接地不良缺陷对高压XLPE电缆终端的影响

叶冠豪， 吕立翔, 洪 露

( 国网南京供电公司, 江苏 南京 210019)

0 引言

伴随我国经济社会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日益广泛的应用。以南京为例，2013—2016年，35 kV及以上电压等级电缆线路总长度平均年增速为9.2%，总里程已经突破了1300 km。其中，高压交联聚乙烯(XLPE)电缆以其电气性能优越、耐热性和机械性能好、最高允许连续运行工作温度高、载流负荷能力强、敷设安装方便等技术特点，已在国内的城市电网和大型水电站、变电站出线等领域得到广泛应用，成为目前使用比例最高的高压电力电缆[1-5]。与此同时，已投入运行电缆线路的统计资料显示，国内电缆运行可靠性与欧美日等发达国家的运行可靠性相比仍有较大差距。2009—2011年，国家电网公司运营范围内高压XLPE电缆故障统计结果显示，终端故障占比约为20%。其中，接地不良导致的故障在终端故障中约占35%。接地不良缺陷给高压电力电缆的安全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[6-10]。

电力电缆工作者在高压XLPE电缆终端故障上作了大量的研究工作。然而，以往在故障原因的研究中大多只给出定性的研究结论，较少进行定量的仿真计算。在接地不良后果分析中，绝大部分也仅进行了电学分析，而对于温度场以及相应化学产物的研究相当匮乏[11-17]。

因此，为了全面、定量地研究接地不良对高压XLPE电缆终端的影响，文中在ANSYS有限元分析软件中建立了高压XLPE电缆终端的仿真模型，并模拟了接地不良缺陷，通过有限元软件定量仿真计算接地不良带来的影响。与此同时，在实验室中构建了接地不良工况下的实物模拟实验，通过红外成像仪进行了温度场检测，并通过傅氏转换红外线光谱分析仪(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)、扫描式电子显微镜X光微区分析 (scanning electron microscope-energy dispersive spectrometer, SEM-EDS)等先进的材料学测试方法，分析了阻水带中产物成分，较为全面地研究了高压XLPE电缆终端接地不良带来的影响。

1 仿真软件与实验模型

1.1 仿真软件

文中采用了ANSYS有限元分析软件进行仿真计算。ANSYS软件是美国ANSYS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。文中通过在ANSYS软件中建立高压XLPE电缆终端模型，并设置接地不良故障，实现对故障终端的电参数与温度场的分析计算。

1.2 实验模型

在实验室环境下，文中通过搭建电缆实物模型，进行了模拟实验分析。通过红外成像仪与钳形电流表、电压表进行测量，并与ANSYS软件中的仿真分析结果进行对比。为充分反映电缆终端接地不良故障，实物仿真中，未将终端尾管接地。

2 电缆终端接地不良的电学分析

2.1 电缆终端电参数理论计算

针对电缆终端接地不良故障，首先对电缆终端建立参数分析模型与电压等值计算模型。考虑到缓冲层容抗值远小于电缆主绝缘的容抗值，在建立等值计算模型时将缓冲层忽略，建立的模型分别如图1、图2所示。

图1 高压XLPE电缆终端参数分析模型Fig.1 Parameter analysis model of high voltage XLPE cable terminal

图2 高压XLPE电缆终端电压等值计算模型Fig.2 Voltage equivalent calculation model of high voltage XLPE cable terminal

首先通过等值计算模型进行初步计算。查阅普通物理学教材，得到XLPE介电常数为2.5，护套材料PE的介电常数为2.3[18]。使用游标卡尺测量，实验电缆各部件的尺寸如表1所示。

表1 实验电缆各部件尺寸Tab.1 Dimensions of experimental cable mm

空气相对介电常数ε空=1，真空绝对介电常数ε0=8.85×10-12F/m，应力锥半导电体积电阻率取ρ1=0.5 Ω·m。电阻计算公式为：

R=ρL/S

(1)

式中：ρ为材料电阻率;L为材料长度;S为材料截面积。

圆柱形电容计算公式为：

C=2πε0ε/ln(Db/Da)

(2)

式中：Db为外层圆柱直径;Da为内层圆柱直径。

容抗计算公式为：

X=1/2πfC

(3)

结合各温度下高压XLPE电缆绝缘屏蔽的体积电阻率，如表2所示，计算得出实验电缆各电学参数值：R1为41.5 Ω；R2为21.1 Ω；Xi为6×104Ω；Xs为1.5×103Ω；X杂为1×108Ω。

表2 高压XLPE电缆绝缘屏蔽体积电阻率Tab.2 Volume resistivity of insulation shield of high voltage XLPE cable

接地铜编织线与电缆铝护套及终端尾管连接正常情况下，R地=0 Ω，Ua=0 V。一旦接地铜编织线存在虚焊或环氧泥混合不均匀致未完全固化时，会导致电缆终端进潮，造成铜编织线与铝护套和尾管处的焊接点发生氧化腐蚀，导致R地逐渐增加，致使Ua值上升，加速铜编织线焊接点的腐蚀。随着R地不断增加，Ua值受到R1与R2的钳制，逐渐趋向稳定。在将接地线完全去除后，实际测量Ua为89.6 V，根据欧姆定律，计算可得流经R1与R2的电流值约为1.12 A，远高于正常运行时通过R1与R2的电流值。使用钳形电流表测量，证实流经绝缘屏蔽的电流值约为1.1 A。

2.2 电缆终端电参数有限元软件分析

电缆导体上施加电压，在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。电准静态场的基本方程组为：

×E=0

(4)

(5)

·D=ρ

(6)

·B=0

(7)

式(6)中ρ为体电荷密度。将式(6)代入电流连续性方程：

(8)

得到：

·J+·J+jω·D

(9)

对于各向同性介质有特性关系式：

J=γE

(10)

D=εE

(11)

式中:γ和ε分别为介质电导率和介电常数。引入标量位函数：

φ=-E

(12)

则从(9)即可推出下列方程：

·[(γ+jωε)φ]=0

(13)

使用ANSYS软件建立电缆终端模型进行电参数仿真计算，结果如图3所示。接地铜编织线完全腐蚀脱离后，电缆铝护套电压约为79 V，与理论计算结果较接近。

图3 终端接地不良时电压分布Fig.3 Voltage distribution under terminal imperfect grounding

对终端接地不良时的绝缘屏蔽进行电流密度分析，结果如图4所示。分析结果显示，接地铜编织线焊接点完全腐蚀脱离后，故障点绝缘外屏电流密度高达4400 A/m2。根据表1尺寸进行计算，得出通过绝缘屏蔽的电流约为0.988 A，与理论计算的结果相近。说明电缆终端接地不良时，绝缘屏蔽承载了悬浮电压，导致流经绝缘屏蔽的电流相应增加。

图4 终端接地不良时电流分布Fig.4 Current distribution under terminal imperfect grounding

3 电缆终端接地不良的温度场分析

实验电缆各材料的导热参数值如表3所示。当终端接地不良时，绝缘屏蔽会因为流经的电流而发热。为全面地反映问题，环境温度选取南京地区夏季均温29 ℃与冬季平均气温3 ℃两种进行建模分析。夏季时，接地不良情况下绝缘屏蔽处温度分布如图5所示。电容电流从绝缘屏蔽流过，导致发热。其中，温度最高的位置在应力锥下端口7 cm处，约为106 ℃，温度从外向内递减，温度最高点附近主绝缘温度在97 ℃以上。

表3 实验电缆各材料导热系数值Tab.3 Thermal conductivity of experimental cable materials W·(m·k)-1

图5 夏季终端接地不良时温度分布Fig.5 Temperature distribution under terminal imperfect grounding in summer

应用热-结构分析方法，构造由电缆结构(线芯、绝缘、屏蔽层，缓冲层、铝护套、外护套)与复合套管终端末端结构(尾管、环氧泥、防水带、热缩管)、空气组成的模型，如图6所示。

图6 电缆终端热结构模型Fig.6 Cable terminal thermal structure model

使用有限元软件对29 ℃时，环氧泥、电缆外护套、尾管、热缩管等部件位移进行形变分析，如图7所示。仿真表明位移量最大约为0.7 mm。

图7 夏季电缆终端各部位形变Fig.7 Deformation of each part in cable terminal in summer

同样方法，冬季时，故障点绝缘外屏处温度如图8所示。ANSYS软件仿真表明，在冬季，低负荷运行时，故障点绝缘外屏温度约为69 ℃，温度从外向内递减，温度最高点附近主绝缘温度在62 ℃以上。对电缆终端形变量进行分析，仿真结果显示最大位移量为0.6 mm。

图8 冬季终端接地不良时温度分布Fig.8 Temperature distribution under terminal imperfect grounding in winter

可以推论，系统运行时，故障点温度将在69～106 ℃范围内浮动，附近主绝缘温度也达到了62～97 ℃的变化范围。考虑到我国炎夏大部地区最高气温将达到39 ℃以上，最高温度也将相应升高。交联聚乙烯的长时间运行温度应低于90 ℃[19-20]。若主绝缘温度较长时间超过规定值，将很可能导致绝缘劣化，进而引起绝缘失效。并可能产生热膨胀，形成气隙，引起发热和灼烧，最终导致击穿故障。

为了进一步确认仿真结果，在实验室环境下进行了模拟实验分析。在环境温度为29 ℃时，将终端接地去除，待温度稳定后，使用红外成像仪进行检测，图9为得到的红外图谱，测得最高温为103.8 ℃，最低温为39.3 ℃和平均温度为61.5 ℃。

图9 终端接地不良时红外图谱Fig.9 Infrared spectrum under terminal imperfect grounding

其中，电缆外半导电层最高温度为103.8 ℃，与仿真实验结果相近。证实了仿真实验的有效性，说明电缆终端接地不良将一定程度上导致绝缘屏蔽发热，影响绝缘性能。

4 电缆终端接地不良的产物分析

对实验电缆终端中绝缘屏蔽与铝护套之间的半导电缓冲带进行FTIR、SEM-EDS测试，结果如图10、图11所示。

图10 样品原样红外谱Fig.10 Original sample infrared spectrum

图11 样品灰分红外谱Fig.11 Sample ash infrared spectrum

图10中，FTIR测试结果显示峰值出现在波数为2000处，与羧酸谱图高度吻合，表明样品含有羧酸盐。对分析样品进行灰化并对其灰分进行FTIR测试，测试结果如图11所示。与图10相比，图谱发生了50 cm-1的红移，与金属氧化物图谱相吻合。根据上述测试结果，推测该白色物质为氧化铝、氧化锌混合物。具体形成原因很可能为电位差引起异常热效应所致。

SEM-EDS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-EDS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%。

分析结果表明，接地不良时会产生羧酸盐以及金属氧化物等物质。这些物质一定程度上会增强绝缘屏蔽的导电性能，提高通过绝缘屏蔽的电流值，加速电缆绝缘的发热及老化。

5 结语

高压XLPE电缆终端接地不良会导致绝缘屏蔽处产生悬浮电压，产生流经绝缘屏蔽的表面电流；绝缘屏蔽表面电流会导致电缆绝缘温度上升，引起热膨胀，产生结构位移，形成气隙，并可能引起电缆灼烧，最终造成击穿故障；终端接地不良时会产生羧酸盐以及金属氧化物等物质，导致绝缘屏蔽电阻进一步降低，流经绝缘屏蔽电流值进一步加大，加速电缆终端发热老化。