同溫度梯度作用下高壓直流電纜接頭的電場(chǎng)分布，得到其最大場(chǎng)強(qiáng)隨著溫度的升高而增大，而高溫、高電場(chǎng)時(shí)電纜接頭會(huì)出現(xiàn)局部電場(chǎng)畸變。文獻(xiàn)[15]仿真分析了不同導(dǎo)電性硅橡膠下的XLPE 電纜中間接頭電場(chǎng)分布特性，提出利用電導(dǎo)率較大的非線性硅橡膠基復(fù)合材料作為中間接頭絕緣材料，可以改善電纜中間接頭的電場(chǎng)分布。

上述研究對(duì)掌握高壓電纜運(yùn)行特性及故障機(jī)制有參考意義。但是目前針對(duì)T型電纜終端接頭絕緣交界面缺陷特性的研究較少。為獲得T型電纜終端劣化的電場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性，進(jìn)而提出合理有效的監(jiān)測(cè)識(shí)別手段，本研究建立環(huán)網(wǎng)柜用10 kV T 型電纜終端接頭有限元模型，研究絕緣交界面典型氣隙缺陷下，T型終端接頭的電場(chǎng)、溫度場(chǎng)幅值變化規(guī)律及其在電纜室不同位置處的分布特性，并基于此提出可有效反映T型電纜終端接頭劣化的特征量及監(jiān)測(cè)位置。

1 T型電纜終端接頭多物理場(chǎng)仿真模型

1.1 有限元計(jì)算原理

研究T 型電纜終端接頭的電場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布時(shí)，運(yùn)行工況為50 Hz 工頻電壓，實(shí)際運(yùn)行中，傳導(dǎo)電流密度為位移電流密度的107倍，因此位移電流可以忽略不計(jì)。對(duì)于T 型電纜終端接頭，沿電纜終端接頭劣化界面的電場(chǎng)和電位分布受位移電流的影響較大。因此，對(duì)于電場(chǎng)的計(jì)算，本研究選取準(zhǔn)靜電場(chǎng)計(jì)算模型。

由靜電場(chǎng)原理，T 型電纜終端接頭整體電位分布滿足泊松方程，如式（1）所示。當(dāng)電場(chǎng)中無自由移動(dòng)的空間電荷時(shí)，ρ（靜電場(chǎng)中任意一點(diǎn)的電荷密度）為0，拉普拉斯方程成立，如式（2）所示。

式（1）～（2）中：ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；φ為電位；?2為拉普拉斯算子。

求解T 型電纜終端接頭的整體電場(chǎng)分布時(shí)，靜電場(chǎng)變分公式和計(jì)算域單元頂點(diǎn)的電位（Fe(φe)）表達(dá)式分別為式（3）和式（4）所示。

式（3）～（4）中：e表示有限元計(jì)算單元；J表示計(jì)算場(chǎng)域；V表示計(jì)算曲面包圍的空間體積。

Fe(φe)對(duì)φe導(dǎo)數(shù)為0，則可以得到式（5）。進(jìn)一步表示為矩陣的形式，如式（6）所示。

式（6）中，[K]為剛度矩陣，通過求解器的迭代計(jì)算，最終可以求得T型電纜終端接頭的整體電場(chǎng)分布。

為研究T 型電纜終端接頭的電熱耦合問題，根據(jù)麥克斯韋方程，引入矢量磁位A?，對(duì)于有激勵(lì)源存在的電流區(qū)的磁矢量位控制方程為式（7），對(duì)于無激勵(lì)源的非電流區(qū)的磁矢量位控制方程為式（8）。

式（7）～（8）中：ω為角頻率；μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；J?s為外加電流密度。

T 型電纜終端接頭磁場(chǎng)問題，可歸納為式（7）和

式（8）的求解問題，本研究中，給出4 類求解的邊界條件，其中，第一類邊界條件，其磁力線垂直于邊界面，表達(dá)式可寫為式（9），其中n為單位法向矢量；第二類邊界條件，其磁力線平行于邊界面，表達(dá)式可寫為式（10）；第三類邊界條件，具有面電流密度δ?s，如式（11）所示，則表達(dá)式可寫為式（12）。最后一類邊界條件，給定矢量磁位具體數(shù)量值，如式（13）所示，當(dāng)此邊界離電流源較遠(yuǎn)時(shí)，則邊界條件可以近似簡(jiǎn)化為式（14）。

式（9）～（14）中：Γ1、Γ2、Γ3、Γ4分別代表4類邊界條件；H?為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

對(duì)于T 型電纜終端接頭的溫度場(chǎng)計(jì)算，T 型電纜終端接頭屬于固體介質(zhì)，其溫度場(chǎng)滿足的導(dǎo)熱微分方程在直角坐標(biāo)系中可寫為式（15）。

式（15）中：ρ'表示微元體密度；c是比熱容；T為溫度；t是時(shí)間；qv為體積產(chǎn)熱率；λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

本研究的T型電纜終端接頭的溫度場(chǎng)屬于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，而穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程可以簡(jiǎn)化為式（16）。

根據(jù)傳熱學(xué)理論，通常傳熱條件有以下3種：①已知邊界的溫度分布情況，一般采用恒溫邊界條件，表示為式（17），T0為初始已知邊界條件溫度；②已知流體溫度及對(duì)流傳熱情況的邊界條件，控制方程為式（18），Tf為流體溫度，h為對(duì)流換熱系數(shù)；③已知周圍環(huán)境，且產(chǎn)熱和散熱達(dá)到平衡的情況下，其控制方程可以寫為式（19），其中Th為環(huán)境溫度。

本文研究的是T型電纜終端接頭在空氣中的電場(chǎng)及熱場(chǎng)分布，屬于以式（19）為控制方程的邊界條件，此外，根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，T型電纜終端接頭表面的散熱邊界條件可以表示為式（20）。

式（20）中，σ0、ε1分別為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)及表面發(fā)射率。

此外，電纜接頭的電磁場(chǎng)計(jì)算和溫度場(chǎng)計(jì)算是一個(gè)雙向耦合過程。

1.2 多物理場(chǎng)仿真模型

仿真計(jì)算中，以實(shí)際10 kV T 型電纜終端接頭為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)參數(shù)為6/10 kV，其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1 所示，本研究綜合考慮了以下工況：T 型電纜終端接頭尾塞、套管與T型接頭的絕緣交界面有氣隙，以及氣隙嚴(yán)重程度對(duì)其電場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。

圖1 T型電纜終端接頭剖面圖Fig.1 Section of T-type cable joint

參考文獻(xiàn)[12,16-17]的數(shù)據(jù)，本研究有限元計(jì)算的材料物性參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 有限元計(jì)算的材料物性參數(shù)Tab.1 Material physical parameters for finite element calculation

1.3 氣隙缺陷模擬方法

通過幾何建模的方式，在交界面建立截面為1 mm×30 mm 和2 mm×50 mm 的空氣氣隙分別模擬輕度氣隙和中度氣隙，以輕度氣隙為例，模擬結(jié)果如圖2(a)所示。本研究計(jì)算過程中，施加電壓為10/kV，根據(jù)有限元原理的計(jì)算方法，先對(duì)T 型電纜終端接頭的電場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。其中，本研究設(shè)置空氣計(jì)算域?yàn)榄h(huán)境溫度，電纜頭與空氣接觸面為對(duì)流傳熱邊界。計(jì)算完成后，選取交界面、箱體上表面、法蘭底座、上護(hù)套外部4 處典型位置，分析T 型電纜終端接頭的電場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布特性，如圖2(b)所示。

圖2 T型電纜終端接頭電場(chǎng)與溫度場(chǎng)仿真設(shè)置Fig.2 Simulation setting of electric field and temperature field of T-type cable joint

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 電場(chǎng)分布特性仿真結(jié)果及分析

2.1.1 無缺陷整體電場(chǎng)分布

無缺陷T型電纜終端接頭整體的電場(chǎng)分布如圖3 所示。從圖3 可以看出，T 型電纜終端接頭在接地眼處電場(chǎng)強(qiáng)度偏大，交界面電場(chǎng)強(qiáng)度次之，但無缺陷的情況下，交界面電場(chǎng)強(qiáng)度沒有明顯的異常增大情況。

圖3 無缺陷整體電場(chǎng)分布Fig.3 Electric field distribution without defect

根據(jù)不同路徑的電場(chǎng)分布結(jié)果，交界面電場(chǎng)、箱體上表面電場(chǎng)、法蘭底面電場(chǎng)和上護(hù)套外部電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，交界面電場(chǎng)范圍為43.07～162.23 kV/m，箱體上表面電場(chǎng)范圍為3.03～30.37 kV/m，法蘭底面電場(chǎng)范圍為7.00～61.10 kV/m，上護(hù)套外部電場(chǎng)范圍為57.96～218.65 kV/m。其中，交界面電場(chǎng)和上護(hù)套外部電場(chǎng)最大值較大，上護(hù)套外部電場(chǎng)最大值可達(dá)218.65 kV/m，由此可得，交界面和上護(hù)套外部對(duì)絕緣要求更高。

圖4 無缺陷下不同位置的電場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of electric field distribution at different positions without defects

2.1.2 輕度氣隙缺陷整體電場(chǎng)分布

T 型電纜終端接頭在輕度氣隙缺陷下的整體電場(chǎng)分布如圖5 所示。從圖5 可以看出，整體電場(chǎng)分布情況與無缺陷情況相似。

圖5 輕度氣隙缺陷下整體電場(chǎng)分布Fig.5 Electric field distribution with slight air gap defect

根據(jù)不同路徑的電場(chǎng)分布結(jié)果，在輕度氣隙缺陷下交界面電場(chǎng)、箱體上表面電場(chǎng)、法蘭底面電場(chǎng)和上護(hù)套外部電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，交界面電場(chǎng)范圍為41.21～197.77 kV/m，箱體上表面電場(chǎng)范圍為3.03～30.72 kV/m，法蘭底面電場(chǎng)范圍為7.00～61.10 kV/m，上護(hù)套外部電場(chǎng)范圍為56.56～221.09 kV/m。其中，交界面電場(chǎng)和上護(hù)套外部電場(chǎng)最大值仍然較大，上護(hù)套外部電場(chǎng)最大值可達(dá)221.09 kV/m。此外，電場(chǎng)沿仿真路徑均不是均勻分布，與無缺陷情況下較為相似。

圖6 輕度氣隙缺陷不同路徑電場(chǎng)分布結(jié)果Fig.6 Simulation results of electric field distribution at different positions with slight air gap defect

T 型電纜終端接頭在輕度氣隙缺陷與無缺陷情況下電場(chǎng)分布的主要區(qū)別為：交界面電場(chǎng)最大值從162.23 kV/m 增大至197.77 kV/m，增加了21.91%；上護(hù)套外部電場(chǎng)最大值從218.65 kV/m 增大至221.09 kV/m。而箱體上表面電場(chǎng)和法蘭底面電場(chǎng)變化較小。

2.1.3 中度氣隙缺陷整體電場(chǎng)分布

T 型電纜終端接頭在中度氣隙缺陷下的整體電場(chǎng)分布如圖7 所示。從圖7 可以看出，電場(chǎng)分布亦與無缺陷電場(chǎng)分布相似，T 型電纜終端接頭在接地點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度仍偏大，交界面電場(chǎng)強(qiáng)度次之。

圖7 中度氣隙缺陷下整體電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field distribution with moderate air gap defect

根據(jù)不同路徑的電場(chǎng)分布結(jié)果，在中度氣隙缺陷下交界面電場(chǎng)、箱體上表面電場(chǎng)、法蘭底面電場(chǎng)和上護(hù)套外部電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看出，交界面電場(chǎng)范圍為39.72～235.32 kV/m，箱體上表面電場(chǎng)范圍為3.03～30.73 kV/m，法蘭底面電場(chǎng)值范圍為7.00～61.10 kV/m，上護(hù)套外部電場(chǎng)范圍為55.42～220.10 kV/m。其中，交界面電場(chǎng)和上護(hù)套外部電場(chǎng)最大值仍然較大，交界面電場(chǎng)最大值可達(dá)235.32 kV/m。此外，電場(chǎng)沿幾個(gè)仿真路徑均不是均勻分布，與無缺陷和輕度缺陷情況下較為相似。

圖8 中度氣隙缺陷下不同路徑電場(chǎng)分布結(jié)果Fig.8 Simulation results of electric field distribution at different positions with moderate air gap defect

T 型電纜終端接頭在中度氣隙缺陷與無缺陷情況下電場(chǎng)分布的主要區(qū)別為：交界面電場(chǎng)最大值從162.23 kV/m 增大至235.32 kV/m，增加了45.05%；上護(hù)套外部電場(chǎng)最大值從218.65 kV/m 增大至220.10 kV/m。但箱體上表面電場(chǎng)和法蘭底面電場(chǎng)變化仍然較小。

2.2 溫度場(chǎng)分布特性仿真結(jié)果及分析

2.2.1 無缺陷整體溫度場(chǎng)分布

無缺陷T型電纜終端接頭整體的溫度場(chǎng)分布如圖9所示。從圖9可以看出，T型電纜終端接頭在接地眼處溫度高，電纜頭本體溫度次之，環(huán)網(wǎng)柜箱體溫度最低。無缺陷的情況下，交界面溫度場(chǎng)強(qiáng)度沒有明顯的異常增大情況。

圖9 無缺陷整體溫度場(chǎng)分布Fig.9 Temperature field distribution without defect

交界面溫度場(chǎng)、箱體上表面溫度場(chǎng)、法蘭底面溫度場(chǎng)和上護(hù)套外部溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10 可以看出，交界面溫度范圍為30.75～31.12℃、箱體上表面溫度范圍為25.17～29.60℃，法蘭底面溫度范圍為29.59～30.95℃，上護(hù)套外部溫度范圍為30.61～31.20℃。其中，交界面溫度場(chǎng)和上護(hù)套外部溫度場(chǎng)最大值較大，上護(hù)套外部溫度場(chǎng)最大值達(dá)31.20℃。此外，溫度場(chǎng)沿監(jiān)測(cè)路徑均不是均勻分布，交界面溫度場(chǎng)沿法蘭底座方向監(jiān)測(cè)路徑溫度降低，箱體上表面溫度沿法蘭底座方向監(jiān)測(cè)路徑溫度升高，法蘭底面溫度沿監(jiān)測(cè)路徑先升高后降低，上護(hù)套外部溫度場(chǎng)沿法蘭底座方向監(jiān)測(cè)路徑溫度降低。

圖10 無缺陷不同路徑溫度場(chǎng)分布結(jié)果Fig.10 Simulation results of temperature field distribution at different positions without defects

2.2.2 輕度氣隙缺陷整體溫度場(chǎng)分布

T 型電纜終端接頭在輕度氣隙缺陷下的整體溫度場(chǎng)分布如圖11所示。從圖11可以看出，輕度氣隙缺陷下溫度場(chǎng)分布與無缺陷情況下溫度場(chǎng)分布相似，T型電纜終端接頭在接地眼處溫度最高，電纜頭本體溫度次之，環(huán)網(wǎng)柜箱體溫度最低。

圖11 輕度氣隙缺陷下整體溫度場(chǎng)分布Fig.11 Temperature field distribution with slight air gap defect

根據(jù)不同路徑的溫度場(chǎng)分布結(jié)果，在輕度氣隙缺陷下交界面溫度場(chǎng)、箱體上表面溫度場(chǎng)、法蘭底面溫度場(chǎng)和上護(hù)套外部溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖12 所示。從圖12 可以看出，交界面溫度范圍為31.16～31.53℃，箱體上表面溫度范圍為25.23～30.01℃，法蘭底面溫度值范圍為29.95～31.16℃，上護(hù)套外部溫度值范圍為31.01～31.60℃。溫度場(chǎng)沿監(jiān)測(cè)路徑均不是均勻分布，與無缺陷情況下較為相似。

圖12 輕度氣隙缺陷不同路徑溫度場(chǎng)分布結(jié)果Fig.12 Simulation results of temperature field distribution at different positions with slight air gap defect

T 型電纜終端接頭在輕度氣隙缺陷下與無缺陷情況下電場(chǎng)分布的主要區(qū)別為：4 個(gè)分布路徑上，最高溫度值均有所上升，但幅度較小，溫度最大增加值僅為0.41℃。

2.2.3 中度氣隙缺陷整體溫度場(chǎng)分布

T 型電纜終端接頭在中度氣隙缺陷下的整體溫度場(chǎng)分布如圖13 所示。從圖13 可以看出，中度氣隙缺陷下溫度場(chǎng)分布亦與無缺陷情況下溫度場(chǎng)分布相似，T 電纜終端接頭在接地眼處溫度場(chǎng)強(qiáng)度仍偏大，交界面溫度場(chǎng)強(qiáng)度次之。

圖13 中度氣隙缺陷下整體溫度場(chǎng)分布Fig.13 Temperature field distribution with moderate air gap defect

根據(jù)不同路徑的溫度場(chǎng)分布結(jié)果，在中度氣隙缺陷下交界面溫度場(chǎng)、箱體上表面溫度場(chǎng)、法蘭底面溫度場(chǎng)和上護(hù)套外部溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖14 所示。從圖14 可以看出，交界面溫度范圍為31.83～32.20℃，箱體上表面溫度范圍為25.69～30.61℃，法蘭底面溫度范圍為30.54～32.03℃，上護(hù)套外部溫度范圍為31.67～32.25℃。溫度場(chǎng)沿不同路徑分布與輕度氣隙缺陷和無缺陷情況下較為相似。

圖14 中度氣隙缺陷下不同路徑溫度場(chǎng)分布結(jié)果Fig.14 Simulation results of temperature field distribution at different positions with moderate air gap defect

T 型電纜終端接頭在中度氣隙缺陷下與無缺陷下溫度場(chǎng)分布的主要區(qū)別為：4 個(gè)路徑上，最大溫度值亦均有所升高，但幅度也較小，溫度最大增加值為1.10℃。此外，統(tǒng)計(jì)上述數(shù)據(jù)得到溫度的變化幅度在0.68%～3.49%。

3 氣隙受潮狀態(tài)下的電場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布

3.1 氣隙受潮狀態(tài)下的電場(chǎng)分布

上述研究表明氣隙狀態(tài)下的絕緣交界面處最大電場(chǎng)強(qiáng)度不到3 000 kV/m，遠(yuǎn)達(dá)不到空氣擊穿強(qiáng)度，這一方面是由于10 kV 環(huán)網(wǎng)柜T 型接頭施加的電壓較低、電場(chǎng)強(qiáng)度不夠，另一方面是氣隙缺陷未嚴(yán)重到使內(nèi)部發(fā)生局部放電。結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)分析，考慮到長(zhǎng)期氣隙受潮的影響，分析氣隙、水膜、水珠并存時(shí)T 型電纜接頭的多物理場(chǎng)分布特性[18-19]。

模擬氣隙受潮下的多物理場(chǎng)分布，針對(duì)輕度氣隙受潮，設(shè)置了23.5 mm 的水膜和4 個(gè)接觸角為90°的水滴，水滴為半圓形，直徑為3.5～4.5 mm，如圖15 所示。其中，水的相對(duì)介電常數(shù)設(shè)置為81，導(dǎo)熱系數(shù)取常溫下的值（0.599 W/(m·K)），電導(dǎo)率設(shè)置為

圖15 T型電纜終端接頭氣隙受潮模擬Fig.15 Simulation of T-type cable joint with air gap wetting

10 μS/cm。

氣隙受潮情況下，不同典型路徑下的電場(chǎng)分布仿真結(jié)果如圖16 所示。從圖16 可以看出，氣隙受潮情況下，在水滴邊緣出現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度最大值，超過了3 000 kV/m，達(dá)到了空氣的臨界擊穿強(qiáng)度，會(huì)造成局部放電、沿面爬電，從而引發(fā)電纜頭的劣化燒蝕故障。

從圖16 還可以看到，交界面電場(chǎng)范圍為45.31～3 431.98 kV/m，箱體上表面電場(chǎng)范圍為5.81～38.12 kV/m，法蘭底面電場(chǎng)范圍為14.21～77.32 kV/m，上護(hù)套外部電場(chǎng)范圍為99.39～261.75 kV/m。其中，交界面電場(chǎng)最大值較大，達(dá)到了3 431.98 kV/m。此外，電場(chǎng)沿監(jiān)測(cè)路徑分布與氣隙缺陷情況下較為相似。

圖16 氣隙受潮缺陷下不同路徑電場(chǎng)分布結(jié)果Fig.16 Simulation results of electric field distribution at different positions with air gap wetting defect

在氣隙受潮、達(dá)到臨界擊穿的情況下，箱體、法蘭、上護(hù)套處的最大電場(chǎng)強(qiáng)度增幅明顯，其中箱體上表面最大電場(chǎng)增大約26%、法蘭底座最大電場(chǎng)增大約27%、上護(hù)套外部最大電場(chǎng)增大約20%。由此可見，法蘭底座、箱體上表面的電場(chǎng)幅值變化能夠表征氣隙受潮缺陷的臨界情況，且變化幅度較大。

3.2 氣隙受潮狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布

T 型電纜終端接頭在氣隙受潮缺陷下的溫度場(chǎng)分布如圖17 所示。從圖17 可以看出，氣隙受潮缺陷下交界面溫度范圍為46.58～47.45℃，箱體上表面溫度范圍為33.12～43.74℃，法蘭底面溫度范圍為43.21～47.06℃，上護(hù)套外部溫度范圍為46.28～47.52℃。溫度場(chǎng)沿幾個(gè)典型路徑分布和無缺陷情況下較為相似。

圖17 氣隙受潮缺陷下不同路徑溫度場(chǎng)分布結(jié)果Fig.17 Simulation results of temperature field distribution at different positions with air gap wetting defect

從圖17 還可以看到，在氣隙受潮、達(dá)到臨界擊穿的情況下，箱體、法蘭、上護(hù)套處的最高溫度有明顯升高的趨勢(shì)，其中箱體上表面最高溫度值升高了約14.1℃、法蘭座最高溫度值升高了約16.1℃、上護(hù)套外部最高溫度值升高了約16.3℃。綜上，T 型電纜終端接頭在氣隙受潮缺陷下與無缺陷情況下溫度分布的主要區(qū)別為：4 個(gè)典型路徑上，最高溫度值均有約15℃的溫升。

4 結(jié)論

（1）絕緣交界面處電場(chǎng)分布受氣隙缺陷的影響最為顯著，隨著缺陷加劇，電場(chǎng)最大值呈顯著增大趨勢(shì)，輕度缺陷和中度缺陷較無缺陷時(shí)分別增大了21.91%和45.05%

（2）隨著氣隙增大，4 處典型位置處的最高溫度值也呈上升趨勢(shì)，但是相較于電場(chǎng)分布，溫度值的變化幅度較小，升高幅度為0.68%～3.49%。

（3）在氣隙受潮的情況下，氣隙缺陷處會(huì)達(dá)到臨界擊穿，此時(shí)箱體上表面最大電場(chǎng)值增大約26%，法蘭座最大電場(chǎng)值增大約27%，上護(hù)套外部最大電場(chǎng)值增大約20%。

（4）在氣隙受潮、達(dá)到臨界擊穿的情況下，箱體、法蘭、上護(hù)套處的最高溫度明顯升高，其中箱體上表面最高溫度升高約14.1℃，法蘭座最高溫度升高約16.1℃，上護(hù)套外部最高溫度升高增大約16.3℃。

（5）考慮到傳感器的安裝和實(shí)施，在實(shí)際工程中，可通過監(jiān)測(cè)法蘭底座、箱體上表面的電場(chǎng)幅值增量（約20%）以及溫升（約15℃），來反映T 型電纜終端接頭即將出現(xiàn)局部擊穿放電的潛在臨界隱患。