10 kV XLPE 電纜中間接頭復(fù)合缺陷電場(chǎng)分布仿真研究

鄧鎵屹,王星華,聶一雄

(廣東工業(yè)大學(xué) 電氣工程系,廣州 510006)

0 引 言

電纜中間接頭是電纜故障頻發(fā)的部位,因安裝缺陷導(dǎo)致的局部放電是絕緣劣化的開(kāi)端。為提高電纜運(yùn)行的可靠性,通常采用人工施加缺陷或耐壓試驗(yàn)進(jìn)行絕緣劣化研究,但預(yù)試驗(yàn)耗時(shí)費(fèi)力且結(jié)果缺乏系統(tǒng)性。近年來(lái),利用有限元軟件對(duì)電纜中間接頭進(jìn)行分析,對(duì)了解中間接頭內(nèi)部的電場(chǎng)分布具有重要意義。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電纜中間接頭的電場(chǎng)分布及其自身缺陷對(duì)電場(chǎng)分布影響的研究已取得初步結(jié)論。嚴(yán)有祥等[1]求解了±320 kV 直流交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜中間接頭的電場(chǎng)分布;文獻(xiàn)[2-4]研究了水分缺陷和雜質(zhì)對(duì)中間接頭內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響;ILLIAS H A 等[5]研究了缺陷尺寸、位置等參數(shù)對(duì)接頭電場(chǎng)分布的影響。

在安裝電纜接頭時(shí),因操作導(dǎo)致的割痕、氣隙等多種缺陷同時(shí)存在的情況不可避免,而此類(lèi)基于有限元分析的研究較少。黨衛(wèi)軍等[6]研究了劃傷、雜質(zhì)和毛刺3 種缺陷,但當(dāng)不對(duì)稱(chēng)缺陷存在于電纜中間接頭時(shí),未考慮復(fù)合缺陷對(duì)電場(chǎng)分布的影響;胡新宇等[7]利用COMSOL 軟件對(duì)復(fù)合缺陷進(jìn)行了分析;ILLIAS H A 等[8]建立了電纜終端的模型,考慮空隙、尖銷(xiāo)及絕緣體與應(yīng)力錐之間的分層缺陷,研究了不同的空穴位置、材料介電常數(shù)等對(duì)電場(chǎng)大小的影響,但兩者均是基于2D 模型下的分析。采用2D模型進(jìn)行計(jì)算可縮短求解時(shí)間,但2D 模型求解的結(jié)果不能準(zhǔn)確模擬真實(shí)的中間接頭電場(chǎng)分布。文獻(xiàn)[9-13]分別在2D 和3D 模型下對(duì)導(dǎo)電顆粒、劃痕等典型單一缺陷進(jìn)行了仿真分析,但未考慮實(shí)際中可能出現(xiàn)的多種復(fù)合缺陷。

本工作從模型維數(shù)的選擇和缺陷的復(fù)雜程度兩個(gè)角度,比較了2D 和3D 模型的計(jì)算結(jié)果,選擇3D模型進(jìn)行分析。模型不僅設(shè)置了針尖、受潮等典型單一缺陷,還結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程引入多種復(fù)合缺陷的組合,采用有限元分析軟件對(duì)電纜中間接頭內(nèi)部電場(chǎng)分布進(jìn)行分析和比較。

1 有限元分析原理

有限元法是求解偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的一種數(shù)值計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)的電力電纜是在50 Hz 工頻交流電壓環(huán)境下運(yùn)行的,其中,電場(chǎng)隨時(shí)間的變化較緩慢,可按電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)來(lái)處理[9],由電磁場(chǎng)理論可知,其基本微分方程為

式中:Δ為哈密頓算子;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;J為電流密度;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;D為電位移矢量;ρ為自由電荷的體密度。

對(duì)于各向同性的電介質(zhì),其計(jì)算公式為

式中:γ為電導(dǎo)率;ε為相對(duì)介電常數(shù);E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

由矢量計(jì)算公式可得

把公式(2)、公式(3)、公式(4)代入公式(5)得到

式中:ω為角速度;j為虛數(shù)符號(hào)。

由上述分析可知,在電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)中,介電常數(shù)ε和電導(dǎo)率γ是影響電場(chǎng)分布的兩個(gè)主要因素。

2 電纜中間接頭模型

本工作建立的的電纜中間接頭結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 電纜中間接頭結(jié)構(gòu)示意圖

纜芯處設(shè)置電壓為10 kV,外護(hù)套電位為零,求解器設(shè)為靜電場(chǎng)。纜芯材料采用銅,其相對(duì)介電常數(shù)為 1,電導(dǎo)率為 5.8 × 107S·m-1,半徑為10.25 mm,長(zhǎng)度為400 mm;XLPE 絕緣層相對(duì)介電常數(shù)為2.5,電導(dǎo)率為1 × 10-13S·m-1,厚度為4.5 mm,長(zhǎng)度為170 mm,模型中的其余參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 中間接頭模型參數(shù)

3 仿真維數(shù)的選擇

由于2D 模型和3D 模型在求解時(shí)間上存在很大的差異,模型維數(shù)選擇是否恰當(dāng)決定了計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短,且不同缺陷類(lèi)型的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)的電場(chǎng)分布也有著較大區(qū)別。在2D 模型和3D 模型下XLPE 層的同一位置(深度為4 mm 和3.5 mm)設(shè)置尖端缺陷,得到的尖端缺陷電場(chǎng)分布云圖分別見(jiàn)圖2 和圖3。從計(jì)算數(shù)值可以看出,3D 模型下的尖端處的電場(chǎng)強(qiáng)度求解精度比2D 模型高。

圖2 2D 模型下XLPE 存在尖端缺陷

圖3 3D 模型下XLPE 存在尖端缺陷

同理,可以作出不同維數(shù)的模型下,中間接頭存在其他不對(duì)稱(chēng)缺陷、對(duì)稱(chēng)缺陷時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線(xiàn),見(jiàn)圖4 和圖5。

圖4 不對(duì)稱(chēng)缺陷下2D 與3D 模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖5 對(duì)稱(chēng)缺陷下2D 與3D 模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖4 可知,對(duì)于尖端、氣隙等破壞接頭對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的缺陷類(lèi)型,采用2D 模型求解的精度較低。由圖4 和圖5 可知,對(duì)于連接管、主絕緣回縮等沒(méi)有破壞中間接頭對(duì)稱(chēng)性的缺陷,2D 與3D 求解的結(jié)果相差不大。整體上,3D 模型計(jì)算的精度高于2D 模型,更能反映真實(shí)的電場(chǎng)分布情況。因此,本工作采用3D 模型進(jìn)行求解。

4 缺陷設(shè)置

在電纜中間接頭的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝過(guò)程中,常見(jiàn)的幾種缺陷有:①半導(dǎo)電層未打磨干凈,連接導(dǎo)體時(shí)金屬碎屑掉落,在絕緣表面有金屬顆粒殘留;②中間接頭安裝不準(zhǔn)確,主絕緣脫離了屏蔽管的覆蓋范圍,形成環(huán)形氣隙;③過(guò)度打磨半導(dǎo)電層形成割痕,或因進(jìn)刀深度過(guò)大形成環(huán)切尖端;④XLPE 沒(méi)有被硅橡膠完全密封,水分泄漏到界面上的小間隙中產(chǎn)生水膜缺陷。

當(dāng)存在這些缺陷時(shí),中間接頭內(nèi)部的電場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變,從而會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象,降低電纜接頭的運(yùn)行壽命。本工作分別設(shè)置無(wú)缺陷、單一典型缺陷和復(fù)合典型缺陷等3 種情況,并對(duì)電纜中間接頭內(nèi)部電場(chǎng)分布進(jìn)行分析。

4.1 無(wú)缺陷

對(duì)于無(wú)缺陷的電纜中間接頭,其內(nèi)部電場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)缺陷電纜中間接頭電場(chǎng)分布云圖

由圖6 可以看出,電場(chǎng)強(qiáng)度由內(nèi)而外逐漸減小,最大電場(chǎng)強(qiáng)度位于主絕緣和導(dǎo)體接觸的部位,電場(chǎng)強(qiáng)度為1.45～1.61 MV·m-1,應(yīng)力錐處的電場(chǎng)分布均勻;電場(chǎng)強(qiáng)度為0.96～1.29 MV·m-1,未出現(xiàn)電場(chǎng)畸變的現(xiàn)象,試驗(yàn)表明應(yīng)力錐起到均勻電場(chǎng)的作用,其余部位的電場(chǎng)分布均勻,說(shuō)明電纜中間接頭無(wú)缺陷條件下的電場(chǎng)分布均勻。

4.2 單一典型缺陷

電纜中間接頭在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中容易產(chǎn)生氣隙、尖端、導(dǎo)電顆粒嵌入等典型的微小缺陷。主絕緣存在單一缺陷的徑向電場(chǎng)分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 主絕緣存在不同缺陷和無(wú)缺陷時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

由圖7 可以看出,存在缺陷的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)發(fā)生了不同程度的畸變。以針尖缺陷為例,尖端缺陷在徑向 17 mm 處的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了峰值2.95 MV·m-1,是正常值0.99 MV·m-1的2.97 倍。主絕緣存在尖端缺陷時(shí)的電場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖8,由圖8 可以看出,在其針尖尖端處的電場(chǎng)較為集中。

圖8 主絕緣存在尖端缺陷的電場(chǎng)分布云圖

4.3 復(fù)合典型缺陷

在中間接頭實(shí)際安裝過(guò)程中,需要?jiǎng)兦须娎|本體的銅屏蔽層和半導(dǎo)電層,可能有金屬粉末、半導(dǎo)電微粒附著在主絕緣或空氣進(jìn)入主絕緣的情況。由此很難保證缺陷只存在于一個(gè)部位,中間接頭內(nèi)部也可能會(huì)同時(shí)存在多種缺陷,以下就接頭內(nèi)部存在復(fù)合缺陷時(shí)對(duì)電場(chǎng)分布的影響進(jìn)行分析。

在剝離絕緣層時(shí)操作人員對(duì)進(jìn)刀深度的把握較難控制。因此,存在缺陷時(shí)的長(zhǎng)度不同。考慮到不同的缺陷長(zhǎng)度,受潮缺陷的設(shè)置見(jiàn)圖9。

圖9 XLPE 層不同深度的受潮缺陷設(shè)置

不同深度缺陷的電場(chǎng)強(qiáng)度與其嵌入長(zhǎng)度的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。

圖10 缺陷深度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

由圖10 可以看出,缺陷周?chē)碾妶?chǎng)強(qiáng)度隨著深度的加深而不同。

另外,分別在硅橡膠、XLPE 和連接管處設(shè)置尖端和氣隙缺陷,利用鐵釘模型模擬尖端特性,長(zhǎng)度為1 mm,相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率分別為1 和1.03×;用長(zhǎng)度為4 mm、半徑為0.5 mm 的圓柱模擬氣隙缺陷,尖端缺陷和氣隙缺陷的電場(chǎng)分布云圖分別見(jiàn)圖11 和圖12。

圖11 主絕緣和連接管存在尖端缺陷的電場(chǎng)云圖

圖12 主絕緣和連接管存在氣隙缺陷的電場(chǎng)云圖

由圖11 可以看出,在主絕緣缺陷的尖端處,電場(chǎng)發(fā)生了嚴(yán)重的畸變;由圖12 可以看出,氣隙周?chē)碾妶?chǎng)分布已不再均勻。由能帶理論可知,帶電尖端導(dǎo)體內(nèi)較高能量的自由電荷勢(shì)必優(yōu)先占據(jù)其尖端部位較低的能級(jí),然后再占據(jù)其他較高的能級(jí)部位。當(dāng)導(dǎo)電尖端帶正電時(shí),其尖端面積非常小,而周?chē)碾姾擅芏容^大。因此,導(dǎo)電尖端處具有非常大的電場(chǎng)強(qiáng)度,必然產(chǎn)生尖端放電。通常,為避免主絕緣發(fā)生局部放電現(xiàn)象,要求其表面沿軸向的電場(chǎng)強(qiáng)度(En)不大于0.3 MV·m-1,而此時(shí)XLPE 尖端處最大電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了2.76 MV·m-1,計(jì)算值遠(yuǎn)大于En。因此,在其尖端周?chē)鷷?huì)發(fā)生局部放電現(xiàn)象,如果不加以處理,最終將導(dǎo)致絕緣擊穿。

以上只是各種復(fù)合缺陷的其中一種情況,為方便統(tǒng)計(jì)分析,記中間接頭內(nèi)部集中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為Emax,各復(fù)合缺陷類(lèi)型符號(hào)見(jiàn)表2。

表2 缺陷類(lèi)型簡(jiǎn)記符號(hào)

A3、B1缺陷的設(shè)置見(jiàn)圖13。圖13 中氣隙缺陷用半徑為0.5 mm、長(zhǎng)度為10 mm 的圓柱代替,相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率分別設(shè)置為1.006 和0 S·m-1,其局部電場(chǎng)分布云圖見(jiàn)圖14。

圖13 A3、B1 缺陷設(shè)置

圖14 A3、B1 缺陷電場(chǎng)云圖

由圖14 可以看出,缺陷周?chē)碾妶?chǎng)已不再均勻分布,電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在XLPE 氣隙處,為1.3 MV·m-1。中間接頭內(nèi)部存在復(fù)合缺陷的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖15,其中4 種主要的復(fù)合缺陷分別為:A1、A3缺陷;A1、B1、C1缺陷;A3、B1、C2缺陷和A3、B3、C3缺陷。

圖15 復(fù)合缺陷電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線(xiàn)圖

由圖15 可知,上述4 種主要復(fù)合缺陷的Emax分別為2.55,3.35,1.26,1.17 MV·m-1,出現(xiàn)的位置分別為XLPE 層、連接管、連接管和XLPE 層。上述4 種情況下的Emax均遠(yuǎn)大于En,可能發(fā)生局部放電現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)大量計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)XLPE 主絕緣被損傷時(shí),其破壞點(diǎn)是電場(chǎng)強(qiáng)度較集中的部位;當(dāng)中間接頭內(nèi)部的主絕緣存在導(dǎo)電尖端時(shí),其周?chē)膱?chǎng)強(qiáng)普遍高于其他缺陷類(lèi)型,這是因?yàn)殡娊橘|(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度E與相對(duì)介電常數(shù)ε成反比[14]。ILLIAS H A等[8]的研究也證實(shí)電纜附件內(nèi)部電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)越大,其場(chǎng)強(qiáng)越小。本工作導(dǎo)電的ε為1,而主絕緣的ε為2.5,ε由2.5 突變?yōu)?,尖端處的電場(chǎng)強(qiáng)度高于主絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度,電場(chǎng)發(fā)生了極其嚴(yán)重的畸變,導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象的發(fā)生。

考慮到空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度(Ea)為30 kV·cm-1,若在硅橡膠、XLPE 等部位存在氣隙且其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度接近或高于Ea時(shí)(如:A1、A3和A1、B3等缺陷),就可能形成局部放電現(xiàn)象,從而逐漸導(dǎo)致絕緣失效。因此,中間接頭安裝時(shí)應(yīng)避免空氣進(jìn)入主絕緣。

各種復(fù)合缺陷時(shí),中間接頭內(nèi)部最大電場(chǎng)強(qiáng)度及其位置數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 中間接頭內(nèi)部最大電場(chǎng)強(qiáng)度及其位置

由表3 可知,中間接頭內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值均大于En,在其周?chē)鷷?huì)發(fā)生局部放電現(xiàn)象,久而久之形成電樹(shù)枝并逐漸使絕緣材料劣化、失效,最終導(dǎo)致嚴(yán)重的絕緣擊穿,甚至發(fā)生爆炸事故。

5 結(jié) 論

本工作通過(guò)建立電纜中間接頭的3D 模型,討論了復(fù)合缺陷下的模型維數(shù)選擇和復(fù)合缺陷對(duì)接頭內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響?；诜治龇抡娼Y(jié)果,得出以下結(jié)論。

1)對(duì)于仿真模型維數(shù)的選擇,無(wú)論缺陷對(duì)稱(chēng)與否,采用3D 模型求解更能反映真實(shí)的電場(chǎng)分布。

2)電纜中間接頭無(wú)缺陷時(shí),內(nèi)部電場(chǎng)均勻分布,電場(chǎng)主要集中在導(dǎo)體和主絕緣的交界處,電場(chǎng)強(qiáng)度為1.45～1.61 MV·m-1。

3)在中間接頭的主絕緣存在單一缺陷時(shí),尖端缺陷的電場(chǎng)強(qiáng)度普遍高于氣隙、割痕等缺陷。

4)中間接頭內(nèi)部主絕緣存在復(fù)合缺陷時(shí),尖端和氣隙缺陷的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著嵌入深度的加深而不同,呈現(xiàn)上升趨勢(shì);由于相對(duì)介電常數(shù)的突變,導(dǎo)電尖端處的電場(chǎng)強(qiáng)度普遍高于其他類(lèi)型的缺陷,是電場(chǎng)集中的部位,其周?chē)妶?chǎng)發(fā)生了極其嚴(yán)重的畸變,電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定范圍,不加以處理最終將導(dǎo)致絕緣擊穿。

根據(jù)上述分析,并結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)安裝電纜中間接頭時(shí)可能出現(xiàn)的情況,提出以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng):避免硅橡膠、XLPE 主絕緣層割傷或因剝離不整齊而存在于導(dǎo)電尖端;避免空氣進(jìn)入主絕緣內(nèi)部,切勿在潮濕環(huán)境中安裝,以避免絕緣受潮;安裝時(shí),應(yīng)做好絕緣清潔,避免駁接時(shí)有導(dǎo)電顆粒殘留或金屬絲嵌入中間接頭內(nèi)部;把握好剝切半導(dǎo)電層的進(jìn)刀深度,避免導(dǎo)體產(chǎn)生毛刺。