基于有限元仿真的10kV配网电缆快速抢修接头可靠性分析

基于有限元仿真的10kV配网电缆快速抢修接头可靠性分析

洪锰

广东省深圳市光明区公明街道光明供电局518106

摘要：随着城市化进程的加快，不占据地面空间资源的电力电缆在配电网络电能传输中发挥的重要作用愈发突出。考虑到配网电缆线路重载运行比例逐年提高，且施工安装工艺不规范和外力破坏现象等可能诱发电缆故障的情况频发，如何保障配网电缆的供电可靠性至关重要。当配网电缆线路发生故障后，快速可靠的电缆线路抢修策略可以有效降低因停电而带来的损失，显著提高配网电缆线路的供电可靠性。但基于传统配网电缆中间接头产品的配网抢修方式效率较低，无法满足要求。因此，本文提出了一种基于新型10kV插拔式电缆中间接头的10kV配网电缆快速抢修策略，实现电缆线路发生故障后在无需新增或拉拽电缆的前提下快速有效地恢复电缆线路的电气连接，并在COMSOL中建立了新型10kV插拔式电缆中间接头的电场有限元仿真计算模型，应用电磁求解模块求解接头内部电势和场强分布情况，进而验证了提出的新型10kV插拔式电缆中间接头的可靠性。

关键词：10kV配网；电缆接头；快速抢修；电场仿真；供电可靠性

0、引言

随着国家城乡电网改造建设工程的推进，具备优良性能的电力电缆使用越发广泛，尤其对于配电网络，电能输送线路入地的趋势越发明显，电力电缆在配电电网电能传输过程中扮演重要角色，部分城市的10kV配电线路几乎全部采用电力电缆供电[1]。

近年来城市用电负荷逐年增加造成配网电缆线路重载运行的比例越来越高，同时考虑到可能存在的电缆敷设施工工艺不规范、电缆附件安装工艺不合格、电缆遭受外力破坏等情况，导致配网电缆线路故障频发。配网电缆较高的故障率会严重影响配电网络的供电可靠性，降低居民用电满意度[1-4]。为了解决上述问题，一方面需要从源头上治理，严格管控配网电缆及其附件的质量，强调配网电缆线路敷设工程和配网电缆附件安装工程的规范性，降低因电缆及附件性能问题和施工工艺问题而给运行中配网电缆线路带来的潜在风险；另一方面针对已经发生故障的配网电缆线路，需要采取快速可靠的电缆线路抢修策略，第一时间恢复配电电缆线路的电气连接，降低因停电而带来的经济效益损失[5]。

针对配网电缆线路故障段，多采用电缆中间接头来恢复其电气连接。市面上传统的配网电缆中间接头产品现场安装周期长，对安装人员有较高的专业水平要求，且接头性能受差异化施工影响较大。采用传统的配网电缆中间接头实施配网电缆线路故障抢修需要拖动或者新加一条电缆，耗费的材料多、恢复时间长，这可能导致因停电而带来的经济损失较大，影响较为恶劣。因此，基于传统配网电缆中间接头产品的配网抢修方式效率较低，已经不能满足配电电网的发展需求。为了实现高效快速的配网电缆线路运行维护，本文提出了一种基于新型10kV插拔式电缆中间接头的10kV配网电缆快速抢修策略，实现电缆线路发生故障后在无需新增或拉拽电缆的前提下快速有效地恢复电缆线路的电气连接，并基于COMSOL中建立的电场有限元仿真计算模型验证了提出的新型10kV插拔式电缆中间接头的可靠性。

1、10kV配网电缆快速抢修接头

针对采用普通电缆中间接头恢复电缆线路故障段电气连接耗时长、成本高且接头安装质量受施工差异化影响大的问题，本文提出了一种基于新型10kV插拔式电缆中间接头的10kV配网电缆快速抢修策略。新型10kV插拔式电缆中间接头的结构示意图如1所示，其由电缆线芯1、电缆绝缘层2、电缆外半导电层3、应力锥4、绝缘层5、内屏蔽层6、金具7、嵌件8、外屏蔽层9、外壳10组成。

图1 新型10kV插拔式电缆中间接头结构示意图

当电缆线路发生故障后，将事故部分电缆按尺寸剪切，然后分相剥切，套入与新型10kV插拔式电缆中间接头配合的锥头和金具，与新型10kV插拔式电缆中间接头分相连接，再恢复电缆各层结构即可。事故电缆与新型10kV插拔式电缆中间接头的固定连接借助外壳10实现。外壳一端固定在外屏蔽层9上，另一端套在事故电缆上，带动配合的锥头和金具，一起与新型10kV插拔式电缆中间接头连接锁紧。

采用新型10kV插拔式电缆中间接头可以快速恢复电缆最重要的内三层结构（线芯、绝缘层、半导电层）。内三层结构由于是在工厂预制成型，且绝缘层和半导电层采用的材料可以与电缆进行有效交联，可以达到消除界面间隙、避免爬电和局部放电的效果。外部铜屏蔽层、防水层、铠装层等结构由于恢复技术难度低，采用常规方法即可快速恢复。新型10kV插拔式电缆中间接头的外壳为航空铝合金外壳，具备一定程度的防爆性能和避免事故蔓延引起相间短路的优点。因此，相对于市面上传统电缆接头产品，本文提出的新型10kV插拔式电缆中间接头性能和可靠性更高。同时，由标准化、模块化组件构成的新型10kV插拔式电缆中间接头性能在安装过程受施工差异化的影响较小，降低了对安装人员的专业度需求和安装环境条件的要求。由于新型10kV插拔式电缆中间接头的内锥式逐级锁紧结构，足够的接头内部界面压力可以有效阻止外界水分侵入接头内部，并阻断水汽在内部的蔓延现象，因此新型10kV插拔式电缆中间接头在恶劣运行环境条件下仍能保持较高的可靠性。

值得说明的是，新型10kV插拔式电缆中间接头的连接部分采用在工厂内一次性预制成型柔性电缆，其长度可根据现场不同的电缆接头故障抢修情况进行定制。基于对典型电缆抢修场景的总结，研制不同标准长度的新型10kV插拔式电缆中间接头产品，进而实现电缆线路发生故障后在无需新增或拉拽电缆的前提下快速有效地恢复电缆线路的电气连接。因此，应用新型10kV插拔式电缆中间接头实现10kV配网电缆快速抢修具备抢修施工难度较低、抢修成本可控、时间成本可控的明显优势，有效降低电缆故障后电缆长度不够、环境恶劣等因素带来的衍生成本。同时，应用新型10kV插拔式电缆中间接头的配网电缆抢修工艺可以实现标准化，进而使得整个电缆线路的运行维护能够更加高效便捷，具有很高的推广价值。

2、电场仿真模型的建立

新型10kV插拔式电缆中间接头的质量关乎10kV配网电缆快速抢修策略的可靠性，制备过程中可以通过工艺控制和性能测试有效控制新型10kV插拔式电缆中间接头的质量，避免因抢修部件性能瑕疵导致抢修二次事故的发生。为了说明新型10kV插拔式电缆中间接头的可靠性，有必要研究电缆接头内部的电场分布合理性。

有限元分析是一种可靠成熟的科学计算方法，其基于离散化的思想将整体划分为有限数量额子区域，再对每个子区域进行数值的量化分析。考虑到可操作性强、工作效率和求解精度高的优点，有限元分析已经成为国内外研究人员分析复杂问题的重要研究手段，近年来被广泛应用于解决复杂结构的电磁场、温度场、力场、声场等不易使用理论方法直接求解的工程问题。本文通过建立新型10kV插拔式电缆中间接头的电场有限元仿真模型分析接头内部的电场分布，进而为新型10kV插拔式电缆中间接头的可靠性分析提供支持。

考虑到新型10kV插拔式电缆中间接头左右两端结构的对称性，本文建立接头电场仿真模型时只以其中一端为例，其电场仿真计算结果仍适用于另一端结构的可靠性分析。基于新型10kV插拔式电缆中间接头的结构设计参数和物性参数，在COMSOL中建立新型10kV插拔式电缆中间接头关键结构的二维电场仿真模型，其几何模型如图2所示。

图2 新型10kV插拔式电缆中间接头关键结构电场仿真模型示意图

3、10kV配网电缆快速抢修接头电场仿真分析

微分形式下静电场方程如式（1）所示，介质构成方程如式（2）所示，电场强度与标量电位函数之间的关系如式（3）所示。其中，D为电通量密度，E为场强，ρ为电荷体密度，ε为介质的介电常数，ψ为静电场的标量电位函数。结合公式（1）~（3）可以得到静电场电位的泊松方程，如式（4）所示，电位的拉普拉斯方程如式（5）所示。COMSOL的电磁求解模块在求解电位的泊松方程和拉普拉斯方程得到通解的基础上，结合依据实际条件设置的静电场场域边值条件，进而得到静电场的具体解。

                             （1）

                              （2）

                             （3）

                              （4）

                              （5）

基于第二章建立的新型10kV插拔式电缆中间接头关键结构的电场仿真模型，利用COMSOL的电磁计算模块求解运行状态下新型10kV插拔式电缆中间接头内部电场分布结果，得到电势分布云图（如图3所示）和电场强度分布云图（如图4所示）。

图3 新型10kV插拔式电缆中间接头仿真模型电势分布云图

由图3可知，新型10kV插拔式电缆中间接头内部高电势区主要集中在金属部件区域，电势最大值为4.2*104V。由图4可知，新型10kV插拔式电缆中间接头内部绝缘层和应力锥结构承受的电场强度均不高，低于材料的击穿耐受场强。基于有限元仿真模型的接头内部电场分布计算结果表明，本文提出的新型10kV插拔式电缆中间接头结构设计合理，具备足够的绝缘强度，能够实现可靠的电气连接效果。

4、结论

配网电缆线路故障的发生严重影响配电网络的供电可靠性。对于配网电缆故障段，采用传统配网电缆中间接头实施配网电缆线路故障抢修需要拖动或者新加一条电缆，耗费的材料多、恢复时间长。为了解决上述问题，本文提出了一种基于新型10kV插拔式电缆中间接头的10kV配网电缆快速抢修策略，并基于COMSOL中的电磁求解模块计算了新型抢修接头内部的电势和电场分布情况，验证了新型抢修接头相对于市面上传统电缆接头产品性能的优越性，得到如下结论：

1）由标准化、模块化组件构成的新型抢修接头性能在安装过程受施工差异化的影响较小，降低了对安装人员的专业度需求和安装环境条件的要求。新型抢修接头内部足够的界面压力可以有效阻止外界水分侵入接头内部，并阻断水汽在内部的蔓延现象，在恶劣运行环境条件下仍能保持较高的可靠性。同时新型抢修接头外壳为航空铝合金外壳，具备一定程度的防爆性能和避免事故蔓延引起相间短路的优点。

2）应用新型抢修接头实现10kV配网电缆快速抢修具备抢修施工难度较低、抢修成本可控、时间成本可控的明显优势，有效降低电缆故障后电缆长度不够、环境恶劣等因素带来的衍生成本。同时，应用新型10kV插拔式电缆中间接头的配网电缆抢修工艺可以实现标准化，进而使得整个电缆线路的运行维护能够更加高效便捷，具有很高的推广价值。

3）电场仿真计算结果表明，新型抢修接头内部绝缘层和应力锥结构承受的电场强度均不高，低于材料的击穿耐受场强，验证了本文提出的新型10kV插拔式电缆中间接头结构设计的合理性和可靠性。

参考文献

[1] 杨春宇. 电力电缆故障分析与诊断技术研究[D]. 大连：大连理工大学，2013.

[2] 李喆，惠宝军，徐阳，等. 10kV 电缆中间接头典型缺陷局部放电发展过程研究[J]. 电线电缆，2015(05)：5-10.

[3] 常文治. 电力电缆中间接头典型缺陷局部放电发展过程的研究[D]. 北京：华北电力大学，2013.

[4] 刘刚, 陈志娟. 10kV 交联聚乙烯终端应力锥缺陷分析[J]. 高电压技术, 2007, 33(5).

[5] 孙东. 电力电缆中间接头故障分析与检测研究[D]. 淄博：山东理工大学，2020.