10 kV XLPE電纜本體缺陷電場仿真分析

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(國網(wǎng)西安供電公司，陜西 西安 710300)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，城市電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)飛速發(fā)展。由于在節(jié)省線路走廊、美化城市環(huán)境等方面的優(yōu)勢，電力電纜已在主要城市得到了廣泛地使用[1]。但是，由于電力電纜故障，所造成電力部門的經(jīng)濟損失是不可小視的，一方面故障后的維修要消耗大量的財力、人力、物力，另一方面，造成電量銷售也將減少，甚至還給相關(guān)行業(yè)帶來一定的經(jīng)濟損失，如交通、居民生活正常運轉(zhuǎn)的影響，以及影響信息傳送、企業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)的正常運轉(zhuǎn)[2]。由南方某城市近5年來發(fā)生的電纜類故障在總故障中所占比例超過50%，2012年電纜類故障占比達(dá)57%。掌握電纜運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)故障隱患，對降低城市地區(qū)10 kV電纜故障率，保障供電可靠性具有重要意義。

對電纜故障的統(tǒng)計表明，其原因以外力破壞和電纜接頭故障為主。研究表明，導(dǎo)致電纜接頭故障主要是安裝時工藝問題導(dǎo)致接頭存在缺陷。有接頭缺陷的電纜投入運行后，缺陷部位電場集中，發(fā)生局部放電(partial discharge,PD)；放電發(fā)展最后導(dǎo)致接頭擊穿。因此配電網(wǎng)電纜維護(hù)中，及時檢測出電纜缺陷，防止電纜局部放電發(fā)展導(dǎo)致接頭擊穿，成為一種可行的提高配電網(wǎng)電纜運行可靠性的有效方法。

下面將運用有限元分析方法對電纜本體受傷情況進(jìn)行具體電場仿真分析，以得到進(jìn)一步結(jié)論，為電纜線路故障分析提供參考。

1 XLPE電纜主要缺陷類型及其原因

(1)電纜絕緣老化

對于10 kV XLPE電纜的老化原因，一般認(rèn)為電樹枝、水樹枝、熱老化的發(fā)生，導(dǎo)致電纜及其附件絕緣性能的降低，且出現(xiàn)頻率較高[3]。

(2)電纜機械損傷

機械損傷的原因主要是直接受外力作用、敷設(shè)過程造成的損壞、自然力造成的損壞等幾個方面[2]。

直接外力作用造成的機械損傷主要是指電纜的鉛護(hù)套(鋁)裂損，其裂損的原因則是施工和交通運輸所造成的損壞(行駛車輛的振動或沖擊性負(fù)荷)。

電纜鋪設(shè)中造成的損壞主要是指在鋪設(shè)中受拉伸或彎曲過大而造成電纜絕緣和護(hù)套的損壞。特別是一些需穿管的電纜，管口兩端的曲率半徑太小導(dǎo)致管口部位絕緣擊穿事故頻繁發(fā)生；另外是以管口邊緣作支點，造成了電纜絕緣嚴(yán)重的內(nèi)部損壞。

自然力會造成電纜護(hù)套裂損，是因為內(nèi)部絕緣膠膨脹作用和中間接頭或終端頭受自然力所造成的。其原因是電纜的自然膨脹和土壤下沉過度所形成的過大拉力拉斷中間接頭或?qū)w以及終端頭瓷套，使電纜附件因受力而斷裂或者破損等。

(3)施工質(zhì)量低

電力電纜線路敷設(shè)施工時受施工的環(huán)境條件、氣候條件以及施工設(shè)備和人員素質(zhì)條件限制，可能會導(dǎo)致出現(xiàn)電纜中端或者終端接頭進(jìn)水、電纜彎曲半徑偏小、電纜附件內(nèi)部進(jìn)入雜質(zhì)和附件安裝誤差等施工質(zhì)量低的情況，這都會形成電纜受潮、電纜金屬屏蔽層崩裂或電纜本體機械應(yīng)力內(nèi)傷等施工失誤，引發(fā)電纜早期運行故障。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示此類故障占電纜總故障的12%，其中絕大部分施工質(zhì)量問題是可以避免的[4]。

(4)過電壓或過負(fù)荷

過電壓[2]引起絕緣擊穿：在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的雷電過電壓和內(nèi)部過電壓均可導(dǎo)致電纜絕緣擊穿，這在過電壓保護(hù)不完善的電纜線路中也會發(fā)生。經(jīng)過對實際事故分析發(fā)現(xiàn)，許多戶外終端頭事故是由雷電過電壓引起的，另外，當(dāng)電力系統(tǒng)中故障發(fā)生時，會引起系統(tǒng)電流增加，當(dāng)電纜絕緣存有缺陷時，則容易在絕緣薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生擊穿事故。

過負(fù)荷導(dǎo)致電纜絕緣損壞：電纜設(shè)備一次性投資較大，一旦投入運行，就不會輕易中斷。然而，隨著經(jīng)濟發(fā)展步伐的加快，已投入運行的電纜經(jīng)常處于臨界滿負(fù)荷運行狀態(tài)，長期滿負(fù)荷或經(jīng)常超負(fù)荷運行的電纜會造成電纜絕緣老化等現(xiàn)象。如果電纜運行環(huán)境惡化，將會加速電纜劣化進(jìn)程，導(dǎo)致電纜缺陷發(fā)展為故障。尤其是制作工藝不良的電纜，電纜的局部溫度上升很快，易發(fā)生絕緣擊穿事故。

(5)生產(chǎn)工藝不合格

電纜制造過程中，原材料要經(jīng)過高溫高壓，冷卻，軋制成型工藝等工序，如果選用的原材料達(dá)不到生產(chǎn)純度質(zhì)量等生產(chǎn)要求，或在高溫高壓中溫度壓力達(dá)不到要求、反應(yīng)不是很完全、混有雜質(zhì)，都可能降低的電纜絕緣層絕緣性能。這樣的電纜運行一定時間，容易發(fā)生擊穿等故障。

6)鼠蟻蟲害的破壞

在電纜敷設(shè)的地區(qū)存在白蟻、老鼠等，這些害畜對電纜產(chǎn)生危害，蛀壞外護(hù)套甚至絕緣層，這些都會造成電纜故障。

2 電纜故障分析

造成故障率逐年上升的原因主要有兩個[5]：①市政施工的增加。由于該地區(qū)近年來經(jīng)濟發(fā)展，城市建設(shè)項目的大量上馬，部分施工單位缺乏電纜保護(hù)意識，施工時野蠻操作，對電纜線路造成了破壞。②電纜進(jìn)入老化。

據(jù)統(tǒng)計，電纜設(shè)備的故障率與使用時間有明顯關(guān)系，故障率與時間相關(guān)曲線稱浴盆曲線，見圖1。曲線可以分為3個段：A稱為早期故障區(qū)，為設(shè)備投入初期，故障率在最初期達(dá)到最大值，很大程度上是由于后續(xù)制造工藝或材料質(zhì)地的缺陷所致；B稱為隨機故障區(qū)，為設(shè)備運行期，故障率隨著時間的變化比較平緩，是由于運行中的異常情況所引起的；C稱為老化所致故障區(qū)，為設(shè)備運行末期，故障率隨使用時間的增加而增大。中國電纜是在20世紀(jì)80年代前后開始投入運行的，這一部分電纜到目前為止已經(jīng)超過或者接近30年，進(jìn)入了電纜運行的末期，因此故障率會有一定程度增加。

圖1 浴盆曲線

機械損傷、鼠蟻蟲害、過電壓這3類電纜故障發(fā)生原因具有一定的突然性，并且從缺陷的產(chǎn)生到引發(fā)電纜故障的時間間隔往往很短，使得故障的突發(fā)性強、不可控性大。對于這3類缺陷較難實現(xiàn)實時檢測和故障預(yù)測。因此該類缺陷不作為本項目的研究范圍。對其他幾類故障發(fā)生原因中，絕緣系統(tǒng)中含有雜質(zhì)，會使絕緣更易產(chǎn)生局部放電，加劇絕緣材料水樹枝與電樹枝的產(chǎn)生，加速電纜的老化。同時在過電壓或者過負(fù)荷情況下，也更容易會使雜質(zhì)缺陷發(fā)展成故障。

由相關(guān)研究數(shù)據(jù)可得到，在電纜本體故障、電纜附件故障中，電纜的本體故障率大約占了30%。這是由于電纜接頭制作工藝的好壞是保證其質(zhì)量的關(guān)鍵，其主要原因是電纜接頭、終端在制作過程中，必須剝?nèi)ヒ欢坞娎|屏蔽層，在制作的過程中可能會對電纜本體絕緣造成損壞，從而使電纜本體絕緣處的電場集中,電場分布極不均勻，這種不均勻的電場分布會產(chǎn)生對絕緣極為不利的切向電場，導(dǎo)致了屏蔽末端處的電場強度急劇增大。隨著運行時間的增加，該處會出現(xiàn)放電現(xiàn)象，最終導(dǎo)致絕緣擊穿[6-7]。因此，電纜接頭、終端在電纜絕緣方面具有很大的重要性。隨著交聯(lián)聚乙烯電纜投運時間增長，運行經(jīng)驗積累，對電纜缺陷的認(rèn)識也日益加深，同時對于電纜接頭、終端等附件在制作過程中主絕緣部分產(chǎn)生的缺陷問題的關(guān)注度愈來愈高。下面就電纜本體在制作過程中出現(xiàn)的典型性缺陷作為對象展開相關(guān)方面的研究。

3 10 kV配電網(wǎng)電纜缺陷電場仿真分析

3.1 電纜終端電場可按靜電場進(jìn)行分析

在波長為3 000 km工頻為50 Hz的交流電壓下，電纜受損本體電極間電壓隨時間的變化是比較緩慢的，極間的絕緣距離遠(yuǎn)比相應(yīng)電磁波的波長小得多。即使在電壓變化較快的1.2/50 μs雷電沖擊電壓作用下，由零升到幅值電壓的時間內(nèi)，雖只行進(jìn)了幾百米距離，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電氣設(shè)備的尺寸(除高壓輸電線和有長導(dǎo)線的線圈類設(shè)備外)。

因此，在任一瞬間的電場電纜終端都可以近似地認(rèn)為是穩(wěn)定的，可以通過靜電場來分析[8]。

3.2 分析工具及算法

對靜電場分布規(guī)律的研究，通常希望能夠定量計算絕緣各部位的電位和電場強度。然而由于各部分的電極形狀、介質(zhì)分布(場邊界條件)是更復(fù)雜的計算，往往會面臨著很多困難，除了一些簡單幾何形狀的電極和介質(zhì)分布外，一般很難用解析計算方法求解，甚至不可能有解決方案。工程常用簡化電極形狀來近似表達(dá)，來估算場域中某部分的解(主要是最大場強值)。近年來，由于計算機的普遍使用，靜電場數(shù)值計算方法得到了廣泛應(yīng)用，一些更復(fù)雜的邊界靜電場問題也都能獲得比較滿意的數(shù)值解。

基于變分原理，有限元法借鑒差分格式思想而發(fā)展起來。靜電場的能量可表示為待定電位函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的積分式，根據(jù)差分法的離散化方法，對積分區(qū)域(即求解場域)D，將它劃分為有限個子區(qū)域(稱為單元)e。然后用這些離散的單元，使靜電場能量近似地表示為有限個節(jié)點電位的函數(shù)。這樣，求靜電場能量極值的變分問題就簡化為多元函數(shù)的極值問題，而后者通常歸結(jié)為有限元方程。最后結(jié)合方程組的具體特點，利用適當(dāng)?shù)拇鷶?shù)方法，求得各節(jié)點電位，就實現(xiàn)了基于變分離散原理解有限元法，與有限差分法求解邊值問題的處理方法有所類似。依據(jù)變分原理，它首先把所需求解的邊值問題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問題，然后利用剖分插值將變分問題離散化為普通多元函數(shù)的極值問題，最終歸結(jié)為一組多元的代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問題的數(shù)值解[9-10]。

3.3 模型建立及剖分

由于仿真的電纜為軸對稱圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，因此，在進(jìn)行建模和分析時，采用二維軸向剖面模型，分析時引入軸向三維考慮因素進(jìn)行分析。這里的分析對象按實際運行電纜結(jié)構(gòu)建立物理模型。分析中，電纜芯和金屬罩施加的電壓為1.00×105V，接地、半導(dǎo)電屏蔽和有限域邊界為0.00 V。

計算依據(jù)為

10 kV×1.10×21/2/31/2=1.00×105V

其中，10 kV為運行的額定電壓；1.10為輸電首末端電壓差，21/2為有效值與峰值換算系數(shù)，1/31/2為相電壓與線電壓換算系數(shù)。

分析中材料的相對介電常數(shù)如表1所示。

4 仿真與結(jié)果分析

根據(jù)某實際運行的電纜結(jié)構(gòu)，建立電纜本體受損模型。電纜上的孔直徑約為1.5 mm，深度為4 mm。分別模擬直接加電壓、在孔中插入平頭銅絲加電壓，以及在孔中插入削尖的銅絲加電壓時的電場變化。

(1)電纜本體只存在孔洞，孔中不含其他雜質(zhì)，建立模型，如圖2所示。

表1 材料的相對介電常數(shù)

圖2 電纜本體存在孔洞模型

經(jīng)過仿真計算的結(jié)果如圖3，孔洞處的電場變化劇烈，在孔底處場強達(dá)到較大值為10 644 V/mm。

圖3 電纜本體孔洞處的局部電場(孔底電場10 644 V/mm)

(2)電纜本體存在孔洞，將平頭銅絲插入孔中，建立模型，如圖4所示。

圖4 平頭銅絲插入電纜孔洞模型

經(jīng)過計算的結(jié)果如圖5，孔洞處的電場變化劇烈，在孔底處場強達(dá)到較大值為8 251 V/mm。

圖5 電纜本體孔洞處的局部電場(孔底電場8 251 V/mm)

3)電纜本體存在孔洞，將尖頭銅絲插入孔中，建立模型，如圖6所示。

圖6 尖頭銅絲插入電纜孔洞模型

經(jīng)過計算的結(jié)果如圖7，最大電場為20 869 V/mm，電場畸變發(fā)生在導(dǎo)線尖頭處。

圖7 電纜本體孔洞處的局部電場(孔底電場20 869 V/mm)

4)結(jié)果分析

電纜本體存在孔隙，而在孔中只有空氣沒有其

他雜質(zhì)，可會引起電場畸變，隨導(dǎo)線所加電壓的增加，孔底的電場強度會隨之增加，在電壓較低時，孔隙電場強度不大，將不會有局部放電現(xiàn)象，當(dāng)增加電纜負(fù)載電壓時，孔底電場強度也會變大，當(dāng)比空氣擊穿場強時，就造成了局部放電的發(fā)生。

將平頭銅絲插入孔洞中，電場畸變的程度比只存在孔的電纜大，但由于銅作為良導(dǎo)體，改善了孔中的電場，使電場趨于均勻，增加其產(chǎn)生局部放電的可能性。

尖頭銅絲插入孔洞時，電場畸變最強烈，銅絲尖頭處模擬計算中電場達(dá)到了20 000 V/mm以上，是因為尖頭周圍存在空氣，會產(chǎn)生強烈的局部放電。

5 結(jié) 論

根據(jù)仿真計算結(jié)果，進(jìn)行缺陷模擬試驗。在試驗中制作相同缺陷，對缺陷電纜施加工作電壓，通過局部放電檢測設(shè)備和紅外成像溫度檢測設(shè)備對電纜的運行情況進(jìn)行檢測。通過試驗來驗證仿真計算結(jié)果，并能掌握其故障過程中的檢測數(shù)據(jù)，可作為今后電纜檢測中的參考數(shù)據(jù)，對缺陷及早發(fā)現(xiàn)，及時預(yù)防；獲取不同缺陷導(dǎo)致故障的放電痕跡，尋找其差異，為今后電纜線路故障分析提供參考依據(jù)。

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