配电电缆接头阻水缺陷影响分析研究

何光华 1，浦仕亮 1，王昱力 2，卞 栋 1，张志坚 1，吴寅雄 1

1. 国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司，江苏 无锡 214061；2.中国电力科学研究院有限公司武汉分

2. 院，湖北 武汉 430074

摘要：在实际的电能传输过程中，复杂的自然条件和安装不规范使得电缆绝缘老化，绝缘性能显著降低，会导致电缆及附件产生缺陷，从而引发系统发生故障。目前，由于常用的预电缆附件与电缆交联聚乙烯绝缘层之间应热胀冷缩所形成的呼吸效应，会导致电缆接头存在进水缺陷。本文针对10kV电缆接头进水缺陷，通过Maxwell建立典型缺陷仿真模型，计算电缆接头进水缺陷时下的电场分布状况，研究电缆接头进水缺陷时的电场分布状况，得出以下结论：电缆接头进水缺陷时，电缆和附件的界面绝缘性能会出现一定程度的下降，轴向电场会出现一定程度的上升并且引起电缆接头的轴向放电而损伤界面，严重时甚至会导致界面爬电而击穿，并针对此缺陷提出改进建议。通过模拟实验验证了本文的分析结果。

关键词：10kV电缆接头；进水缺陷；仿真模型；典型故障；

中图分类号：TM855 文献标志码：A

基金项目：国网江苏省电力有限公司科技项目“高水位下电力电缆接头密封阻水性能提升技术研究”（GYW11201702523），国网公司科技项目“配网电缆及附件质量试验评价体系及检测平台关键技术研究”（5442GY180015）

1引言

电力电缆具有占地面积少、满足防爆要求等优点，使其成为油田和炼化企业电力系统配电线路的重要形式^[1]。同时，各种各样电缆设备广泛用于电力系统中，并且其成为输电网中的不可缺少的组成部分。在电力电缆各类故障类型中，电力电缆故障最主要的类型是电缆接头缺陷^[2]。事实上，电场、磁场、光、水分和热等自然因素以及电缆及附件的不规范安装等人工因素会导致电缆及附件产生缺陷从而引起绝缘老化，由于缺陷部位的电场集中产生局部放电（PD）从而导致接头击穿^[3]，将严重破坏电力系统的供电可靠性，甚至会影响整个系统的运行，造成重大经济损失和人员伤害。在电力系统中，最常用的缺陷故障检测方法是根据局部放电的情况分析判断电缆状态，因此，及时而又高效的缺陷检测方法对电力电缆可靠传输起到至关重要的作用^[4]。

目前，国内外专家对电缆以及其附件的典型缺陷故障进行了大量的研究和实验，并且成果颇丰。文献[5]引入互信息、最大信息系数、最大信息非参数扩展类等先进的非线性相关特征分析手段，提取该类散点图定量特征。之后，使用最大相关最小冗余算法选取最优特征指纹空间并使用最大信息系数进行优化。利用XLPE单芯电缆制作了绝缘内部气隙、主绝缘表面划伤、高压端毛刺电晕、半导电层爬电4类典型绝缘缺陷模型，使用人工神经网络等机器学习方法进行模式识别可获得91%的平均识别精度。文献[6]使用韦布尔分布概率模型对局部放电幅度分布(PDHD)谱图进行特征参数拟合，局部放电实验在10kVXLPE电缆接头中人工预制的主绝缘断口气隙缺陷中进行，研究施加电压、老化时间以及电缆负荷波动引起的温度变化等实验条件对缺陷气隙老化过程的影响。文献[7]中，将特高频技术应用到XLPE电缆的局部放电带电检测，采用电容式传感器从电缆本体上获取局放信号，提出了一种有别于传统方法的局部放电定位技术，即短距离时差定位分析法。文献[8]中，在电缆中间接头设置了主绝缘横向、切向划伤、残留导电颗粒、应力管安装错位、尖端等五种缺陷，分别采用OWTS进行了局放试验，研究了振荡波局放测试技术对中间接头缺陷检测的有效性。

上述研究多是在短时间内测量局部放电，而相关研究结果表明同一缺陷在不同劣化阶段的局部放电特征差异显著旧，缺陷在不同劣化阶段的局部放电特征差异显著旧，因此短时间内获取到的局部放电表征信息并不全面。本文提出一种基于Maxwell的110kV XLPE电缆接头进水缺陷模型，通过仿真实验对接头进水缺陷进行分析。

2 10kV高压电缆典型缺陷分析

随着经济的发展，10kV高压电缆线路成为连接电力系统和配电网络的重要纽带，并且在电力线路中占有着重要地位，10kV高压电缆系统出现故障将导致不堪设想的后果。10kV XLPE（交联聚乙烯）高压电缆是目前在电力系统中经常使用的一种电缆，可能引起这种类型电缆缺陷的因素有很多。实际在大多数情况下，电力电缆的故障是由多种不同的因素共同作用而引起的。因此，引起电力电缆的故障原因错综复杂，其形式也不尽相同。所以在高压电力电缆制造与安装中，做到规范的进行每一道安装工艺，同时在投入运行前期进行科学有效的试验试验，精确的找出故障产生的原因，对电网系统的稳定运行、提高输电电能质量有着非常重要的意义。其中引起10kV XLPE（交联聚乙烯）高压电缆缺陷的原因主要有以下几个方面：

2.1电缆本体缺陷原因

（1）外力破坏。外力破坏主要是由于复杂的自然灾害，如雷电、台风等导致电缆本体受损，进而导致故障。随体受损，进而导致故障。外力破坏也是电缆本体缺陷最主要的原因。

（2）产品质量原因。由于市场激烈的竞争，有一些生产厂家为降低成本而偷工减料，使得产品质量低下，对电力电缆线路的安全运行造成极大的隐患。

2.2电缆附件缺陷原因

（1）电缆终端：主要是因为安装错位、安装曲径太小等不规范的制造而导致的缺陷。

（2）电缆接头：主要是由于密封不良引起的电缆接头进水，电缆接头的各项电气性能均大幅度下降从而产生击穿而导致的缺陷。

2.3其他因素。

外部腐蚀、动物咬蚀以及长时间的过负荷运行等因素均会对电力电缆线路的安全运输造成一定的影响。

总而言之上述这些因素都会导致衔接不实，湿气入侵。因此，电缆接头防水防潮性能优异以及安装便捷也十分关键。电缆接头故障最主要的原因是电缆接头受潮，因此本文的研究具有十分重大的意义。其中电缆接头常见的典型缺陷如下表1所示：

表1常见缺陷类型

Table 1 common defect types

编号	缺陷类型	缺陷描述
1	接头进水	电缆接头密封不善，长期运行后受潮进水
2	主绝缘划伤	不规范的制作过程在主绝缘表面留下划痕
3	接头含杂质	连接处清理不及时导致有 杂质混入
4	半导体层尖端	不规范的制作导致半导体 层切口不平整
5	连接管尖端毛刺	连接管未磨平导致出现 明显毛刺
6	连接管错误使用绝缘胶带	绝缘胶带与半导体橡胶带混淆，使用错误导致
7	应力锥错位	应力锥尾部从外半导体层断口处伸出

3 10kV电缆接头缺陷数学建模与实验分析

由于目前常用的电缆接头与电缆XLPE（交联聚乙烯）绝缘层之间由于热胀冷缩现场而产生的呼吸效应，再加上江南多雨地区水位普遍较高，会使得电缆接头产生一定的破损，导致潮气侵入，从而影响电力磁场的变化，这些变化会进一步影响著加剧电缆接头复合界面受潮的概率，使潮气和迁移水分在界面凝结成很高的介电常数水珠，引起绝缘层表面闪络，甚至导致沿面击穿，是严重的安全隐患。为研究接头受潮程度对电场变化的影响，本章主要对10kV XLPE电缆接头进水缺陷进行模拟，通过仿真实验分析电缆接头进水缺陷的电场变化情况。

3.1高压电缆磁场数学模型

宏观电磁现象的基本规律可以通过一个著名的方程组，即麦克斯韦方程组表示。该电磁场基本方程组的基本变量包括四个场向量和两个源变量，四个场向量分别是磁场强度 、电场强度 、磁感应强度 和电位移向量 ；而两个源变量则是电流密度 和电荷密度 .在静止介质中麦克斯韦方程组的微分形式可以表示为：

（1）

为了体现在电磁场作用下介质的宏观电磁特性，还需要给出以下三个关于介质电磁特性的构成关系式：

（2）

值得注意的是，在以上三个关系式中引入的介质宏观特性系数：介电常数 ，磁导率 和电导率 ，只有在介质为线性且各向同性的情况下，才是单一的常数。而在工程应用中，常常需要考虑介质特性系数不是单一常数的情况。例如，铁磁材料的磁导率就会因为磁滞效应等原因而变化；而某些矿物绝缘材料，作为各向异性材料，需要在各个方向上分别设置张量。

此外，在列解有限元方程的过程中还需要考虑自由空间中存在的迁移电流。对于真空环境，在考虑到光速 ，电导率被认为等于零的情况下，可以认为真空中的迁移电流密度 。因此从全面分析电磁场问题的需要出发，还常应用另一基本方程，即描述电荷守恒定律的连续性方程：

（3）

以及描述电磁场对于运动电荷产生电磁力的计算公式：

（4）

3.2仿真模型

本章数学建模使用ANSOFT Maxwell软件。该软件是一款大型的高级数值仿真软件并且使用高度精确的有限元方法来解算静态、频域和时变电磁场和电场。ANSYS Maxwell是一款电磁场分析的软件，其以有限元法为基础，利用求解偏微分方程(单场)或者偏微分方程组(多场)来实现真实物理现象的仿真，该软件可以通过多种多样的建模工具在软件中直接建模，快速便捷的处理各类问题，本文仿真采用3D静电场模块。

另外，Maxwell的仿真模型建立建模过程主要分为三个步骤：几何模型建立，赋予材料和约束和模型检测。Maxwell的材料库功能十分强大，基本涵盖了电工领域日常接触的所有材料，通过简单的索引，就可以为建立的几何模型赋予材料属性。而每一种材料的基本物理特性在材料库中都有相应的记录，在模型求解的过程中，Maxwell会自动带入计算。施加约束的过程，因为Maxwell采用的是点选几何特征的方式确约束施加的部位，整个过程直观，所以一定程度上减小了约束施加错误的风险。在最后的模型检测阶段，Maxwell通过Model Check功能检查模型中是否有明显的错误，避免错误建模。因此，本文建模过程也依据上述步骤进行，电缆接头进水缺陷建模流程图如图1所示。

图1 电缆接头进水缺陷建模流程图

Fig.1 modeling flow chart of filling defect of cable connector

在Maxwell软件中建立电缆模型剖面图，如图2所示。

图2 电缆模型剖面图

Fig2. Cable model profile

为了简化分析的需要，将电缆接头的各部分进行了简化，分为线芯、绝缘层、半导体层、连接管和接头外壳等几个部分。

3.3 接头进水仿真结果与分析

在Maxwell对该模型的静电场参数进行仿真求解后，对求解结果进行一系列的后处理，可以得到相应的图片结果。

电缆接头无缺陷时内部电场分析如图3、4所示；而为了进一步模拟10kV电缆接头进水时内部主绝缘表面的放电，在无缺陷模型的主绝缘表面上添加长、宽、高分别为25毫米、2毫米、2毫米立方体水分，建立电缆接头进水缺陷的故障模型。电缆接头进水时内部电场分析如图5、6所示；而进水局部的电场分析如图7所示。

图3 无缺陷时电缆接头模型

Fig3. Cable joint model without defect

图4 无缺陷时电缆接头内部电场示意图

Fig.4 Schematic diagram of the internal electric field of the cable joint without defects

图5 电缆接头进水模型

Fig.5 cable joint water inlet model

图6 电缆接头进水内部电场示意图

Fig.6 Schematic diagram of the internal electric field of the water inlet of the cable connector

图7 电缆接头进水内部电场示意图

Fig.7 Schematic diagram of the internal electric field of the water inlet of the cable connector

仿真结果表明与水接触的主绝缘部分处场强由8.9X10⁴V/m升高至约1.1X10⁵ V/m，增加约24.7%，在进水缺陷的地方没有严重的电场畸变。其分为轴向电场和径向电场界面电场都会受到不同程度的影响，电缆和附件的界面绝缘性能在一定范围内下降，轴向电场上升并且引起电缆附件的轴向放电而损伤界面，严重时甚至会导致界面爬电而击穿。

因此，针对10kV电缆接头各类典型缺陷，通过Maxwell建立典型缺陷仿真模型，计算各种典型缺陷时下的电场分布状况，主要研究接头进水时的电场分布状况，可以得出以下结论：

（1）电缆接头的各种典型缺陷都对缺陷部位电场强度产生一定的影响，电场强度会在一定范围内升高，缺陷本身会导致电缆的绝缘性能大幅度下降甚至彻底产生绝缘击穿，在电场强度增加的情况下，提高了缺陷部位产生局部放电的可能性；

（2）各类典型缺陷导致电场强度畸变的程度不一样。由于电缆及附件的半导体结构是作为均匀电场作用的，所以和半导体层有关的故障缺陷导致的电场畸变程度最大。当其半导体结构发生损坏时，将对电场均匀性产生巨大的影响。

（3）电缆接头发生进水缺陷时，其分为轴向电场和径向电场界面电场都会受到不同程度的影响，电缆和附件的界面绝缘性能在一定范围内下降，轴向电场上升约24%并且引起电缆附件的轴向放电而损伤界面，严重时甚至会导致界面爬电而击穿。

4 结论与改进

目前，以10KV电压等级为主的高压地下电缆系统正在广泛应用于各大中型城市，但由于制作工艺缺陷以及运行环境较差等原因，电缆接头进水缺陷依然是当前研究的重要问题。

由于常用的电缆接头与电缆XLPE（交联聚乙烯）绝缘层之间由于热胀冷缩现象可能使界面产生气隙，导致潮气侵入内部。本文使用ANSOFT Maxwell软件建立电缆接头进水缺陷故障的仿真模型，仿真结果表明电缆接头进水缺陷故障时，其分为轴向电场和径向电场界面电场都会受到不同程度的影响，其缺陷处电场强度在一定程度升高，电缆和附件的界面绝缘性能在一定范围内下降并且引起电缆附件的轴向放电而损伤界面，严重时甚至会导致界面爬电而击穿。

很对上述问题设备的选型应充分考虑运行环境和施工环境等方面，尤其针对产品防水防潮性能和安装的局限性进行进一步的改进与提升。在安装方面应保证电缆接头的密封，两侧外护套对两热缩管及两热护套管对接处防潮段长度不能低于100mm，两侧外护套在两热缩管搭接表面处要用砂皮打毛，涂密封胶，热缩后用防水胶带再次密封更佳，以防止潮气侵入电缆接头内部。另外，应定期检查电缆沟及隧道内有无积水，设有集水井应实施机械排水，防止电缆及接头受潮或进水。

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