10 kV XLPE電纜缺陷狀態(tài)下的電場分布分析

唐毅博　傅 偉　黃 強(qiáng)　徐 巧　許 望　何宏鵬

(1. 國網(wǎng)浙江松陽縣供電公司， 浙江 松陽 323400;2. 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

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10 kV XLPE電纜缺陷狀態(tài)下的電場分布分析

唐毅博1傅 偉1黃 強(qiáng)1徐 巧1許 望1何宏鵬2

(1. 國網(wǎng)浙江松陽縣供電公司， 浙江 松陽 323400;2. 重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400044)

摘要：建立10 kV XLPE電力電纜故障仿真模型，利用有限元分析法模擬分析電纜正常運(yùn)行、存在氣隙、存在水縫隙、鋼釘扎入等電纜電場情況等。通過幾種仿真分析，認(rèn)為電纜缺陷會導(dǎo)致接地線電場的變化。

關(guān)鍵詞：電力電纜故障； Ansoft仿真； 接地線電場； 有限元法

掌握電纜運(yùn)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。通常電纜故障主要有幾種情況：電纜安裝時導(dǎo)致接頭工藝缺陷及電纜絕緣老化現(xiàn)象; 有缺陷的電纜各層介質(zhì)電場發(fā)生畸變,缺陷嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致絕緣層擊穿;屏蔽層電場的畸變在銅屏蔽層形成產(chǎn)生脈沖電流，并通過接地線流入大地。本次研究針對10 kV XLPE電力電纜故障進(jìn)行仿真分析，利用有限元分析法對電纜缺陷情況進(jìn)行仿真計算，擬為依據(jù)電場測量判斷電纜故障的方法提供借鑒。

1電纜仿真模型的構(gòu)建

1.1電纜周圍電場分布基礎(chǔ)理論

在電纜導(dǎo)體上施加電壓，導(dǎo)體周圍將產(chǎn)生電場。由于工頻電壓下電場隨時間變化緩慢，計算時可按電準(zhǔn)靜態(tài)場來處理。將電力電纜的電場分布簡化為通電直導(dǎo)線周圍的電場分布，實(shí)際的電力電纜長度相對于監(jiān)測點(diǎn)來說，可以看作無限長直導(dǎo)線。設(shè)線電荷τ(x0,y1)在直角坐標(biāo)系中的位置如圖1所示，A0為電勢參考點(diǎn)。該線電荷在任意場點(diǎn)A(x,y)處產(chǎn)生的電勢為：

(1)

式中：r為線電荷τ(x0，y1) 到場點(diǎn)A(x，y)的距離；r0為線電荷τ(x0，y1) 到電勢參考點(diǎn)A0(x0，y0)的距離。由此可以得到相應(yīng)的電位系數(shù)：

圖1　載流導(dǎo)線電場計算模型

由電場強(qiáng)度與電勢之間的梯度關(guān)系可得：

(2)

其中場強(qiáng)系數(shù)為：

1.2電纜電場仿真模型

電纜導(dǎo)體上加載電壓激勵，在導(dǎo)體周圍將產(chǎn)生電場。由于低頻電壓下電場隨時間變化緩慢，分析時可將其近似看做靜電場，靜電場的基本方程如式(3)所示:

(3)

選擇單芯電力電纜(見圖2)，不同的部位所用材質(zhì)不同，所發(fā)揮的作用也不同。線芯是傳導(dǎo)電流的通路，常用的電纜線芯材料是銅或鋁，具有較高的導(dǎo)電性能和較低的線路損耗。絕緣層可以隔斷高壓導(dǎo)體與外界的電氣連接。

圖2　單芯電纜結(jié)構(gòu)圖

采用Ansoft軟件建立的電纜三維仿真模型。圖3所示為電力電纜三維物理模型。圖4所示為電力電纜終端三維物理仿真模型。

圖3　電力電纜三維物理模型

圖4　電力電纜終端三維物理仿真模型

電纜終端參數(shù)如下：銅芯半徑,5.7 mm;絕緣半徑,5.3 mm; 半導(dǎo)體半徑,0.7 mm;銅屏蔽半徑,0.5 mm;鋼帶鎧裝厚度,1 mm;護(hù)套半徑,8 mm。電力電纜銅芯采用的是緊壓銅導(dǎo)體，絕緣層采用的是超凈化交聯(lián)聚乙烯材料，介電常數(shù)為2.25，電導(dǎo)率為0。

210 kV XLPE電纜缺陷仿真分析

2.1電纜正常運(yùn)行時周圍電場仿真分析

根據(jù)實(shí)際電纜模型建立仿真模型，選擇靜電場求解器，內(nèi)層銅芯電壓設(shè)為14 140 V，屏蔽層接地電壓設(shè)為0 V，正常運(yùn)行電纜橫向電場分布及徑向電場分布如圖5所示。

圖5　10 kV XLPE電纜正常運(yùn)行電場分布

越靠近電纜銅芯位置電場強(qiáng)度越大，最大電場強(qiáng)度約為3.6×106Vm，屏蔽層外的電場強(qiáng)度為0 Vm，屏蔽層上電場強(qiáng)度幾乎為0 Vm，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體屏蔽層具有屏蔽電場的作用。由圖5可以確定電纜沿半徑方向的電場變化，銅芯內(nèi)部與屏蔽層外部電場強(qiáng)度為0 Vm，絕緣層電場變化接近直線。

2.2存在氣隙的電纜電場仿真分析

設(shè)置一扇形缺陷,割傷角度為0.174 rad，半徑為3 mm，長度為10 mm。圖6所示為存在氣隙的10 kV XLPE電纜電場分布圖。當(dāng)氣隙靠近銅芯，且破壞半導(dǎo)體屏蔽層時，其仿真結(jié)果如圖6a所示。電纜存在氣隙，導(dǎo)致缺陷附近電場產(chǎn)生了畸變，其中屏蔽層附近電場畸變最為明顯。存在氣隙的電纜沿半徑方向的電場分布曲線如圖6b所示。與電纜正常運(yùn)行相比較，電纜屏蔽層附近電場產(chǎn)生了畸變，屏蔽層電場強(qiáng)度大約為2.6×106Vm。

圖6　存在氣隙的10 kV XLPE電纜電場分布圖

2.3存在水隙的電纜電場仿真分析

將氣隙改成水隙，其他條件不變，其仿真結(jié)果如圖7所示。在水隙條件下整個電纜的電場發(fā)生了畸變，電場強(qiáng)度減弱。從徑向電場分布曲線可以看出，電纜銅芯處徑向電場減弱，至半導(dǎo)體層處電場強(qiáng)度開始增大，在銅屏蔽層處達(dá)到最大值，約為7.5×106Vm。

2.4鋼釘扎入電纜的電場仿真分析

設(shè)計一扇形鋼釘,深為6 mm，厚度為2 mm，幅度為0.087 rad的扇形鋼釘，其仿真結(jié)果如圖8所示。鋼釘扎入電纜主絕緣后，鋼釘附近電場發(fā)生畸變，整個區(qū)域不再是沿銅芯半徑向外電場逐漸減弱，而是在鋼釘針尖處電場強(qiáng)度最大，大約為1.2×107Vm。

3仿真結(jié)果比較

對比電纜不同缺陷的電場仿真結(jié)果：在電纜無缺陷時，電場最大強(qiáng)度出現(xiàn)在電纜絕緣內(nèi)表面，其值為3.6×106Vm屏蔽層及以外的電場強(qiáng)度為0；當(dāng)缺陷為氣隙時，電場主要畸變發(fā)生在屏蔽層，最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在絕緣內(nèi)表面，其值為3.5×106Vm，電纜絕緣外表面電場強(qiáng)度大約為1.2×106Vm，而銅屏蔽層處出現(xiàn)了峰尖，電場強(qiáng)度達(dá)到2.6×106Vm，屏蔽層外部的電場強(qiáng)度仍為0；當(dāng)缺陷為水隙時，徑向電場畸變明顯，電場最大強(qiáng)度點(diǎn)轉(zhuǎn)移到電纜通屏蔽層外表面，其值為7.5×106Vm，主絕緣內(nèi)表面電場強(qiáng)度大約為3.3×106Vm，絕緣外表面電場強(qiáng)度大約為1.0×106Vm；當(dāng)缺陷為鋼釘扎入時，電場最大強(qiáng)度點(diǎn)轉(zhuǎn)移至鋼釘針尖處，其值為1.2×107Vm，電纜主絕緣內(nèi)表面電場強(qiáng)度大約為8.8×106Vm，銅屏蔽層外表面電場強(qiáng)度大約為3.0×105Vm。

圖7　存在水隙缺陷的10 kV XLPE電纜電場分布

綜上所述，3種缺陷電場均有畸變。其中存在氣隙畸變與水隙缺陷時，電纜屏蔽層電場畸變嚴(yán)重，而絕緣層電場畸變較小。當(dāng)電纜有鋼釘扎入時，絕緣層電場畸變明顯，尤其是針尖處。在這種缺陷情況下，若電纜長期運(yùn)行，很可能導(dǎo)致絕緣層擊穿，造成嚴(yán)重危害。尤其值得注意的是在以上3種缺陷條件下，電纜屏蔽層都發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，畸變電場在銅屏蔽層內(nèi)外表面上形成了電勢，銅屏蔽層經(jīng)地線接地，畸變的電場在電纜銅屏蔽層產(chǎn)生脈沖電流，容易發(fā)生局部放電現(xiàn)象。

圖8　鋼釘扎入電纜的橫向電場分布

4結(jié)語

本次研究在有限元仿真分析的基礎(chǔ)上，對比分析電纜在正常運(yùn)行時與存在3種缺陷時的電場分布。分析得出以下結(jié)論：

(1)氣隙對電纜屏蔽層處的電場分布影響較大，絕緣層處電場也發(fā)生畸變，并且越靠近屏蔽層，畸變越明顯。

(2)水隙對整個電場的分布有明顯影響，尤其對屏蔽層處電場分布影響最大，電場在絕緣層呈減弱趨勢，在屏蔽層呈加強(qiáng)趨勢，最大電場強(qiáng)度在屏蔽層外表面。

(3)鋼釘扎入缺陷對電纜的絕緣層電場分布影響最大，長期運(yùn)行容易擊穿絕緣層而導(dǎo)致放電。

(4)3種缺陷狀態(tài)下的仿真結(jié)果顯示，屏蔽層電場均有明顯畸變。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國機(jī)械電子工業(yè)部.額定電壓35kV及以下銅芯、鋁芯紙絕緣電力電纜 (第一部分)：GB 12976.1—1991[S].1991.

[2] DOMELLY K, VARLOW B R. AC Conductivity Effects of Non-linear Fillers in Electrical Insulation[G]2000 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenoment,2000:132-135.

[3] 張龍，張 偉，李銳鵬，等.10 kV XLPE 電纜終端缺陷仿真與電場分析[J]. 絕緣材料，2014,47(4)：83-88.

[4] 韓軒，馬永其. 高壓交聯(lián)電纜終端預(yù)制橡膠應(yīng)力錐的研究進(jìn)展[J]. 絕緣材料，2007，40(4):12 -17.

Analysis on Electric Field Distribution of 10 kV XLPE Cable Defects

TANGYibo1FUWei1HUANGQiang1XUQiao1XUWang1HEHongpeng2

(1.Songyang Power Supply Company of State Grid, Songyang Zhejiang 323400, China;2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology,Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract:Based on the content of 10 kV XLPE power cable fault simulation, this paper focuses on analysis and research on cable electric field conditions of normal operation, existence of air or water gap and steel nail plunging with the help of the finite element analysis simulation. According to cable defects simulation, cable defect will lead to the change of the electric field.

Key words:fault of power cable; Ansoft simulation; electric field of ground wire; finite element

收稿日期：2015-11-02

基金項(xiàng)目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)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：唐毅博(1984 — )，男，廣西桂林人，工程師，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)技術(shù)。

中圖分類號：TM744

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)02-0107-04