微間隙形狀對電纜中間接頭場強分布影響性研究

李如鋒，梁 奕，張軍建，趙習建

(國網(wǎng)邯鄲市供電公司，河北 邯鄲 056000)

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微間隙形狀對電纜中間接頭場強分布影響性研究

李如鋒，梁 奕，張軍建，趙習建

(國網(wǎng)邯鄲市供電公司，河北 邯鄲 056000)

因近年來由電纜中間接頭造成的電纜絕緣擊穿、電纜爆炸的現(xiàn)象屢見不鮮，其中主要原因是局部場強畸變而引起的局部放電，而局部微間隙的存在是造成場強過于集中的主要因素之一，因此針對電纜中間接頭存在不同形狀的局部微間隙進行場強分析是有意義的。通過對含有局部微間隙的電纜中間接頭進行有限元分析求解，結(jié)果表明微間隙存在，會使內(nèi)部場強發(fā)生嚴重畸變，且場強的畸變程序與微間隙的面積成正比關(guān)系；微間隙的面積相同、形狀不同時，對應的場強數(shù)值是不同的，圓斑狀間隙比較于其它間隙形狀時，內(nèi)部場強數(shù)值最小，但應力錐處場強最大；而正方形狀間隙，內(nèi)部場強數(shù)值取到最大值。直接表明局部微間隙形狀對場強分布是有顯著影響的。

電纜中間接頭；局部微間隙；形狀；場強

因交聯(lián)聚乙烯電纜(XLPE)有著傳統(tǒng)電纜更多優(yōu)點，如允許溫度高、介質(zhì)損耗小、電氣強度高、重量輕等，所以被大量使用在城市供電系統(tǒng)中。但是電力電纜的長度受生產(chǎn)技術(shù)，運輸條件和施工等條件限制，在實際生產(chǎn)中需要使用大量的中間接頭。大量運行經(jīng)驗證明，電纜接頭已成為電力電纜供電系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)[1,2]。在安裝的過程中，需要將電纜的內(nèi)、外半導電層和金屬屏蔽層切掉一部分，則使電纜的切斷口處電位的等位面嚴重扭曲，附近的電場過于集中，不僅有沿著電纜接頭長度的軸向分量，還有沿著電纜半徑的徑向分量[2-4]。對近十年來全國XLPE電力電纜運行故障類型和數(shù)量的統(tǒng)計分析表明,電纜中間接頭擊穿故障的比例約占電纜運行故障總數(shù)的31%。其中因多層固體復合介質(zhì)沿面放電原因?qū)е陆宇^擊穿故障約占電纜接頭故障總數(shù)的97%以上[5]。

1 微間隙產(chǎn)生

因現(xiàn)場電纜中間接頭安裝過程中，均采用現(xiàn)場人工手工制作。由于安裝完成后接頭后內(nèi)殘留的微量灰塵、導電微粒、氣隙、水分等雜質(zhì)，這些微雜質(zhì)即是構(gòu)成電纜中間接頭界面存在局部微間隙之一，同時也是潛伏性故障隱患主要因素之一。另外，即使是良好性能的電纜，由于生產(chǎn)過程中的工藝問題，使介質(zhì)層間或介質(zhì)與電極之間或介質(zhì)內(nèi)部留下有小氣隙，或是因為浸漬劑冷卻時收縮或運行中的熱脹冷縮造成小氣隙，又或是介質(zhì)在運行中分解出氣體，形成小氣泡，也或是大氣中的水分侵入后在電場作用下電離造成小氣泡，這些客觀因素的存在，均會使電纜中間接頭界面處存在局部微間隙。

表2 電纜中間不同微間隙尺寸對應場強數(shù)值比較

局部微間隙的存在，則會形成高強度的局部集中電場，而局部場強過高，是放電的產(chǎn)生與發(fā)展的源泉[6]。會極易引發(fā)局部放電， 隨著放電的發(fā)生發(fā)展，電纜本體的絕緣介質(zhì)被分解，會產(chǎn)生有導電性的黑色炭顆粒，逐漸在界面上形成放電通道，由應激效應，更一步引起電場的畸變，最終導致電纜附件絕緣擊穿。因此，對電纜局部微間隙的場強分析討論，是很有必要的。

2 微間隙對場強的影響分析

2.1 微間隙尺寸不同對場強分布影響

為了對定性分析微間隙對場強分布的影響，文中對有限元分析軟件對10 kV電纜中間接頭進行建模，又因電纜中間接頭可視為軸對稱結(jié)構(gòu), 則可以用二維場來計算其內(nèi)部的電場分布[7]，同時由于工頻電壓下電場隨時間變化緩慢，計算時可按電準靜態(tài)場來處理[8]。通過查詢相關(guān)資料，得到電纜中間接頭相關(guān)材料屬性見表1[9]。

表1 電纜中間接頭各材料屬性

圖1 不同間隙場強分布云圖

同時，為了更一步研究圓斑狀間隙尺寸大小對電纜中間接頭應力錐處最大場強、微間隙內(nèi)部最大場強的影響，現(xiàn)羅列出不同尺寸時對應各場強數(shù)值，如表2所示。

從表2中可以看出，當圓斑狀微間隙存在時，會對電纜中間接頭場強產(chǎn)生影響，間隙的存在會對間隙內(nèi)部產(chǎn)生嚴重畸變的場強，間隙內(nèi)部場強數(shù)值隨著間隙尺寸的增大而增大，對應1、4 mm時，場強數(shù)值比無間隙時分別高29.17%、38.17%，且隨著間隙處增大，場強增大幅度則更為顯著，由于應激效應可知，間隙增大致使場強進一步增大，畸變的場強可能使內(nèi)部發(fā)生局部放電，電蝕的作用則使微間隙進一步加大，從而又進步加大場強，久之，會造成內(nèi)部形成碳化通道，進而發(fā)生擊穿。而對應力錐處最大場強數(shù)值分析得知，間隙尺寸比較小時，應力錐處場強數(shù)值比無間隙時要偏大，而隨著尺寸的增大，場強數(shù)值會隨著減小，如間隙為0.5、4 mm時，對應應力錐處場強數(shù)值比無間隙時場強分別高于3.71%、-9.1%。整體上分析，微間隙的存在對改變間隙內(nèi)部場強效果顯著，而對應力錐處場強影響作用相對較小。

2.2 不同微間隙形狀、相同間隙面積對場強分布影響

因外界環(huán)境因素或者是其它客觀因素的不確定性，導致中間接頭存在不同形狀的局部微間隙，現(xiàn)設定局部微間隙為以下不同形狀：圓斑狀、正方形、長方形、橢圓。通過編寫不同APDL程序以實現(xiàn)不同形狀的微間隙，因研究形狀參數(shù)對電纜中間接頭場強分布的影響，設置各不同形狀間隙的面積是一致的，以上小節(jié)面積圓斑尺寸為3 mm時，對應面積為3.14 mm×3 mm×3 mm為基本標準，則微間隙為正方形形狀時，其對應邊長為5.137 mm，但在長方形形狀時，可設長乘寬分別為4 mm×7.1 mm，同時又可令7.1 mm×4 mm，即表2中分別列出不同的長與寬尺寸時，對應的場強數(shù)值，即長方形1，長方形2。同理，在橢圓形狀時，可設長短半軸分別為，則橢圓2長短半軸可設尺寸分別為2.25、4 mm?，F(xiàn)求出各種形狀、面積相同的微間隙的場強分布云圖，如圖2所示。

表3 不同微間隙形狀、相同間隙面積的場強數(shù)值比較

圖2 不同微間隙形狀、相同間隙面積的場強分布云圖

同時，因長方形的長寬、橢圓的長短半軸的不同，則長方形狀、橢圓狀的微間隙對應的場強分布也存在著不同數(shù)值，則針對上述的相同面積，不同形狀的微間隙，得到應力錐處最大場強、微間隙內(nèi)部最大場強值，如表3所示。

由表3得知，在微間隙面積相同的情況下，對應圓斑狀的微間隙其應力錐處場強數(shù)值比其它形狀時場強數(shù)值要大，如比橢圓1場強數(shù)值高4.31%，但微間隙內(nèi)部場強值卻取到最小值；正方形形狀時，間隙內(nèi)部取到最大場強值，比圓斑狀內(nèi)部場強高15.3%；長方形狀微間隙，應力錐處最大場強與長方形的寬有關(guān)，寬度微增使場強也隨著增大，但整體來看,改變長寬比例兩處數(shù)值相差不太大；橢圓狀微間隙時，應力錐處最大場強數(shù)值及微間隙內(nèi)部最大場強值均與橢圓短半軸略相關(guān)，即隨著短半軸的增大，場強數(shù)值也微增?，F(xiàn)總結(jié)以上相同面積而不同形狀的微間隙時，在間隙內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)正方形狀對應間隙內(nèi)部場強最為嚴重，局部場強數(shù)值最高，局部放電的概率較高，其次是橢圓狀，而長方形狀相對影響較??；在應力錐處，圓斑狀的場強達到最大值，可能導致在應力錐處產(chǎn)生電暈或放電。

3 結(jié)論

(1)電纜中間接頭的微間隙存在，會使內(nèi)部場強發(fā)生局部畸變，且場強的畸變程序與微間隙的面積成正比關(guān)系。

(2)微間隙的面積相同、形狀不同時，對應的場強數(shù)值是不同的，圓斑狀間隙比較于其它間隙形狀時，內(nèi)部場強數(shù)值最小，應力錐處場強最大；而正方形狀間隙，內(nèi)部場強數(shù)值取到最大值。

(3)在制作電纜中間接頭或者是機械化生產(chǎn)過程中，盡可能避免產(chǎn)生局部微間隙，特別是間隙形態(tài)為球形或正方體，因局部間隙內(nèi)與應力錐處場強數(shù)值較高，發(fā)生放電機率較大。

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(本文編輯：嚴 加)

Influence of Micro-Gap Shape on Cable Middle Joint Field Strength Distribution

LI Ru-feng, LIANG Yi, ZHANG Jun-jian, ZHAO Xi-jian

(State Grid, Han Dan Electric Power Supply Bureau , Handan 056000, China)

In recent years, the cable insulation breakdown and cable explosions caused by intermediate cable connector are common occurrences, which is mainly due to the partial discharge for the local field strength distortion, and the presence of local micro-gap is mainly responsible for the field strength too focused. The field strength analysis of different shapes of local micro-gap is meaningful. The intermediate cable containing local micro-gap joint is studied by finite element analysis software. The results showed that: 1. a micro gap can make a serious distortion of the internal field, and the field strength is proportional to the area of distortion; 2. with the same micro-gap area and different shape, the corresponding field strength values are different; compared to the other shapes of the gap, the internal field strength value of a round gap is the smallest, but its field strength is strongest at stress cone; the internal field strength of a square-shaped gap can have the maximum value. It is concluded that the different shapes of gaps have a significant influence on field strength distribution.

cable joints; local micro-gap; shape; field strength

10.11973/dlyny201605007

李如鋒(1986)，男，碩士，工程師，從事變壓器檢修工作。

TM247

B

2095-1256(2016)05-0564-04

2016-08-13