水分對XLPE電纜中間接頭電場和擊穿電壓的影響

方春華， 葉小源， 楊司齊， 丁 璨， 普子恒

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對電力的需求逐年上升，電力電纜作為輸 配電網(wǎng)的重要組成部分也得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1，2]，電纜事故出現(xiàn)的頻率越來越高[3-5]。根據(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn)，電纜接頭受潮是最容易誘發(fā)事故的缺陷[6，7]，而電纜中間接頭在施工前存放于露天環(huán)境中，電纜敷設(shè)方式不當(dāng)導(dǎo)致電纜外護(hù)層弄破；電纜長期運(yùn)行中，電纜接頭絕緣材料膨脹與收縮導(dǎo)致絕緣層間產(chǎn)生間隙均可能導(dǎo)致接頭受潮，特別是南方沿海城市，多臺風(fēng)暴雨，電纜進(jìn)水是常見故障，研究接頭受潮對接頭電氣性能的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前對電纜接頭受潮的研究主要包括長期處于受潮環(huán)境中的材料絕緣性能的變化[8，9]、受潮的預(yù)防，檢測，診斷以及受潮后的處理方法[10，11]、水樹的形成機(jī)理[12]、水樹伴隨的材料老化[13，14]等方面，水樹在受潮的環(huán)境中緩慢生長，不會直接導(dǎo)致絕緣層擊穿，材料劣化也需要時(shí)間[15]，但工程中某些受潮電纜在很短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了接頭被破壞的現(xiàn)象，這種情況水樹或材料的絕緣性能變化并不能解釋。這是因?yàn)槭艹毙纬伤ず?，會使電場分布發(fā)生變化，受潮位置附近電荷可能會聚集，造成局部場強(qiáng)增大，發(fā)生嚴(yán)重的電場畸變，電場畸變則會導(dǎo)致電場的不均勻程度增加從而更易被擊穿。但目前就水分本身對接頭電場分布影響的研究較少，比如文獻(xiàn)[16]對主絕緣外側(cè)受潮時(shí)的電場分布進(jìn)行了一個初步的探究，但是對受潮接頭的電場研究大多是研究接頭缺陷時(shí)的一個分支，對不同位置，含水量的多少等因素沒有具體的分析。

關(guān)于電纜接頭進(jìn)水的具體位置，季節(jié)、負(fù)荷等因素的變化會使電纜熱脹冷縮[17]，電纜本體與中間接頭之間的形變程度存在差異，主絕緣外側(cè)的復(fù)合界面密封性變差，進(jìn)入電纜接頭的水分容易集中于此[18]。此外，電纜在敷設(shè)過程中通過有水的電纜溝、電纜井、電纜通道的時(shí)候，如遇護(hù)層或電纜頭套破損會導(dǎo)致電纜線芯進(jìn)水，有可能會滲透至接頭內(nèi)的導(dǎo)體外側(cè)[19]，受潮較嚴(yán)重時(shí)會在相應(yīng)位置產(chǎn)生水膜。

由于電纜的工作頻率為恒定的50 Hz，因此接頭各部位的電場是穩(wěn)定的準(zhǔn)靜態(tài)場，可使用靜電場相關(guān)公式進(jìn)行理論計(jì)算[20]，通過多物理場仿真軟件建立1∶1的10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜中間接頭模型，在主絕緣外側(cè)和導(dǎo)體外側(cè)不同位置設(shè)置不同大小的水膜模擬實(shí)際接頭受潮的情況。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了受潮后的擊穿電壓變化情況，可進(jìn)一步分析中間接頭受潮時(shí)更易發(fā)生擊穿事故的原因。

1 中間接頭模型建立

1.1 中間接頭三維模型

使用某廠家生產(chǎn)的10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜中間接頭采用1∶1的比例建模，如圖1(a)所示，接頭的銅網(wǎng)，半導(dǎo)電層和硅脂層較薄，其局部的放大圖如圖1(b)所示。

圖1 中間接頭三維模型Fig.1 Three dimensional model of intermediate cable joint

1.2 中間接頭參數(shù)設(shè)置

中間接頭仿真模型的材料參數(shù)如表1所示。

表1 中間接頭模型參數(shù)設(shè)置

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

2 仿真結(jié)果分析

2.1 正常中間接頭電場分布

正常情況下，以主絕緣外側(cè)半導(dǎo)電層和硅脂交界處記為0 mm，以靠近接頭中心的方向?yàn)檎较颍娎|接頭的電場如圖2所示。

圖2 正常情況下的電場分布Fig.2 Electric field distribution under normal conditions

由圖2可知，無缺陷中間接頭最大場強(qiáng)為1.29 MV/m，出現(xiàn)在XLPE絕緣的內(nèi)側(cè)；應(yīng)力錐與主絕緣交界處(0～30 mm)的平均場強(qiáng)為0.46 MV/m；硅橡膠與主絕緣交界處(40～90 mm)的平均場強(qiáng)為0.22 MV/m，應(yīng)力錐具有屏蔽電場的作用，導(dǎo)致前者電勢差高于后者。導(dǎo)體外側(cè)電場為1.03×10-3～3.05×10-3MV/m，這是由于內(nèi)半導(dǎo)電層的介電常數(shù)較大，半導(dǎo)電層上下側(cè)電勢差較低。

2.2 主絕緣外側(cè)受潮

2.2.1 單個小片水膜

設(shè)置5 mm×5 mm×0.2 mm水膜模擬單個小片水膜處于主絕緣外側(cè)不同位置，電場分布如圖3所示。

圖3 存在單個小片水膜時(shí)的電場分布Fig.3 Electric field distribution in presence of a single small piece of water film

由圖3可得，主絕緣外側(cè)水膜處電場會明顯減小，不同位置減小的程度不一樣，在0 mm，30 mm，60 mm，90 mm處電場分別減小80%，70%，65%，40%。且水膜的存在會導(dǎo)致主絕緣外側(cè)無水膜處的電場增大，增大幅度為0.06～0.07 MV/m。

由以上數(shù)據(jù)可知：單個小片水膜處電場急劇減小，這是由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于復(fù)合界面的硅脂所致，且水膜越靠近接頭中間，畸變程度就越小。水膜周圍電場由于水膜的電勢差降低而增大，電場強(qiáng)度普遍達(dá)到正常情況的1.15倍以上，且主絕緣外側(cè)電場畸變的程度和位置關(guān)系不大。

2.2.2 多個小片水膜

設(shè)置5 mm×5 mm×0.2 mm的水膜按間距30 mm和間距10 mm分別放置在主絕緣外側(cè)的復(fù)合界面，模擬由多個小片水膜引起的主絕緣外側(cè)受潮，電場分布情況如圖4所示。

圖4 存在多個小片水膜時(shí)的電場分布Fig.4 Electric field distribution in presence of multiple small water films

由圖4可知，復(fù)合界面存在30 mm間距水膜時(shí)，0～30 mm平均場強(qiáng)為0.57 MV/m，40～90 mm平均場強(qiáng)為0.30 MV/m；水膜間距為10 mm時(shí)，0～30 mm位置電場峰值達(dá)到了0.7 MV/m，40～90 mm位置電場峰值達(dá)到了0.36 MV/m。在多個小片水膜的接頭中，水膜處的電場強(qiáng)度同樣急劇減少，其減小程度與單個水膜幾乎相同。

主絕緣外側(cè)存在多片水膜時(shí)，電場畸變程度比單個水膜時(shí)更加嚴(yán)重，且水膜的數(shù)量越多，畸變程度就越大。水膜處電場降低程度與單個水膜差別不大，場強(qiáng)為正常時(shí)的20%～60%。但水膜周圍電場的增大程度相對于單個水膜時(shí)更加嚴(yán)重，其中，30 mm間距時(shí)周圍電場達(dá)到了正常情況的1.2～1.4倍；10 mm間距時(shí)則達(dá)到了1.5～1.6倍，復(fù)合界面更易被擊穿。

2.2.3 不同位置的大面積水膜

當(dāng)接頭進(jìn)水較多時(shí)會在一片區(qū)域內(nèi)形成大面積的水膜，此時(shí)電纜的受潮就達(dá)到了非常嚴(yán)重的程度。通過在主絕緣外側(cè)，設(shè)置一個覆蓋面積達(dá)到930 mm2水膜，模擬由不同位置的大面積水膜引起的主絕緣外側(cè)受潮，分別覆蓋主絕緣外側(cè)0～20 mm、20～40 mm、40～60 mm、70～90 mm位置，電場分布如圖5所示。

圖5 不同位置存在水膜時(shí)的電場分布Fig.5 Electric field distribution in different positions with water film

由圖5(a)可知水膜周圍的復(fù)合界面上電場明顯增大，在20～40 mm、40～60 mm、70～90 mm時(shí)最大場強(qiáng)分別達(dá)到了2.78 MV/m、2.20 MV/m、1.29 MV/m，為正常情況的10倍、7.2倍、5倍，即水膜越靠近接頭兩側(cè)，電場畸變程度越大。由圖5(b)可知水膜處的場強(qiáng)為正常時(shí)的20%～60%，水膜越靠近接頭兩側(cè)主絕緣外側(cè)的電場分布越不均勻。但應(yīng)力錐具有規(guī)范電場的作用，水膜處于應(yīng)力錐范圍內(nèi)(0～20 mm)時(shí)，電場未發(fā)生明顯變化。

2.2.4 接頭內(nèi)存在不同大小水膜

設(shè)置覆蓋面積為930 mm2，1 860 mm2，2 790 mm2的水膜模擬接頭內(nèi)主絕緣外側(cè)受潮，分別置于主絕緣外側(cè)的中間位置，電場分布如圖6所示。

由圖6可知，水膜所在位置電場強(qiáng)度依然為正常時(shí)的20%～60%。水膜覆蓋面積為930 mm2，1 860 mm2，2 790 mm2時(shí)，水膜周圍均發(fā)生了嚴(yán)重的電場畸變，最大場強(qiáng)分別為1.73 MV/m，2.29 MV/m，2.42 MV/m，分別達(dá)到了正常情況時(shí)的6倍，8倍，8.4倍，即水膜的覆蓋面越大，主絕緣外側(cè)電場畸變程度越嚴(yán)重，復(fù)合界面上的電場分布越不均勻。

圖6 不同大小水膜的電場分布Fig.6 Electric field distribution of water film of different sizes

2.3 導(dǎo)體外側(cè)受潮

設(shè)置覆蓋面積為930 mm2的水膜放置導(dǎo)體外側(cè)，其電場分布如圖7所示。

圖7 導(dǎo)體外側(cè)受潮時(shí)的電場分布Fig.7 Distribution of electric field with dampness at outside of conductor

由圖7(a)可知水膜對周圍的電場分布幾乎沒有影響，由圖7(b)知，當(dāng)水膜出現(xiàn)在導(dǎo)體外側(cè)時(shí)，水膜所在位置電場增大，但場強(qiáng)最高僅為2.8×10-2MV/m，相對于主絕緣外側(cè)場強(qiáng)較低，這是由于導(dǎo)體外側(cè)的介電常數(shù)大，而水也同樣具有這種特點(diǎn)，從而整個線芯外側(cè)依然保持著極低的電勢差。

2.4 小 結(jié)

主絕緣外側(cè)受潮時(shí)，水膜所在位置電場為正常時(shí)的20%～60%，水膜位置越靠近接頭中間位置，其電場變化程度就越小。單個小片水膜周圍電場增大至正常情況下的1.15倍以上，30 mm間距的多個小片水膜電場增大至正常時(shí)的1.2～1.4倍，10 mm間距時(shí)增大至1.5～1.6倍。小片水膜周圍的電場增大程度與位置的關(guān)系不明顯。不同位置存在大面積水膜時(shí)最大場強(qiáng)為正常時(shí)的5～10倍，水膜越靠近接頭兩側(cè)，畸變越嚴(yán)重，接頭左側(cè)中間位置存在不同大小的大面積水膜時(shí)，最大場強(qiáng)為正常時(shí)的6～8.4倍，且隨著水膜的面積增大而增大。當(dāng)大面積水膜在應(yīng)力錐范圍以內(nèi)時(shí)，電場畸變會明顯緩解。

導(dǎo)體外側(cè)受潮時(shí)，水膜所在位置電場增大，但場強(qiáng)最高僅為2.8×10-2MV/m，相對于主絕緣外側(cè)場強(qiáng)較低。水膜周圍電場未發(fā)生明顯變化。

3 擊穿試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

通過對不同含水量的樣品進(jìn)行擊穿試驗(yàn)，初步驗(yàn)證仿真的結(jié)果。試驗(yàn)平臺如圖8所示。整個試驗(yàn)平臺由調(diào)壓器、保護(hù)電阻、試驗(yàn)電極、變壓器、分壓器、脈沖傳感器以及示波器組成。其中調(diào)壓器型號為ZX-15-11,額定容量為15 kVA；變壓器型號為YDJ，容量10 kVA/100 kV；分壓器額定電壓50 kV，分壓比3 000∶1，高壓參數(shù)(R=240 MΩ、C=250 pF)，低壓參數(shù)(R=0.08 MΩ、C=750 nF)。試驗(yàn)電壓220 V，50 Hz。

圖8 試驗(yàn)平臺Fig.8 Test platform

試驗(yàn)電極為板-板電極，試驗(yàn)電極中高壓電極采用直徑為24.1 mm，厚約3.9 mm圓柱電極結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 電極示意圖Fig.9 Electrode diagram

本文主要研究主絕緣外側(cè)不同程度的受潮造成的影響，故對試品進(jìn)行了適當(dāng)簡化以方便電極接入和數(shù)據(jù)截取。從某電纜廠商定制若干交聯(lián)聚乙烯樣片，尺寸規(guī)格為長50 mm，寬50 mm，厚度同等于10 kV單芯交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣厚度，為5.8 mm。在樣片一面貼敷半導(dǎo)膠帶，以代替電纜的內(nèi)半導(dǎo)電層材料。貼敷半導(dǎo)膠帶時(shí)，需檢查與交聯(lián)聚乙烯貼敷的半導(dǎo)膠帶面內(nèi)有無氣泡，如發(fā)現(xiàn)氣泡，需重新貼敷，以防止半導(dǎo)膠帶面內(nèi)氣泡對試驗(yàn)結(jié)果的干擾。在交聯(lián)聚乙烯方塊的另一面均勻涂抹硅脂，以模擬中間接頭內(nèi)交聯(lián)聚乙烯絕緣與硅橡膠界面的硅脂層。

所選用硅脂的錐入度(60次)為(265～295)×0.1 mm，密度(15 ℃)為1 g/cm3，絕緣強(qiáng)度(25 ℃，75 mm)為600 kV/m。此外硅脂涂抹厚度設(shè)置為0.2 mm，以模擬中間接頭內(nèi)交聯(lián)聚乙烯絕緣與硅橡膠界面的硅脂層。水膜由于被制作接頭時(shí)涂抹的硅脂層隔離，多附著于硅脂層表面。

將試驗(yàn)樣片分為6組，其中一組模擬正常時(shí)的情況，另5組分別在硅脂一側(cè)正中間5 cm2區(qū)域用注射器注入1 ml、2 ml、3 ml、4 ml和5 ml水模擬主絕緣外側(cè)不同程度受潮時(shí)的情況。試驗(yàn)樣品如圖10所示。

圖10 試品Fig.10 Trial products

對6組試樣以1 kV/s的速率逐級加壓，直至擊穿。分別采集不同電壓等級下受潮試樣和無缺陷試樣的放電信號，并用MATLAB軟件對信號進(jìn)行去噪處理，最后對6組試樣特征量進(jìn)行對比分析，記錄不同程度受潮時(shí)的擊穿電壓。為減小誤差，每組試樣測試10份試品，擊穿電壓取平均值。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)過程中，能聽到試品發(fā)出“嘶嘶”的噪音，且隨著電壓的增大，音量逐漸提高，直至試品被擊穿。取其中一個試品擊穿時(shí)的電壓電流波形如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)波形Fig.11 Test waveforms

擊穿前試品上的電壓維持在較高的水平，電流趨近于0；擊穿瞬間電壓和電流發(fā)生明顯波動；擊穿后電壓降低至0，電流迅速增大到4～6 A。

對原始波形進(jìn)行濾波處理計(jì)算出每組試樣10次試驗(yàn)的擊穿電壓，按擊穿電壓從小到大的順序排列如圖12所示。

圖12 擊穿電壓Fig.12 Breakdown voltages

試品的擊穿電壓具有明顯的統(tǒng)計(jì)性，引入變異系數(shù)cv。

(1)

式中：σ為每組試樣10次試驗(yàn)擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)差；μ為每組試樣擊穿電壓平均值。通過變異系數(shù)可表征擊穿電壓的離散程度。

注水量分別為0、1 mL、2 mL、3 mL、4 mL和5 mL時(shí)其變異系數(shù)分別為10%、14%、17%、15%、15%、13%，即試品擊穿電壓的離散程度在正常時(shí)最小，注水后離散程度明顯增大，但當(dāng)試品含水量增大到一定程度后，繼續(xù)注水離散程度會逐漸降低。值得注意的是，在對注入2 mL水的試品的擊穿實(shí)驗(yàn)里，取得了最低的擊穿電壓20.1 kV。

對6組試樣的擊穿電壓取平均值，如表2所示。

表2 平均擊穿電壓

由表2可知，在交聯(lián)聚乙烯試樣受潮后其擊穿電壓降低，為正常情況下的85%到94%。且注入的水分越多，平均擊穿電壓越小。結(jié)果進(jìn)一步說明主絕緣外側(cè)受潮后局部場強(qiáng)增大，導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档汀?/p>

4 結(jié) 論

(1)主絕緣外側(cè)受潮時(shí)，受潮位置電場強(qiáng)度急劇下降，水膜越靠近接頭中間，其電場變化程度就越??；受潮位置周圍電場畸變程度隨著水膜的密集程度和覆蓋面積增大而增大，小片水膜周圍電場與位置關(guān)系不大，大面積水膜越靠近接頭兩側(cè)電場畸變越嚴(yán)重，但水膜進(jìn)入應(yīng)力錐范圍后電場畸變有所緩解。導(dǎo)體外側(cè)受潮時(shí)，水膜所在位置電場略微增大，水膜周圍電場沒有發(fā)生明顯畸變，不會直接誘發(fā)事故。

(2)擊穿試驗(yàn)表明主絕緣外側(cè)受潮后其擊穿電壓降低至正常情況下的85%到94%，且水膜的覆蓋面積越大或越密集，接頭越容易被擊穿，初步驗(yàn)證了仿真結(jié)果。但由于擊穿電壓存在統(tǒng)計(jì)性，也可能會出現(xiàn)含水量較少試樣的擊穿電壓比高含水量試樣更低的情況。