配电电缆附件XLPE/SIR界面缺陷特性及其对电场分布的影响研究

张世栋，苏国强，刘合金，张林利，李 帅

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

造成电缆附件混入杂质的原因复杂多样，主要包括：安装过程中操作不当导致半导电层残留、半导电胶渗透到绝缘界面、绝缘材料或金属颗粒残留等［13-14］。对于缺陷对附件内部电场的影响，众多学者进行了相关研究，He 等［15］基于模拟电荷法针对电缆接头中气隙缺陷和水膜缺陷等进行了仿真，结合随机游走理论描述了缺陷周围电树生长的随机过程。Sobhy S 等［16］针对电缆附件空隙缺陷、受潮缺陷进行仿真分析了缺陷位置以及大小对场强的影响。刘琦等［17］基于有限元法，对电缆附件制作过程中产生的缺陷进行了定量分析计算，分析了不同缺陷情况下中间接头内部的电场分布情况。统计表明，XLPE/SIR 绝缘介质界面是电缆附件绝缘的薄弱环节［18-19］，但由于电缆附件界面结构的复杂性，较难通过实验手段直接进行界面缺陷性能表征。

针对电缆附件复合界面处的3 种典型缺陷，设计了XLPE/SIR 双层结构界面缺陷，并对引入不同缺陷的试样分别进行击穿实验，进而展开仿真研究，通过建立双层结构界面缺陷模型仿真模型，计算了界面缺陷引起的电场畸变，将其与实验结果进行对比；进一步将缺陷模型扩展到配电电缆中间接头，研究电缆中间接头的内部电场分布。

1 模型构建

1.1 XLPE/SIR双层结构界面缺陷模型构建

由于电缆附件结构复杂，较难直接针对整支电缆附件进行界面缺陷击穿测试。而实际工程应用中电缆附件XLPE/SIR 界面为附件的薄弱位置，相比于附件的其他部位更容易发生击穿故障［20-21］。因此设计了双层结构界面缺陷模型来模拟附件XLPE/SIR界面缺陷，开展击穿测试。

考虑电缆附件的结构特点，SIR材料的绝缘厚度通常为XLPE 绝缘的2～3倍。因此制备厚度为0.3 mm SIR 的试样和厚度为0.15 mm 的XLPE 试样，试样尺寸为100 mm×100 mm。XLPE/SIR 界面由交联聚乙烯薄片与硅橡胶片贴合在一起构成，从外界施加压力，使两种绝缘材料黏合，模拟附件中XLPE/SIR 复合介质绝缘结构。

为模拟生产、安装过程中界面处残留的杂质，在模型中引入金属缺陷、半导电缺陷、绝缘缺陷（XLPE），如图1 所示，将半径为1.5 mm、厚度为0.15 mm 的缺陷材料置于XLPE 与SIR 界面中，并使XLPE 与SIR严密贴合，进行击穿实验。

图1 XLPE/SIR双层结构界面缺陷模型示意

1.2 电缆附件仿真模型

在双层结构介质界面缺陷模型的基础上，建立电缆中间接头电场仿真模型，重点分析界面缺陷类型（金属、半导电和绝缘）和位置对电场分布的影响，如图2所示。

图2 界面缺陷模型示意

使缺陷在XLPE/SIR 界面移动，对杂质处于不同位置时附件的电场进行进一步仿真，探究3 种固体杂质在界面上不同位置时对附件内部电场的影响规律。

关于道德行为究竟是怎么发生的问题，王阳明从“知行合一”的观点论述，用“知行”二者不可分割性，论述道德行为发生的必须性；休谟从“反理性”的角度出发，认为道德行为的践行不应该掺杂太多的理性因素，理性因素很大程度上是道德行为发生的阻碍。针对当前社会上出现的“知行脱节”“扶不扶”等道德问题，都是一种理性支配感性的不道德现象，在道德实践领域，强调道德情感本身的重要性，降低理性因素的主导，对于更好地进行道德实践具有重要意义。

2 结果与分析

根据电磁场理论，当电力设备尺寸远小于波长时，设备的电场可近似为静电场。因此，本研究中工频下电缆附件电场计算采用静电场处理，设置电势的边界条件为10 kV。

2.1 实验结果

根据GB/T 16927《高电压试验技术》中规定的连续放电实验方法进行交流击穿测试，测试系统采用直径25 mm 的柱状电极结构。测试时，将装有试样的电极整体置于绝缘油中，以防高压下发生沿面闪络。交流电源的升压速率为1 kV/s，直到试样击穿。

根据GB/T 29310《电气绝缘击穿数据统计分析导则》，采用两参数Weibull 分布对试样的击穿数据进行分析，表达式为

式中：y为变量，代表试样击穿电压、场强或击穿时间；F（y）为对应于参数y的失效概率；α为尺度参数，表示失效概率为63.2%时的击穿电压、场强或击穿时间值，也称为平均值；β为形状参数，代表试验数据的分散性，其值越大，数据分散性越小，β也代表着Weibull拟合曲线的斜率。

击穿测试结果如图3所示。Weibull坐标下，引入不同缺陷的试样击穿概率为63.2%的场强大小如表1所示。

图3 XLPE/SIR双层结构界面缺陷击穿性能

表1 双层结构界面不同缺陷的引起的击穿场强

在交流电压下，电介质内电场强度按照介电常数分配，人工加入杂质破坏了均匀电场，使缺陷周围电场发生畸变，从而导致击穿场强降低。由图3与表1可以看出，引入金属缺陷时，试样的击穿场强最小，危害最大。由于金属与半导电的介电常数远大于绝缘，所以金属缺陷与半导电缺陷造成的电场畸变较为严重，从而含金属缺陷试样的击穿场强较低。由于绝缘缺陷与试样材料介电常数相差不大，所以引入绝缘缺陷造成的电场畸变较小，对击穿场强的影响也较小。

2.2 双层结构界面缺陷电场仿真

根据实验模型建立双层结构界面缺陷仿真模型，试样与缺陷均与试验相对应，图4 为无缺陷试样的电场分布云图。

图4 无缺陷双层结构电场分布图

由图4 可以看出，XLPE 材料内部的最大电场为27.6 kV/mm，而SIR 材料内部的电场为19.6 kV/mm，两者差别明显，这是因为工频电压下，附件电场主要取决于两种介质的介电常数，而XLPE的相对介电常数对于SIR 来说较小，在交流电场下承担的电场强度相对较高。

对XLPE/SIR 试样模型引入缺陷后，试样内部电场出现变化，如图5所示。

图5 含界面缺陷双层结构电场分布

图5（a）为试样引入金属缺陷时的场强变化。可以看出在缺陷附近出现了较明显的场强畸变，畸变最大可以达到44.6 kV/mm，这是因为金属的相对介电常数远远大于绝缘材料，所以在缺陷与绝缘材料交界处产生了电场畸变，金属缺陷承担的电场强度较小，因此其内部的电场强度较小，仅有0.07 kV/mm。

图5（b）为试样引入半导电缺陷时的场强变化，半导电缺陷与金属缺陷引起的电场变化相差不大，这是因为两者的相对介电常数均远大于绝缘材料。半导电缺陷与绝缘试样交界处的最大场强可以达到44.3 kV/mm，缺陷内部有最小场强0.62 kV/mm。

图5（c）为绝缘缺陷对试样内部电场造成的影响，绝缘缺陷相对于前两者对电场的影响较小，缺陷处最大场强为28.3 kV/mm，这是由于缺陷材料为XLPE，相对介电常数一致，不会引起较强的电场畸变。

3种缺陷引入时XLPE 绝缘与SIR 绝缘的电场强度分别为27.6 kV/mm 与19.6 kV/mm，与正常试样的电场分布一致，说明缺陷仅在其周围造成了电场畸变，对远离缺陷的位置的电场影响不大。

2.3 电缆附件界面缺陷电场仿真

在电缆附件中，最大场强一般出现在应力锥根部，最大畸变值为2.17 kV/mm，如图6 所示。这是因为应力锥的根部由多种不同相对介电常数的材料组成，导致场强较为集中。而且应力锥根部界面处容易产生局部放电，导致绝缘击穿等危害发生。

图6 无缺陷电缆附件电场分布图

针对缺陷在应力锥根部附近时对电场的影响进行了研究，对3 种缺陷位于应力锥根部附近时进行仿真计算。图7 给出了不同类型界面缺陷引起的电缆附件最大畸变电场。

图7 含界面缺陷电缆附件电场分布图

如图7（a）和图7（b）所示，缺陷位于距离应力锥根部3.5 mm 的XLPE/SIR 界面处时，由于金属与半导电杂质的相对介电常数均远大于绝缘材料，以及两者的导电特性，使得金属缺陷与半导电缺陷内部的电场强度降低，缺陷周围的电场强度增加。复合界面处金属、半导电缺陷引起的最大场强畸变均为3.56 kV/mm。

如图7（c）所示，绝缘缺陷位于三结合点处时引起的电场畸变为7.23 kV/mm。畸变出现在绝缘缺陷与应力锥的交界处，这是由于绝缘材料的介电常数较小，缺陷区域承担电场较高，再加上缺陷的引入可能会出现尖端效应，导致缺陷边缘与应力锥交界处出现电场畸变。

为了探究3 种缺陷在界面上的位置对附件内部电场的影响，进行进一步仿真，使缺陷在XLPE/SIR界面移动，逐渐远离应力锥根部，计算缺陷在各个位置的电场强度，结果如图8所示。

图8 界面固体杂质缺陷位置对电场的影响

如图8 所示，金属缺陷与半导电缺陷在离开应力锥的过程中引起的电场畸变有小幅升高，这是因为缺陷在与应力锥接触时，应力锥根部与缺陷部分重合，导致应力锥根部的电场被削弱，而当缺陷远离应力锥根部时，应力锥根部的电场畸变逐渐增强，在距应力锥3.5 mm 处缺陷仍与应力锥接触，但缺陷已基本没有与应力锥重合部分，此时场强达到最值3.67 kV/mm。绝缘缺陷在离开应力锥过程中周围电场急剧下降，这是由于绝缘缺陷在移动的过程中与应力锥的接触界面逐渐缩小，导致缺陷内部承担的电场下降，当绝缘缺陷逐渐远离应力锥处于XLPE/SIR 界面上时，SIR 承担了较多的电场，缺陷承担的电场逐渐降低。

3 结语

实验研究了绝缘、半导电、金属等3 种典型界面缺陷类型下的击穿特性，建立了双层结构界面缺陷模型仿真模型，研究了配电电缆附件XLPE/SIR 界面缺陷特性及其对电场分布的影响。

XLPE/SIR 双层结构界面引入缺陷后击穿场强明显降低，其中金属缺陷与半导电缺陷的试样击穿场强分别为41.37 kV/mm 与43.66 kV/mm，相对于无缺陷结构降低了14.2%与9.9%。电场仿真结果表明金属缺陷和半导电缺陷在双层结构试样仿真模型内部造成的电场畸变分别为44.6 kV/mm与44.3 kV/mm，绝缘缺陷引起的畸变相对较小，为28.3 kV/mm，与实验规律相吻合。

电缆附件界面缺陷仿真表明，随着缺陷远离应力锥根部，金属缺陷与半导电缺陷引起的电场畸变先增大后减小，最大畸变电场出现在距离“XLPESIR-应力锥”三结合点3.5 mm 处，为3.56 kV/mm；相比而言，绝缘缺陷引起的最大电场畸变出现在三结合点处，为7.23 kV/mm，随着缺陷远离应力锥根部电场畸变呈现下降趋势。