10 kV XPLE电缆中间接头缺陷电场仿真计算

刘 琦，白玉鹏，王 超

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

·班组创新·

10 kV XPLE电缆中间接头缺陷电场仿真计算

刘 琦，白玉鹏，王 超

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

中间接头故障是10 kV XPLE电缆运行中最常遇到的问题，中间接头制作过程中存在的缺陷是影响其运行寿命的一个重要因素。基于有限元法，以 AnsoftMaxwell 12为求解工具，对电缆中间头制作过程中存在的影响中间接头运行安全的因素进行了定量分析计算。得到了不同缺陷情况下中间接头的电场分布情况，所得仿真计算结果可以为电缆中间接头制作工艺水平的提高提供参考依据。

XPLE电缆；中间接头；AnsoftMaxwell 12；电场分布

0 引言

中间接头是电缆的薄弱环节，亦是电缆运行故障的多发部位。受运输等条件的限制，10 kV XPLE电缆生产的长度大多在500m以下。因此，当线路超过一定距离时便需要通过制作中间接头进行连接。中间接头的制作工艺复杂，制作过程中会出现大量的复合界面，如半导电层、主绝缘层、铜屏蔽层、线芯等，复合界面的连接极易产生应力的集中。在制作过程中也存在损伤主绝缘、混入导电颗粒等情况，这些都会成为影响电缆安全稳定运行的潜在威胁，存在此类缺陷的电缆长期运行经常出现中间接头绝缘击穿从而导致接地跳闸，影响城市配网的安全稳定运行［1-5］。

图1电缆中间接头故障

电缆中间接头故障如图1所示。其中，图1（a）为中间接头处主绝缘击穿，图2（b）为中间接头应力锥处击穿。造成此类击穿的直接原因均为局部电场过强，出现局部放电，放电通道逐渐形成，随着运行时间的增加，造成绝缘击穿［6］。通过对击穿位置的分析可以看出，击穿点位于半导电层与主绝缘层形成的复合界面处以及剥离半导电层露出主绝缘部位。由于电缆全封闭的运行特性，很难得到中间接头处的电场分布情况，因此通过仿真计算得出中间接头内部的电磁场分布，识别绝缘的临界点从而分析出故障原因是一种有效途径［7-8］。目前对10 kV XPLE电缆的中间接头电场仿真分析多为二维模型，计算的结果并不直观，同时难以分析非对称故障下电场分布情况［8-11］。

为深入分析故障原因，基于有限元分析法，通过仿真计算得出中间接头的电场分布，定量计算缺陷对于电场分布影响，为10 kV XPLE电缆中间头制作工艺的改善提供必要的参考依据。

1 仿真模型

Maxwell是应用广泛的商用低频电磁场有限元分析软件之一，其凭借友好的用户界面、高精度的自适应性剖分技术和强大的后处理器获得业界的广泛认可［12-13］。为此，选用AnsoftMaxwell 12对电缆中间接头进行电场分布的仿真计算。

1.1 仿真模型建立

为了便于计算，对中间接头的模型进行了合理的简化，根据击穿点的位置，确定仿真计算的部位。目前使用的10 kV XPLE电缆多为3芯电缆，对其中的一相进行仿真建模分析，其3D模型如图2所示。

图2 电缆中间接头3D模型

在电缆中间接头的3D模型基础之上，对中间头制作过程中最容易出现的3种缺陷进行建模，通过仿真计算得出缺陷对于电缆中间接头的电场畸变的影响。3种缺陷分别为：半导带搭接不良，主绝缘剥切损伤，主绝缘表面附着金属颗粒。

半导带搭接不良。半导带搭接不良是电缆中间接头制作中存在的比较普遍的一种现象［2］。在模拟该情况时，模型中给出了相应的简化，即应力锥处的半导电层与电缆本体的半导电带完全未搭接，如图3所示。

图3 半导带搭接不良模型

主绝缘剥切损伤。在中间接头制作过程中，剥离电缆本体半导电层是必不可少的一个步骤［2］。但在此过程中，也极易伤及主绝缘，主绝缘上出现划痕是剥离过程中最容易出现的问题，这种划痕极不容易发现，但为后期的安全运行留下了巨大隐患。在仿真模型中划痕的宽度为0.2mm，深度为0.1mm，如图4所示。

图4 主绝缘剥切损伤模型

主绝缘附着金属颗粒。在剥切铜屏蔽层、半导电层过程中，都有可能使金属或半导颗粒附着在主绝缘上。以金属颗粒为例，建立了主绝缘附着不规则形状金属颗粒的近似模型，如图5所示。

1.2 仿真参数设置

根据AnsoftMaxwell 12自身所带的材料库以及电缆各组成部分的不同特性，对模型中的各组件进行材料特性的定义，如表1所示。

表1 模型材料求解属性

完成模型中材料属性的定义后，即可设定模型求解的激励源及边界条件，由于模型比较简单，这里可以采用软件自带的自适应剖分进行求解。

2 仿真结果

图6 半导带搭接不完备电场分布情况

2.1 半导搭接不完备

半导带搭接不完备时的电场分布情况如图6所示。由仿真结果可以看出，左侧未搭接部电场强度为Emax=439.4 kV／m，而右侧搭接良好的应力锥处，电场强度最高为303.7 kV／m。由此可见，中间接头半导带搭接不良将显著改变应力锥处的电场分布，使电场强度显著增大，长时间运行，绝缘击穿的可能性将增加。

2.2 主绝缘剥切损伤

主绝缘存在划痕时的电场分布情况如图7所示。从仿真计算结果可以得出，在剥切造成的划痕处电场强度明显高于无划痕区域，划痕处电场强度最大值为Emax=783.7 kV／m，而光滑的主绝缘表面电场强度为590.8～687.2 kV／m。在电场强度最高的划痕处会出现局部放电现象，随着运行时间的增加，放电通道逐渐累积，最终导致绝缘击穿，造成线路跳闸故障。

图7 主绝缘存在划痕电场分布情况

2.3 主绝缘附着导电颗粒

主绝缘表面附着导电颗粒时的电场分布情况如图8所示。仿真计算结果表明，金属颗粒的存在将显著改变该区域的电场分布。在金属颗粒的边缘与绝缘接触部分，电场强度明显大于未附着金属颗粒的部位，其中，金属颗粒边缘的最大电场强度Emax= 1 652.8 kV／m。金属颗粒使电场畸变非常明显，最大场强集中在金属颗粒的边缘。

图8 主绝缘附着导电颗粒电场分布

3 结语

采用AnsoftMaxwell 12对电缆中间接头制作过程中出现的半导带搭接不良、主绝缘剥切损伤和导电颗粒附着的情况进行了仿真计算。通过仿真计算定量地得到了3种情况对于中间接头电场分布情况的影响。在3种情况中，均会导致局部电场强度增大，在运行过程中将缩短电缆中间接头的使用寿命，影响电网安全运行。其中，表面附着金属颗粒对于电场畸变的影响尤为明显。在电缆中间接头的制作过程中，应规范制作流程，提高制作标准，避免出现上述缺陷对于中间接头质量的影响，才能延长中间接头的使用寿命，降低10 kV XPLE电缆的故障率，保证电网的安全可靠运行。

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The Electric Field Simulation of 10 kV XPLE Cable Intermediate Joint Defect

LIU QI，BAIYupeng，WANG Chao
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

The fault of intermediate joint is themost common problem in the operation of 10 kV XPLE cable.The defect in the manufacturing of the intermediate joint is an important factor which affects the life span of the joint.Based on the finite element method and using Ansoft Maxwell 12 as the solving tool，the factors associated with themanufacturing process thosemay later affect the safety of intermediate joint are analyzed quantitatively.The paterns of electric field distribution within the intermediate joints for different types ofmanufacturing defects are obtained.These simulation results can be used to guide the improvement to themanufacturing techniques of the cable intermediate joint.

XPLE cable；intermediate joint；Maxwell 12；electric field distribution

TM247

A

1007－9904（2017）06－0070－03

2016-12-13

刘 琦（1991），男，工程师，主要从事输电线路运行检修工作；白玉鹏（1970），男，主要从事输电线路运行检修工作；王 超（1973），男，主要从事配电网运行管理工作。