單芯電力電纜中間接頭工頻電場分布仿真研究

盛金馬　常 江　謝 濤　李鴻鵬　葛 成　謝雨桐

(1. 國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟技術研究院， 合肥 230022； 2. 國網(wǎng)安徽省電力公司， 合肥 230061；3. 重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室， 重慶 400044)

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單芯電力電纜中間接頭工頻電場分布仿真研究

盛金馬1常 江1謝 濤2李鴻鵬1葛 成1謝雨桐3

(1. 國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟技術研究院， 合肥 230022； 2. 國網(wǎng)安徽省電力公司， 合肥 230061；3. 重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室， 重慶 400044)

摘要：解析預制式單芯電力電纜中間接頭結構，基于Ansoft Maxwell軟件建立了三維單芯電力電纜中間接頭仿真模型，得到中間接頭在正常運行、屏蔽層被破壞及開裂狀態(tài)下的工頻電場分布，提取了電場特征信息。

關鍵詞：單芯電力電纜； 中間接頭； 工頻電場； 狀態(tài)檢測

制造、運輸和施工的過程均具有局限性，每段電力電纜的長度也有限。工程實踐中，需要將數(shù)根電纜連接起來使用，兩段電纜中間的連接附件稱為電纜中間接頭。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電纜中間接頭是電纜最薄弱的環(huán)節(jié)，電纜中間接頭故障占電纜運行故障的70%左右[1-3]。目前電纜故障檢測通常比較被動，往往發(fā)現(xiàn)電力傳輸中斷或異常后才啟動電纜故障檢測，只能進行事后補救[4-6]。如果能夠實現(xiàn)在線檢測，在電纜故障出現(xiàn)的早期進行預警，就能夠及時排除隱患、降低電纜故障率，以確保配電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。

本次研究基于Ansoft Maxwell軟件，仿真分析電纜接頭在正常運行、屏蔽層破壞及整體開裂狀態(tài)下的工頻電場分布，擬為基于電磁場特征的電纜接頭狀態(tài)檢測方法[7-9]提供理論支撐。

1單芯電纜中間接頭結構及常見缺陷

按照安裝方式和使用的絕緣材料來分類，電力電纜中間接頭主要分為冷縮式、熱縮式、預制式等類型。預制式電纜中間接頭制作工藝相對較簡單，安裝方便，并且具有對環(huán)境、運行維護人員影響小等優(yōu)點而得到廣泛應用；因此，本次研究選擇預制式電纜中間接頭進行仿真建模分析。

分別分析10 kV單芯XLPE電纜接頭縱截面和橫截面。圖1 所示為單芯XLPE電纜接頭橫截面結構示意圖，圖2所示為單芯XLPE電纜接頭縱截面結構示意圖[10]。

圖1　單芯XLPE電纜接頭橫截面結構示意圖

圖2　單芯XLPE電纜接頭縱截面結構示意圖

電纜接頭用于實現(xiàn)電纜的延長與接續(xù)，需要保證一定的絕緣性與密封性，以滿足復雜工作環(huán)境的要求，其結構主要包括芯線、絕緣層和屏蔽層。

預制型電力電纜中間接頭的故障缺陷大致可以概括為2類：一類是電力電纜中間接頭內(nèi)部的各個絕緣層的固有缺陷；另一類是在各個絕緣層、屏蔽層間界面上所產(chǎn)生的缺陷。

對電力電纜中間接頭屏蔽層被破壞與接頭處整體開裂這兩種缺陷進行深入研究，探討不同情況下電纜中間接頭表面的工頻電場分布。

2正常運行時電纜中間接頭的電場分布

利用Ansoft Maxwell軟件建立三維仿真模型，如圖3所示。

所建立電纜接頭仿真模型的芯線材料選擇銅材，在Ansoft中選定copper；電力電纜外面的絕緣外皮材料的介電常數(shù)設為4，材料設置為各向同性；電力電纜接頭處絕緣材料的介電常數(shù)設為3，材料設置為各向同性。

圖3　預制式電纜接頭三維仿真模型

正常運行時，電纜中間接頭橫向斷面、縱向斷面的電場分布分別如圖4、圖5所示。

圖4　正常運行時電纜接頭橫向斷面電場分布

圖5　正常運行時電纜接頭縱向斷面電場分布

可以看到，電纜接頭內(nèi)部電場分布較為均勻，結構層次清晰可辨。電纜中間接頭處電場在通過第一層屏蔽罩時大部分被屏蔽，其余透出部分電場強度被電纜中間接頭外部鉛皮屏蔽。電場強度在芯線附近為1.3×106Vm，向外衰減，到鉛皮內(nèi)側約為3.0×105Vm，再到外表面則基本上被屏蔽掉。因此，電纜中間接頭處的屏蔽罩對其電場屏蔽起著至關重要的作用。

3屏蔽層被破壞時電纜中間接頭的電場分布

通過分析電纜中間接頭正常運行時的電場分布情況可知，電纜中間接頭屏蔽層對電場具有顯著的屏蔽作用，正常運行狀態(tài)下電纜表層的電場強度非常微弱。當電纜中間接頭處的屏蔽層被破壞時，將會對電場的屏蔽效果產(chǎn)生較大影響。

圖6、圖7所示分別為電纜接頭屏蔽層被破壞時，電纜中間接頭橫向斷面、縱向斷面的電場分布。

圖6　屏蔽層被破壞時電纜接頭橫向斷面電場分布

圖7　屏蔽層被破壞時電纜接頭縱向斷面電場分布

仿真計算結果顯示，屏蔽罩外側被破壞處的電場強度相比于正常運行情況下的電場強度明顯增大。屏蔽罩的損壞在一定程度上削弱了電場的屏蔽效果，使得外部場強增大。

4接頭開裂時電纜中間接頭的電場分布

電纜中間接頭由兩段電纜對接而成，結構比較脆弱，在運行過程中經(jīng)常承受較強的拉伸、震動等機械應力，時常出現(xiàn)開裂等狀況。在此，我們模擬電纜中間接頭出現(xiàn)開裂的狀況，設電纜中間接頭處的連接管、屏蔽罩、鉛皮與預制件等接頭附件均出現(xiàn)裂口，使得導體線芯直接暴露在空氣中。此時，電纜中間接頭橫向斷面、縱向斷面的電場分布仿真結果分別如圖8、圖9所示。

圖8　電纜接頭開裂時的橫向斷面電場分布

分析可知，當電纜接頭處出現(xiàn)開裂情況時，裂口處的電場強度顯著加大，在接頭外表面處電場強度仍達到105Vm數(shù)量級。在裂口以外的其他區(qū)域，仍受到屏蔽層的屏蔽作用，電場強度有所增大，但是并不明顯。

圖9　電纜接頭開裂時縱向斷面電場分布

5結語

根據(jù)仿真結果分析可知，電纜中間接頭在正常運行狀態(tài)下電場分布較為均勻，層次清晰可辨。由于接頭處有屏蔽罩與鉛皮2層屏蔽層，由芯線至接頭外表面的電場強度衰減，接頭外表面處的電場強度已非常微弱。當電纜中間接頭屏蔽罩被破壞或出現(xiàn)開裂情況時，對屏蔽效果產(chǎn)生較大影響，接頭外表面存在一定強度的電場。

參考文獻

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Simulation Study on Power-Frequency Electric-Field Distribution of Intermediate Joint of Single-Core Power Cable

SHENGJinma1CHANGJiang1XIETao2LIHongpeng1GECheng1XIEYutong3

(1. Research Institute of Economic and Technology, Anhui Electric Power Corporation of State Grid,Hefei 230022, China; 2. Anhui Electric Power Corporation of State Grid, Hefei 230061, China;3. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology,Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract:The structure of the prefabricated intermediate joint of single-core power cable was analyzed in this paper, and the 3D simulation model of the single-core power cable intermediate joint was built based on Ansoft Maxwell. The power-frequency electric-field distributions under the three conditions, i.e. normal operation state, shielding layer destroyed and cracking state, were obtained and the characters of the electric-field distribution were analyzed.

Key words:single-core power cable; intermediate joint; power-frequency electric-field; state detection

收稿日期：2015-11-02

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目“電力電纜接頭狀態(tài)非接觸式檢測原理及方法研究”(CDJXY150008)

作者簡介：盛金馬(1981 — )，男，安徽廬江人，高級工程師，研究方向為輸電線路設計。

中圖分類號：TM154

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)02-0101-03