10 kV XLPE电缆缺陷状态下的电场分布分析

唐毅博　傅 伟　黄 强　徐 巧　许 望　何宏鹏

(1. 国网浙江松阳县供电公司， 浙江 松阳 323400;2. 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)



10 kV XLPE电缆缺陷状态下的电场分布分析

唐毅博1傅 伟1黄 强1徐 巧1许 望1何宏鹏2

(1. 国网浙江松阳县供电公司， 浙江 松阳 323400;2. 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：建立10 kV XLPE电力电缆故障仿真模型，利用有限元分析法模拟分析电缆正常运行、存在气隙、存在水缝隙、钢钉扎入等电缆电场情况等。通过几种仿真分析，认为电缆缺陷会导致接地线电场的变化。

关键词：电力电缆故障； Ansoft仿真； 接地线电场； 有限元法

掌握电缆运行状态，及时发现和修复故障隐患，对降低城市地区10 kV电缆故障率，保障供电可靠性具有重要意义。通常电缆故障主要有几种情况：电缆安装时导致接头工艺缺陷及电缆绝缘老化现象; 有缺陷的电缆各层介质电场发生畸变,缺陷严重时甚至会导致绝缘层击穿;屏蔽层电场的畸变在铜屏蔽层形成产生脉冲电流，并通过接地线流入大地。本次研究针对10 kV XLPE电力电缆故障进行仿真分析，利用有限元分析法对电缆缺陷情况进行仿真计算，拟为依据电场测量判断电缆故障的方法提供借鉴。

1电缆仿真模型的构建

1.1电缆周围电场分布基础理论

在电缆导体上施加电压，导体周围将产生电场。由于工频电压下电场随时间变化缓慢，计算时可按电准静态场来处理。将电力电缆的电场分布简化为通电直导线周围的电场分布，实际的电力电缆长度相对于监测点来说，可以看作无限长直导线。设线电荷τ(x0,y1)在直角坐标系中的位置如图1所示，A0为电势参考点。该线电荷在任意场点A(x,y)处产生的电势为：

(1)

式中：r为线电荷τ(x0，y1) 到场点A(x，y)的距离；r0为线电荷τ(x0，y1) 到电势参考点A0(x0，y0)的距离。由此可以得到相应的电位系数：

图1　载流导线电场计算模型

由电场强度与电势之间的梯度关系可得：

(2)

其中场强系数为：

1.2电缆电场仿真模型

电缆导体上加载电压激励，在导体周围将产生电场。由于低频电压下电场随时间变化缓慢，分析时可将其近似看做静电场，静电场的基本方程如式(3)所示:

(3)

选择单芯电力电缆(见图2)，不同的部位所用材质不同，所发挥的作用也不同。线芯是传导电流的通路，常用的电缆线芯材料是铜或铝，具有较高的导电性能和较低的线路损耗。绝缘层可以隔断高压导体与外界的电气连接。

图2　单芯电缆结构图

采用Ansoft软件建立的电缆三维仿真模型。图3所示为电力电缆三维物理模型。图4所示为电力电缆终端三维物理仿真模型。

图3　电力电缆三维物理模型

图4　电力电缆终端三维物理仿真模型

电缆终端参数如下：铜芯半径,5.7 mm;绝缘半径,5.3 mm; 半导体半径,0.7 mm;铜屏蔽半径,0.5 mm;钢带铠装厚度,1 mm;护套半径,8 mm。电力电缆铜芯采用的是紧压铜导体，绝缘层采用的是超净化交联聚乙烯材料，介电常数为2.25，电导率为0。

210 kV XLPE电缆缺陷仿真分析

2.1电缆正常运行时周围电场仿真分析

根据实际电缆模型建立仿真模型，选择静电场求解器，内层铜芯电压设为14 140 V，屏蔽层接地电压设为0 V，正常运行电缆横向电场分布及径向电场分布如图5所示。

图5　10 kV XLPE电缆正常运行电场分布

越靠近电缆铜芯位置电场强度越大，最大电场强度约为3.6×106Vm，屏蔽层外的电场强度为0 Vm，屏蔽层上电场强度几乎为0 Vm，这是因为半导体屏蔽层具有屏蔽电场的作用。由图5可以确定电缆沿半径方向的电场变化，铜芯内部与屏蔽层外部电场强度为0 Vm，绝缘层电场变化接近直线。

2.2存在气隙的电缆电场仿真分析

设置一扇形缺陷,割伤角度为0.174 rad，半径为3 mm，长度为10 mm。图6所示为存在气隙的10 kV XLPE电缆电场分布图。当气隙靠近铜芯，且破坏半导体屏蔽层时，其仿真结果如图6a所示。电缆存在气隙，导致缺陷附近电场产生了畸变，其中屏蔽层附近电场畸变最为明显。存在气隙的电缆沿半径方向的电场分布曲线如图6b所示。与电缆正常运行相比较，电缆屏蔽层附近电场产生了畸变，屏蔽层电场强度大约为2.6×106Vm。

图6　存在气隙的10 kV XLPE电缆电场分布图

2.3存在水隙的电缆电场仿真分析

将气隙改成水隙，其他条件不变，其仿真结果如图7所示。在水隙条件下整个电缆的电场发生了畸变，电场强度减弱。从径向电场分布曲线可以看出，电缆铜芯处径向电场减弱，至半导体层处电场强度开始增大，在铜屏蔽层处达到最大值，约为7.5×106Vm。

2.4钢钉扎入电缆的电场仿真分析

设计一扇形钢钉,深为6 mm，厚度为2 mm，幅度为0.087 rad的扇形钢钉，其仿真结果如图8所示。钢钉扎入电缆主绝缘后，钢钉附近电场发生畸变，整个区域不再是沿铜芯半径向外电场逐渐减弱，而是在钢钉针尖处电场强度最大，大约为1.2×107Vm。

3仿真结果比较

对比电缆不同缺陷的电场仿真结果：在电缆无缺陷时，电场最大强度出现在电缆绝缘内表面，其值为3.6×106Vm屏蔽层及以外的电场强度为0；当缺陷为气隙时，电场主要畸变发生在屏蔽层，最大电场强度出现在绝缘内表面，其值为3.5×106Vm，电缆绝缘外表面电场强度大约为1.2×106Vm，而铜屏蔽层处出现了峰尖，电场强度达到2.6×106Vm，屏蔽层外部的电场强度仍为0；当缺陷为水隙时，径向电场畸变明显，电场最大强度点转移到电缆通屏蔽层外表面，其值为7.5×106Vm，主绝缘内表面电场强度大约为3.3×106Vm，绝缘外表面电场强度大约为1.0×106Vm；当缺陷为钢钉扎入时，电场最大强度点转移至钢钉针尖处，其值为1.2×107Vm，电缆主绝缘内表面电场强度大约为8.8×106Vm，铜屏蔽层外表面电场强度大约为3.0×105Vm。

图7　存在水隙缺陷的10 kV XLPE电缆电场分布

综上所述，3种缺陷电场均有畸变。其中存在气隙畸变与水隙缺陷时，电缆屏蔽层电场畸变严重，而绝缘层电场畸变较小。当电缆有钢钉扎入时，绝缘层电场畸变明显，尤其是针尖处。在这种缺陷情况下，若电缆长期运行，很可能导致绝缘层击穿，造成严重危害。尤其值得注意的是在以上3种缺陷条件下，电缆屏蔽层都发生了严重的畸变，畸变电场在铜屏蔽层内外表面上形成了电势，铜屏蔽层经地线接地，畸变的电场在电缆铜屏蔽层产生脉冲电流，容易发生局部放电现象。

图8　钢钉扎入电缆的横向电场分布

4结语

本次研究在有限元仿真分析的基础上，对比分析电缆在正常运行时与存在3种缺陷时的电场分布。分析得出以下结论：

(1)气隙对电缆屏蔽层处的电场分布影响较大，绝缘层处电场也发生畸变，并且越靠近屏蔽层，畸变越明显。

(2)水隙对整个电场的分布有明显影响，尤其对屏蔽层处电场分布影响最大，电场在绝缘层呈减弱趋势，在屏蔽层呈加强趋势，最大电场强度在屏蔽层外表面。

(3)钢钉扎入缺陷对电缆的绝缘层电场分布影响最大，长期运行容易击穿绝缘层而导致放电。

(4)3种缺陷状态下的仿真结果显示，屏蔽层电场均有明显畸变。

参考文献

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[3] 张龙，张 伟，李锐鹏，等.10 kV XLPE 电缆终端缺陷仿真与电场分析[J]. 绝缘材料，2014,47(4)：83-88.

[4] 韩轩，马永其. 高压交联电缆终端预制橡胶应力锥的研究进展[J]. 绝缘材料，2007，40(4):12 -17.

Analysis on Electric Field Distribution of 10 kV XLPE Cable Defects

TANGYibo1FUWei1HUANGQiang1XUQiao1XUWang1HEHongpeng2

(1.Songyang Power Supply Company of State Grid, Songyang Zhejiang 323400, China;2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology,Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract:Based on the content of 10 kV XLPE power cable fault simulation, this paper focuses on analysis and research on cable electric field conditions of normal operation, existence of air or water gap and steel nail plunging with the help of the finite element analysis simulation. According to cable defects simulation, cable defect will lead to the change of the electric field.

Key words:fault of power cable; Ansoft simulation; electric field of ground wire; finite element

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：唐毅博(1984 — )，男，广西桂林人，工程师，研究方向为配电网技术。

中图分类号：TM744

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)02-0107-04