基于有限元法的10 kV电缆中间接头典型施工缺陷电场研究

赵国伟，赵 锐，王 磊，胡昌龙，张 翔

（国网山西省电力公司大同供电公司，山西大同 037000）

引言

国内外故障案例统计表明，引发电缆事故的主要原因是电缆或中间接头的绝缘劣化。而施工缺陷会使接头内存在杂质、气隙、毛刺、水分等，直接造成接头内绝缘介质不连续，局部场强集中，引发局部放电。在集中的高场强作用下气隙杂质或水处还会产生电树枝、水树枝，这些均不断加速了接头绝缘老化，最终导致绝缘击穿而引发故障。接头正常情况下各个电气参数均处于合理范围，因此将含缺陷时的接头电场分布与正常无缺陷时电场分布对比可以分析不同缺陷接头的整体绝缘状态[1-3]。因此，对电缆中间接头缺陷进行风险评估具有重要的工程意义[4-6]。本研究通过有限元分析软件仿真计算胶带漏用、误用及主绝缘杂质缺陷时电缆中间接头的电场分布情况。

1 电缆中间接头仿真模型

参考某电缆厂商所生产的10 kV单芯冷缩式中间接头实物，按1∶1尺寸建立了10 kV电缆三维仿真模型如图1(a)。为了能够反映实际电场情况，整个仿真模型结构未做简化处理，其中由于电缆外半导电层、硅脂、铜网厚度较薄，该部分具体结构如图1(b)。

图1 电缆中间接头三维模型

2 中间接头典型缺陷电场分析

2.1 胶带使用缺陷

2.1.1 漏用半导胶带与正常情况对比

制作电缆中间接头时，在连接管安装完毕时需在连接管上缠绕半导胶带，而实际在制作过程中由于施工人员疏忽会漏用半导胶带、或将半导胶带误用为绝缘胶带的情况。漏用半导胶带的计算结果如图2所示。漏用半导胶带时，附件与连接管界面电场较正常情况发生了畸变，最大场强出现在主绝缘与连接管交接处，为1860 kV/mm。出现电场畸变的主要原因是漏用半导胶带后会使连接管与附件界面存在一层空气层，附件与连接管被空气层隔离，由于空气的相对介电常数非常小，此处介电常数发生突变，导致此处电场集中，一旦线路电压处在较大值，即处于峰值或发生过电压时，此处场强线性增大，严重时发生放电或引发电树枝加速附件绝缘损坏，甚至击穿接头引发事故。

图2 漏用半导胶带时电场分布

2.1.2 误用半导胶带与正常情况对比

将半导胶带误用为绝缘胶带的仿真分析结果如图3所示。错误使用绝缘胶带时，连接管与附件界面电场较正常情况也发生了严重畸变，最大值为1140 kV/mm。错误使用绝缘胶带处的场强较正常情况明显增大，且在绝缘胶带的两端场强更大，表面场强分布极不均匀。误用绝缘胶带会使附件与连接管被绝缘隔离，既造成附件屏蔽成为悬浮的导电材料，产生悬浮电晕放电，又会降低接头的绝缘强度。将漏用半导胶带情况与误用绝缘胶带情况对比，漏用半导胶带时，连接管与附件间场强较误用绝缘胶带时增加了63%，漏用半导胶带情况电场畸变更严重。

图3 误用绝缘胶带时电场分布

2.2 主绝缘杂质缺陷

2.2.1 主绝缘杂质与正常情况对比

实际制作电缆中间接头时多在户外，由于现场环境复杂，以及施工人员不严格实施标准工艺，切除外半导层后未对主绝缘清理，或清理不到位，导致主绝缘残留外半导屑、沙粒等杂质，构成主绝缘含杂质的典型施工缺陷。将存在杂质缺陷时的仿真结果与正常情况作比较，探究其对接头内电场分布的影响。其中杂质缺陷设置为沙粒杂质，主绝缘含杂质时电场分布如图4。

图4 主绝缘含杂质时电场分布

从仿真结果可知杂质存在处电场强度为1140 kV/mm，正常情况同样位置场强大小为500 kV/mm，杂质缺陷处场强较正常情况增大了1.28倍，电场发生了明显畸变。杂质的存在会导致电场集中，电场强度的增加会加剧接头绝缘损坏，严重时会导致接头击穿。

2.2.2 主绝缘杂质不同位置对电场的影响

分别在距离外半导切断处轴向0 mm、30 mm、60 mm、90 mm、110 mm处设置杂质缺陷，相应的仿真结果如图5所示。

图5 主绝缘含杂质时杂质位置与场强大小关系

从图5可知，杂质在应力锥周围时该处场强较处于其他位置时更大。在外半导切断处电场强度最大值为1.14 MV/m，是正常情况的5倍，此时电场畸变较为严重。而当杂质远离应力锥时，杂质处场强呈逐渐减小趋势。

3 结论

漏用、误用半导胶带时，硅橡胶与连接管间存在的空气导致该处电场增大。漏用半导胶带时，连接管与附件间场强较误用绝缘胶带时增加了63%，漏用半导胶带情况电场畸变更严重。主绝缘杂质在外半导切断处时电场畸变最为严重，场强为正常情况场强的2.28倍。而杂质位置处在应力锥倒角与半导胶带之间时，场强杂质处场强逐渐减小。