单芯电力电缆中间接头工频电场分布仿真研究

盛金马　常 江　谢 涛　李鸿鹏　葛 成　谢雨桐

(1. 国网安徽省电力公司经济技术研究院， 合肥 230022； 2. 国网安徽省电力公司， 合肥 230061；3. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)



单芯电力电缆中间接头工频电场分布仿真研究

盛金马1常 江1谢 涛2李鸿鹏1葛 成1谢雨桐3

(1. 国网安徽省电力公司经济技术研究院， 合肥 230022； 2. 国网安徽省电力公司， 合肥 230061；3. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)

摘要：解析预制式单芯电力电缆中间接头结构，基于Ansoft Maxwell软件建立了三维单芯电力电缆中间接头仿真模型，得到中间接头在正常运行、屏蔽层被破坏及开裂状态下的工频电场分布，提取了电场特征信息。

关键词：单芯电力电缆； 中间接头； 工频电场； 状态检测

制造、运输和施工的过程均具有局限性，每段电力电缆的长度也有限。工程实践中，需要将数根电缆连接起来使用，两段电缆中间的连接附件称为电缆中间接头。统计数据表明，电缆中间接头是电缆最薄弱的环节，电缆中间接头故障占电缆运行故障的70%左右[1-3]。目前电缆故障检测通常比较被动，往往发现电力传输中断或异常后才启动电缆故障检测，只能进行事后补救[4-6]。如果能够实现在线检测，在电缆故障出现的早期进行预警，就能够及时排除隐患、降低电缆故障率，以确保配电网的安全性、稳定性、经济性。

本次研究基于Ansoft Maxwell软件，仿真分析电缆接头在正常运行、屏蔽层破坏及整体开裂状态下的工频电场分布，拟为基于电磁场特征的电缆接头状态检测方法[7-9]提供理论支撑。

1单芯电缆中间接头结构及常见缺陷

按照安装方式和使用的绝缘材料来分类，电力电缆中间接头主要分为冷缩式、热缩式、预制式等类型。预制式电缆中间接头制作工艺相对较简单，安装方便，并且具有对环境、运行维护人员影响小等优点而得到广泛应用；因此，本次研究选择预制式电缆中间接头进行仿真建模分析。

分别分析10 kV单芯XLPE电缆接头纵截面和横截面。图1 所示为单芯XLPE电缆接头横截面结构示意图，图2所示为单芯XLPE电缆接头纵截面结构示意图[10]。

图1　单芯XLPE电缆接头横截面结构示意图

图2　单芯XLPE电缆接头纵截面结构示意图

电缆接头用于实现电缆的延长与接续，需要保证一定的绝缘性与密封性，以满足复杂工作环境的要求，其结构主要包括芯线、绝缘层和屏蔽层。

预制型电力电缆中间接头的故障缺陷大致可以概括为2类：一类是电力电缆中间接头内部的各个绝缘层的固有缺陷；另一类是在各个绝缘层、屏蔽层间界面上所产生的缺陷。

对电力电缆中间接头屏蔽层被破坏与接头处整体开裂这两种缺陷进行深入研究，探讨不同情况下电缆中间接头表面的工频电场分布。

2正常运行时电缆中间接头的电场分布

利用Ansoft Maxwell软件建立三维仿真模型，如图3所示。

所建立电缆接头仿真模型的芯线材料选择铜材，在Ansoft中选定copper；电力电缆外面的绝缘外皮材料的介电常数设为4，材料设置为各向同性；电力电缆接头处绝缘材料的介电常数设为3，材料设置为各向同性。

图3　预制式电缆接头三维仿真模型

正常运行时，电缆中间接头横向断面、纵向断面的电场分布分别如图4、图5所示。

图4　正常运行时电缆接头横向断面电场分布

图5　正常运行时电缆接头纵向断面电场分布

可以看到，电缆接头内部电场分布较为均匀，结构层次清晰可辨。电缆中间接头处电场在通过第一层屏蔽罩时大部分被屏蔽，其余透出部分电场强度被电缆中间接头外部铅皮屏蔽。电场强度在芯线附近为1.3×106Vm，向外衰减，到铅皮内侧约为3.0×105Vm，再到外表面则基本上被屏蔽掉。因此，电缆中间接头处的屏蔽罩对其电场屏蔽起着至关重要的作用。

3屏蔽层被破坏时电缆中间接头的电场分布

通过分析电缆中间接头正常运行时的电场分布情况可知，电缆中间接头屏蔽层对电场具有显著的屏蔽作用，正常运行状态下电缆表层的电场强度非常微弱。当电缆中间接头处的屏蔽层被破坏时，将会对电场的屏蔽效果产生较大影响。

图6、图7所示分别为电缆接头屏蔽层被破坏时，电缆中间接头横向断面、纵向断面的电场分布。

图6　屏蔽层被破坏时电缆接头横向断面电场分布

图7　屏蔽层被破坏时电缆接头纵向断面电场分布

仿真计算结果显示，屏蔽罩外侧被破坏处的电场强度相比于正常运行情况下的电场强度明显增大。屏蔽罩的损坏在一定程度上削弱了电场的屏蔽效果，使得外部场强增大。

4接头开裂时电缆中间接头的电场分布

电缆中间接头由两段电缆对接而成，结构比较脆弱，在运行过程中经常承受较强的拉伸、震动等机械应力，时常出现开裂等状况。在此，我们模拟电缆中间接头出现开裂的状况，设电缆中间接头处的连接管、屏蔽罩、铅皮与预制件等接头附件均出现裂口，使得导体线芯直接暴露在空气中。此时，电缆中间接头横向断面、纵向断面的电场分布仿真结果分别如图8、图9所示。

图8　电缆接头开裂时的横向断面电场分布

分析可知，当电缆接头处出现开裂情况时，裂口处的电场强度显著加大，在接头外表面处电场强度仍达到105Vm数量级。在裂口以外的其他区域，仍受到屏蔽层的屏蔽作用，电场强度有所增大，但是并不明显。

图9　电缆接头开裂时纵向断面电场分布

5结语

根据仿真结果分析可知，电缆中间接头在正常运行状态下电场分布较为均匀，层次清晰可辨。由于接头处有屏蔽罩与铅皮2层屏蔽层，由芯线至接头外表面的电场强度衰减，接头外表面处的电场强度已非常微弱。当电缆中间接头屏蔽罩被破坏或出现开裂情况时，对屏蔽效果产生较大影响，接头外表面存在一定强度的电场。

参考文献

[1] 胡钰林.电线电缆绝缘检测技术的研究[D].南京：东南大学,2004：10-20.

[2] 周凤争,孟庆霖,朱晓辉,等.10kV 电缆附件典型缺陷仿真与绝缘故障分析[J].绝缘材料,2011 (4): 67-69.

[3] 刘畅,崔景顺,袁巧林,等.电力电缆故障定位方法及在线监测技术综述[J].电源技术应用,2013(2): 226.

[4] 罗俊华,杨黎明,姜芸,等.电力电缆运行、故障及试验综述[J].电力设备,2004(8)：4-8.

[5] 周明,李志强,刘静.浅谈电力电缆的故障原因及防范措施[J].新疆电力技术,2013(1):9-12.

[6] 魏钢.高压交联聚乙烯电力电缆接头绝缘缺陷检测及识别研究[D].重庆：重庆大学,2013：15-20.

[7] 万保权,干喆渊,何旺龄,等.电力电缆线路的电磁环境影响因子分析[J].电网技术,2013,37(6): 1536-1541.

[8]蒋宏济,万力,王继纯.110kV 电缆电磁辐射对环境的影响[J].高电压技术,2005,31(1): 87-88.

[9] 安爱民,张爱华,张浩琛,等.同轴电缆的电磁特性可视化模拟与仿真实现[J].电工技术学报,2013,28(增刊2): 167-171.

[10] 夏新民.电力电缆头制作与故障检测[M].第2版. 北京：化学工业出版社,2012：30-50.

Simulation Study on Power-Frequency Electric-Field Distribution of Intermediate Joint of Single-Core Power Cable

SHENGJinma1CHANGJiang1XIETao2LIHongpeng1GECheng1XIEYutong3

(1. Research Institute of Economic and Technology, Anhui Electric Power Corporation of State Grid,Hefei 230022, China; 2. Anhui Electric Power Corporation of State Grid, Hefei 230061, China;3. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology,Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract:The structure of the prefabricated intermediate joint of single-core power cable was analyzed in this paper, and the 3D simulation model of the single-core power cable intermediate joint was built based on Ansoft Maxwell. The power-frequency electric-field distributions under the three conditions, i.e. normal operation state, shielding layer destroyed and cracking state, were obtained and the characters of the electric-field distribution were analyzed.

Key words:single-core power cable; intermediate joint; power-frequency electric-field; state detection

收稿日期：2015-11-02

基金项目：中央高校基本科研业务费项目“电力电缆接头状态非接触式检测原理及方法研究”(CDJXY150008)

作者简介：盛金马(1981 — )，男，安徽庐江人，高级工程师，研究方向为输电线路设计。

中图分类号：TM154

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)02-0101-03