电缆中间接头受潮时电场分布研究

杜 伟，汪 超，郭振斌，张 帆

（江苏省电力公司淮安供电公司，江苏淮安 223022）

引言

近年来由电力电缆缺陷引发的输配电线路事故越来越多，电缆受潮是导致事故的主要原因之一[1-3]。例如，2021年3月新疆石河子多段线路接连发生电缆击穿故障，故障起因均为电缆长期埋在地下，受雪水浸泡受潮，引发绝缘层击穿造成停电，后经20多名抢修人员144 h的连续抢修，才避免了进一步损失[4,5]。以往的调研发现，在城市地下电缆供电系统中，平均每300 m就会设置一个中间接头，通过电缆事故的事后溯源发现，中间接头受潮是导致电缆线路事故的主要原因之一[5-7]。

文献[8-10]指出中间接头受潮会形成水树，引起绝缘材料的老化，最终导致接头被击穿。水树的生长速率与pH值和溶质有关，偏酸性和偏碱性的溶液都会加快水树生长的进程，中性环境下水树生长最慢，但水树染色最深，在不同溶质中，氢根和氢氧根离子会导致水树的尺寸更大，钠离子和氯离子则会导致染色更深。产生水树，材料的物理参数发生变化，主要表现为机械性能下降、绝缘裕度下降等，电缆的寿命降低。这类线路因雷击等因素出现过电压时极易被击穿。文献[11]将水树的发展分为3个阶段：初始阶段、滞长阶段以及后续阶段。初始阶段时，水树在缺陷处产生，以树枝状向外扩散，扩散速率较快，但树枝密集程度稀疏；滞长阶段时，水分含量增加，向外扩散速率降低，树枝逐渐变得密集；达到后续阶段时，水树继续加速向外扩张。整个水树从形成到扩散再到击穿需要大量的时间，多出现在运行年限15年以上的电缆中[12]。

为此，本研究通过ANSYS多物理场有限元仿真软件建立接头不同位置、不同程度受潮的三维模型，分析不同受潮情况下的电场分布规律，其中重点分析接头绝缘材料受潮和主绝缘内侧受潮电场的分布情况。

1 受潮时电场计算分析

当界面上出现水膜时，界面上水膜所在位置的介电常数发生了变化。现将水膜和某种电介质组合成一个整体，模拟该电介质受潮时的情况。水与电介质的横截面积S相等，长度分别为d1和d2，电容分别为C1和C2，介电常数分别为ε1和ε2，对该组合体的两端施加交流电压U，则水膜上的电场模值E1和电介质上的电场模值E2分别为：

根据电容的定义可知：

联立式（1）和（2）可得：

（3）中两式相除：

在交流电下，电场强度与介电常数呈负相关的关系，且由于水分的介电常数相较于一般电介质要大得多，即ε1＞＞ε2，可知水膜处的电场强度比电介质处要低得多。当用电介质填充原水膜的位置，其余条件不变，即电介质未受潮时电场强度为：

由式（4）和（5）可知E2＞E0＞E1，即水膜处的电场强度相比未受潮时要低，而与水膜串联的电介质上的电场强度相比正常时提高。水膜存在时，整个电场发生了畸变，电场不均匀程度增加，水膜处电场极低，但水膜周围容易发生电荷的聚集，使局部场强超过界面的击穿场强，复合界面上形成放电和闪络，若接头长期在受潮状态下运行易造成界面频繁放电，严重时可能会被击穿。

2 三维模型建立

将某厂商制造的10 kV单芯冷缩式XLPE电缆中间接头按1∶1的比例建立的10 kV中间接头的三维仿真模型，模型如图1所示。接头的铜网、半导电层和硅脂层较薄。中间接头仿真模型的材料参数如表1所示。

图1 中间接头三维模型

3 仿真结果分析

3.1 接头绝缘材料受潮电场分布

当电缆长期工作在浸水环境中时，水分将会以结合水的形式附着于XLPE和硅橡胶内，其介电常数会随着浸水的时间而变化。水分的介电常数极高，所以在浸水环境下工作的时间越长，电介质的介电常数会越大。硅橡胶在浸水后3～4天其相对介电常数由原来的3.5迅速提升至4.5，之后硅橡胶的介电常数在4.5上下小幅波动。XLPE的介电常数与浸水时间的关系如图2所示。

图2 不同浸水时间下XLPE介电常数

在复合界面上没有水膜时，应力锥-XLPE界面上的水平电场分量趋近于0，且应力锥本身具有极高的介电常数，所以主要研究硅橡胶-XLPE界面上的电场分布。设置浸水时间为0天、4天、8天和12天的电缆接头，施加电压后其电场分布如图3所示。

图3 绝缘材料受潮时的电场分布

由图3(a)可知，浸水时间为0天、4天、8天和12天时，绝缘材料上的场强略微降低，由图3(b)和图3(c)可知浸水时间为0天、4天、8天和12天后复合界面上的平均场强分别为0.23 MV/m、0.25 MV/m、0.26 MV/m和0.27 MV/m，复合界面上的水平分量最大值均为100 kV/m左右。由以上数据可知，当绝缘材料受潮时，复合界面上的电场模值总体增大，浸水时间越长，电场畸变的程度越大。但电场的水平分量未发生明显变化，所以对沿面闪络的影响有限。

3.2 主绝缘内侧受潮电场分布

设置覆盖面积为930 mm2的水膜放置主绝缘内侧，主绝缘层电场分布如图4所示。由图4(a)可知水膜对周围的电场分布几乎没有影响，由图4(b)知，当水膜出现在主绝缘内侧时，水膜所在位置电场增大，但场强最高仅为2.8×10-2MV/m，相对于主绝缘外侧场强较低，这是由于主绝缘外的半导电层介电常数大，而水也同样具有这种特点，从而整个线芯外侧依然保持着极低的电势差。

图4 主绝缘内侧受潮时的电场分布

4 结论

界面在受潮后电场变得更加不均匀，水膜周围的电场会明显增大，可能会引起界面局部放电或沿面闪络。当接头绝缘材料受潮时，复合界面上的电场增大，接头浸水时间越长，畸变程度越大。主绝缘内侧受潮时水膜对周围的电场分布几乎没有影响，水膜处电场增大，但场强依然保持在极低的水平。