高压电力电缆接头劣化分析

叶冠豪，潘 伟，王 浩

(国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210001)

0 引言

伴随我国经济的不断发展及城市美化的客观需要，高压电力电缆在城市电网中得到了广泛的应用。以江苏省南京市为例，2014—2018年，35 kV及以上电压等级电缆线路总长度平均年增速为8.5 %，总里程突破了1 400 km。中间接头是高压电力电缆线路薄弱环节之一，统计结果显示，接头故障在总故障中所占比例接近40 %。中间接头内部缺陷给高压电力电缆的运行埋下了安全隐患，严重时将导致线路停运，造成巨大的经济损失。

2018年3—7月，南京供电公司所辖110 kV电缆线路接连发生两次因中间接头击穿导致的线路跳闸事故，经分析电缆接头均为上海某附件厂家批次性产品。以往在故障原因的研究中大多只给出理论研究结论，结合实际现场的开壳检查分析相当少见。此外，常规故障分析仅对已经发生故障线路进行原因分析，缺乏对亚健康线路的趋势性缺陷分析。

因此，为全面、深入了解该型号中间接头内部缺陷类型及可能原因，结合南京供电公司实际接头开壳检修结果，对该特定型号电缆中间接头缺陷情况进行研究。通过建立物理模型后进行受力分析，并辅以有限元仿真验算。对腐蚀物进行傅氏转换红外线光谱分析仪检查，研究电缆接头腐蚀影响因素，较为全面地研究该型号中间接头劣化的整体过程。

1 缺陷概况

2018年5—9月，南京供电公司对运营范围内132只接头集中检查，其电缆型号为YJLW03—64/110-630，中间接头型号1YJ1001，系统投运已累计15年。缺陷结果统计如表1所示。经检查，电缆中间接头的劣化情况已十分严重。如不及时开展开壳检修，发生故障的风险极大。

表1 某型号高压电力电缆中间接头缺陷检查结果

2 羊角受力分析

2.1 COMSOL有限元分析

采用了COMSOL有限元分析软件进行仿真计算。COMSOL软件是瑞典COMSOL公司研制的大型通用有限元分析软件。该软件功能强大，操作简单方便，可以方便地进行电学、热学以及材料学的建模仿真计算，已成为有限元分析的标准软件。通过在COMSOL软件中建立高压电缆中间接头模型，并进行力学分析，实现对中间接头羊角终端电缆封铅处的应力分析计算。

2.2 热膨胀分析

导体温升导致的电缆线路热膨胀,沿电缆线路轴向产生机械应力F，与电缆导体温度θ和电缆线路热膨胀系数α有关。当电缆导体温度变化时，电缆所受合力分解为电缆线路轴向伸缩力和侧向滑移力。电缆线路蛇形敷设及热膨胀分析如图1所示。

图1 电缆线路蛇形敷设及热膨胀分析示意

电缆线路轴向热膨胀量ΔL可参考式(1)理论计算：

式中：ΔL为电缆线路热膨胀量；Δθ为电缆线路导体温升；L为蛇形长度的1/2；α为电缆线路热膨胀系数。

针对水平敷设的电缆线路，当导体温度下降时，其蛇形弧轴向力Fh1可参考式(2)理论计算：

当导体温度上升时，其蛇形弧轴向力Fh2可参考式(3)理论计算:

针对垂直敷设的电缆线路，当导体温度下降时，其蛇形弧轴向力可参考式(4)理论计算：

当导体温度上升时，其蛇形弧轴向力Fv2可参考式(5)理论计算：

蛇形弧侧向滑移量n可以参考式(6)理论计算:

式(2)～(6)中，θ为电缆导体温度；B为蛇形弧幅；L为蛇形长度的1/2；α为电缆线路线性膨胀系数；μ为电缆摩擦系数；W为电缆线路单位重量；A为电缆导体截面积；E为电缆杨氏模量； -EI为电缆抗弯刚性。根据现场实际情况，取计算参数如表2所示。

表2 热膨胀计算参数

在电力电缆、同轴电缆水平敷设条件下，取其不同工况条件进行热膨胀计算，在θ=50 ℃时计算结果如图2，3所示。

图2 电力电缆不同L时B与Fva的关系

可以看出，在进入工井后，如果未设置蛇形敷设或打Ω弯，则电力电缆与同轴电缆的等效蛇形长度L会显著增大，引起高压电力电缆搪铅部位与羊角尾部应力显著增大，造成羊角尾部断裂或搪铅脱落，导致附件内部进水，给安全运行带来隐患。

2.3 有限元仿真分析

建立电缆接头“羊角”处的有限元模型如图4所示。图中细长圆柱为接地电缆，短粗圆柱为电缆接头外壳的一部分。黑色部分施加45 N外力，折合压力约为0.03 MPa，模拟施工人员压接接地电缆、调整接地电缆位置时施加的弯折力。得到应力分布如图5所示，从图中可以看出，接地电缆根部应力比较集中。

图4 接地电缆根部有限元模型

图5 接地电缆根部仿真结果

接地电缆连接处应力分析，应力最高达到12 MPa，是外加力(0.03 MPa)的400倍，所以该处很容易出现开裂情况。

在室温25 ℃，接地电缆导体温升50 ℃(即温度75 ℃)工况下，应力最大值为6.6 MPa，说明同轴电缆的热膨胀对羊角处应力增大有明显影响。

为分析电缆本体热膨胀对电缆接头(尤其封铅处)应力变化的影响，建立电缆封铅处有限元模型如图6所示。

图6 电缆封铅处有限元模型

图中最左侧截面，由内至外各圈材料分别为铜、交联聚乙烯、铝，中间的圆球为铅封，右半部分最外侧圆筒为电缆中间接头的铜套管，通过封铅可以使电缆铝护套与铜套管紧密相连。

图7为电缆封铅处在室温25 ℃、导体温度升高50 ℃的工况下的应力分布。可以看出，应力主要集中在铅封与铜套管、电缆铝护套的接触部分末端。

图7 封铅处仿真结果

选取应力最集中的部位，即铅封与铜套管的接触部位末端(圆)，应力值约为58 MPa，而铅合金的抗拉强度为30～70 MPa；如果此处铅封质量不是很好，或者导体温升更大，很可能造成铅封的破坏，使得接头失去密封性，电缆本体铝护套的电气连接断开。

3 腐蚀情况分析

3.1 试验系统简介

FTIR为第三代红外吸收光谱仪。可对干涉后的红外光进行傅里叶变换，实现样品定性和定量分析。SEM为扫描电镜，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像，具有放大倍数高、景深大、视野大等优势。

SEM分析采用美国FEI公司生产的Quanta 250型扫描电子显微镜；红外光谱分析所用仪器为美国Thermo Fisher Scientific生产的Nicolet 380傅里叶变换红外光谱仪。将电缆中间接头周边铝护套腐蚀成分进行FTIR，SEM测试。

3.2 样品试验分析

FTIR测试结果显示，样品含有羧酸盐。SEM测试结果显示样品中主要含有C，O，Na，Al等元素，其中C，O，Na元素可能归属于羧酸钠，Al元素可能归属于三氧化二铝。综合FTIR，SEM测试结果，推测样品中羧酸盐的含量约25 %，三氧化二铝的含量约为40 %。红外光谱如图8所示。

图8 红外光谱

分析结果表明，中间接头长期进水后、会引起周边皱纹铝护层腐蚀，产生羧酸盐以及金属氧化物等物质。这些物质会严重降低皱纹铝护层导电性能，导致电力电缆接地不良，加速电缆绝缘的发热及老化，给电力电缆运行带来严重威胁。

4 结论

(1) 电力电缆中间接头长期运行后的主要缺陷类型包括羊角开裂、接头进水、铝护套腐蚀。

(2) 羊角设计过长与中间接头敷设中未设置Ω弯导致羊角末端应力过大，造成羊角根部断裂，加速中间接头进水。

(3) 进水可能引起接头周边铝护套腐蚀，引起绝缘发热，进一步劣化电缆运行可靠性。