城网电缆绝缘缺陷电场及漏电流仿真分析

刘加国 辛 欣 高运兴 于新龙 李泽冰 刘云良 王 晶

(1.国网山东省电力公司泰安供电公司，山东 泰安 271021；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)

电力电缆是电力系统的重要组成部分，随着我国电力需求的持续增长，对电力电缆的运行要求必须是长期、连续和安全稳定的[1]，因此，对电缆绝缘状态的检测变得至关重要。由于传统的常规性预防试验无法有效发现绝缘缺陷，具有破坏性，且停电会造成严重经济损失，故近年来国内外出现了大量对电缆绝缘状态在线检测技术的研究[2-5]。目前已提出的方法有直流叠加法、在线介质损耗角正切法、低频叠加法、接地线电流法等[6-9]。直流法虽能反映电缆的老化程度，但稳定性差，抗干扰能力低；低频法则会增加系统中的谐波分量，影响电能质量。

本次研究基于Ansoft Maxwell软件建立了城网10 kV单芯电缆缺陷模型，对电缆正常运行时、绝缘层带气隙、水隙、有钢钉扎入以及多缺陷组合等情况进行了电场仿真，并对电缆铜屏蔽层上的泄漏电流进行仿真，验证了以漏电流诊断电缆绝缘缺陷的可行性[10]。

1 电缆正常运行时周围电场仿真分析

选用Ansoft Maxwell软件对10 kV电力电缆进行电场仿真分析，基本方法为有限元分析法。电缆导体上加载电压激励，在导体周围产生电场，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作静电场。选取铜作为线芯材料，再对各层绝缘介质分别设置电导率与介电常数，得到的单芯电缆截面结构图如图1所示。

图1 单芯电缆结构示意图

根据实际建立电缆仿真模型，其终端参数为：铜芯半径为5.7 mm，绝缘半径5.3 mm，半导体半径为0.7 mm，铜屏蔽半径为0.5 mm，钢带铠装厚度为1.0 mm，护套半径为8.0 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。

选择静电场求解器，内层铜芯电压设为14 140 V，屏蔽层接地端电压设为0 V，得到电场仿真结果如图2所示。

从图2可以看出越靠近电缆铜芯位置电场强度越大，最大电场强度约为3.6×106V/m，屏蔽层外的电场为0 V/m，屏蔽层上的电场几乎为0 V/m，这是因为半导体屏蔽层具有屏蔽电场的作用。

图2 10 kV电缆正常运行电场分布

2 具有气隙的电缆电场及漏电流仿真分析

保持激励源大小不变，设置割伤角度为0.174 rad，半径为3 mm，长度为10 mm的一扇形空气缺陷。当气隙靠近铜芯，且破坏半导体屏蔽层时，其仿真结果如图3所示。结果显示，与电缆正常运行相比较，气隙缺陷附近的电场产生了畸变，屏蔽层附近电场畸变最为明显，大约为2.6×106V/m。

图3 屏蔽层具有气隙的10 kV电缆电场分布

接着进行电流仿真。因静电场中不存在电流，故将求解器改为瞬态电场，再将电缆线芯中的电压激励设置为相应大小的工频正弦值，停止时间设为2个周期即40 ms，最大时间差为1 ms，得到某一时刻的仿真结果如图4所示。

从图4可以看出，分布在气隙上的电流值与电缆其他位置处的电流值有着极大的差异，并且在铜屏蔽层上达到最大。这说明气隙的存在使周围电场发生畸变，从而在铜屏蔽层上能感应出高频脉冲漏电流。

3 具有水隙的电缆电场及漏电流仿真分析

在模型中将气隙改成水隙，其他条件不变，其仿真结果如图5所示。可以看出，在水隙条件下整个电缆的电场发生了畸变，电场强度随电缆铜芯往外逐渐减小，至半导体层处又开始增大，在铜屏蔽层处达到最大值，约为7.5×106V/m。

图4 具有气隙的10 kV电缆表面电流分布

图5 具有水隙缺陷的10 kV电缆电场分布

在瞬态电场中，选取某一时刻的电流仿真结果如图6所示。由于所选水介质具有一定的导电性，故电流在水隙中的分布比在气隙中的分布要广，且在铜屏蔽层上达到最大值。

4 钢钉扎入电缆的电场及漏电流仿真分析

建立深6 mm，厚度2 mm，弧度为0.087 rad的扇形钢钉，其仿真结果如图7所示。钢钉扎入电缆主绝缘后使其附近电场发生畸变，整个电场不再是沿半径向外逐渐减小，在钢钉针尖处电场强度最大，大约为1.2×107V/m。

图6 具有水隙的10 kV电缆表面电流分布

图7 有钢钉扎入时10 kV电缆电场分布

具有钢钉扎入缺陷的电流仿真结果如图8所示。由于钢钉本身电导率大，在钢钉扎入处的电流值明显高于电缆其他位置，且钢钉与铜介质相接处电流值达到最大。

图8 有钢钉扎入的10 kV电缆表面电流分布

5 多缺陷组合下的电场及漏电流仿真分析

建立以电缆轴心为对称的气隙和水隙缺陷，其参数设置与前面的一致，在静电场下其电场仿真结果如图9所示。当气隙与水隙同时存在时，2种缺陷周围电场均发生畸变，且与单独存在时不同。气隙周围电场最大值约为4.1×106V/m，水隙周围电场最大值约为3.3×106V/m，其均在单缺陷最大电场值之间。

图9 具有组合缺陷的10 kV电缆电场分布

组合缺陷下的10 kV电缆表面电流仿真结果如图10所示。由于水隙的电导率远大于气隙，故因电场畸变产生的电流几乎都分布在水隙上，再通过铜屏蔽层流至接地端。

图10 组合缺陷下10 kV电缆表面电流分布

6 结 语

根据仿真结果分析可知，与电缆正常运行时相比，在有缺陷的情况下电缆内部电场会发生畸变，导体间绝缘易发生击穿，如果持续保持这种状态，将会出现高频放电现象，在铜屏蔽层上产生高频漏电流。高频电流分量随着铜屏蔽网流至接地端，故可在电缆接头出口处测得漏电流值，实现对电缆故障的诊断。该仿真结果为利用漏电流诊断电缆绝缘缺陷方法提供了可行性证明和理论依据。