方春華， 葉小源， 楊司齊， 丁 璨， 普子恒

(三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對電力的需求逐年上升，電力電纜作為輸 配電網(wǎng)的重要組成部分也得到了越來越廣泛的應用[1，2]，電纜事故出現(xiàn)的頻率越來越高[3-5]。根據(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn)，電纜接頭受潮是最容易誘發(fā)事故的缺陷[6，7]，而電纜中間接頭在施工前存放于露天環(huán)境中，電纜敷設方式不當導致電纜外護層弄破；電纜長期運行中，電纜接頭絕緣材料膨脹與收縮導致絕緣層間產(chǎn)生間隙均可能導致接頭受潮，特別是南方沿海城市，多臺風暴雨，電纜進水是常見故障，研究接頭受潮對接頭電氣性能的影響具有重要的現(xiàn)實意義。

目前對電纜接頭受潮的研究主要包括長期處于受潮環(huán)境中的材料絕緣性能的變化[8，9]、受潮的預防，檢測，診斷以及受潮后的處理方法[10，11]、水樹的形成機理[12]、水樹伴隨的材料老化[13，14]等方面，水樹在受潮的環(huán)境中緩慢生長，不會直接導致絕緣層擊穿，材料劣化也需要時間[15]，但工程中某些受潮電纜在很短的時間內(nèi)就發(fā)生了接頭被破壞的現(xiàn)象，這種情況水樹或材料的絕緣性能變化并不能解釋。這是因為受潮形成水膜后，會使電場分布發(fā)生變化，受潮位置附近電荷可能會聚集，造成局部場強增大，發(fā)生嚴重的電場畸變，電場畸變則會導致電場的不均勻程度增加從而更易被擊穿。但目前就水分本身對接頭電場分布影響的研究較少，比如文獻[16]對主絕緣外側受潮時的電場分布進行了一個初步的探究，但是對受潮接頭的電場研究大多是研究接頭缺陷時的一個分支，對不同位置，含水量的多少等因素沒有具體的分析。

關于電纜接頭進水的具體位置，季節(jié)、負荷等因素的變化會使電纜熱脹冷縮[17]，電纜本體與中間接頭之間的形變程度存在差異，主絕緣外側的復合界面密封性變差，進入電纜接頭的水分容易集中于此[18]。此外，電纜在敷設過程中通過有水的電纜溝、電纜井、電纜通道的時候，如遇護層或電纜頭套破損會導致電纜線芯進水，有可能會滲透至接頭內(nèi)的導體外側[19]，受潮較嚴重時會在相應位置產(chǎn)生水膜。

由于電纜的工作頻率為恒定的50 Hz，因此接頭各部位的電場是穩(wěn)定的準靜態(tài)場，可使用靜電場相關公式進行理論計算[20]，通過多物理場仿真軟件建立1∶1的10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜中間接頭模型，在主絕緣外側和導體外側不同位置設置不同大小的水膜模擬實際接頭受潮的情況。并通過實驗驗證了受潮后的擊穿電壓變化情況，可進一步分析中間接頭受潮時更易發(fā)生擊穿事故的原因。

1 中間接頭模型建立

1.1 中間接頭三維模型

使用某廠家生產(chǎn)的10 kV交聯(lián)聚乙烯電纜中間接頭采用1∶1的比例建模，如圖1(a)所示，接頭的銅網(wǎng)，半導電層和硅脂層較薄，其局部的放大圖如圖1(b)所示。

圖1 中間接頭三維模型Fig.1 Three dimensional model of intermediate cable joint

1.2 中間接頭參數(shù)設置

中間接頭仿真模型的材料參數(shù)如表1所示。

表1 中間接頭模型參數(shù)設置

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設定

2 仿真結果分析

2.1 正常中間接頭電場分布

正常情況下，以主絕緣外側半導電層和硅脂交界處記為0 mm，以靠近接頭中心的方向為正方向，電纜接頭的電場如圖2所示。

圖2 正常情況下的電場分布Fig.2 Electric field distribution under normal conditions

由圖2可知，無缺陷中間接頭最大場強為1.29 MV/m，出現(xiàn)在XLPE絕緣的內(nèi)側；應力錐與主絕緣交界處(0～30 mm)的平均場強為0.46 MV/m；硅橡膠與主絕緣交界處(40～90 mm)的平均場強為0.22 MV/m，應力錐具有屏蔽電場的作用，導致前者電勢差高于后者。導體外側電場為1.03×10-3～3.05×10-3MV/m，這是由于內(nèi)半導電層的介電常數(shù)較大，半導電層上下側電勢差較低。

2.2 主絕緣外側受潮

2.2.1 單個小片水膜

設置5 mm×5 mm×0.2 mm水膜模擬單個小片水膜處于主絕緣外側不同位置，電場分布如圖3所示。

圖3 存在單個小片水膜時的電場分布Fig.3 Electric field distribution in presence of a single small piece of water film

由圖3可得，主絕緣外側水膜處電場會明顯減小，不同位置減小的程度不一樣，在0 mm，30 mm，60 mm，90 mm處電場分別減小80%，70%，65%，40%。且水膜的存在會導致主絕緣外側無水膜處的電場增大，增大幅度為0.06～0.07 MV/m。

由以上數(shù)據(jù)可知：單個小片水膜處電場急劇減小，這是由于水的介電常數(shù)遠大于復合界面的硅脂所致，且水膜越靠近接頭中間，畸變程度就越小。水膜周圍電場由于水膜的電勢差降低而增大，電場強度普遍達到正常情況的1.15倍以上，且主絕緣外側電場畸變的程度和位置關系不大。

2.2.2 多個小片水膜

設置5 mm×5 mm×0.2 mm的水膜按間距30 mm和間距10 mm分別放置在主絕緣外側的復合界面，模擬由多個小片水膜引起的主絕緣外側受潮，電場分布情況如圖4所示。

圖4 存在多個小片水膜時的電場分布Fig.4 Electric field distribution in presence of multiple small water films

由圖4可知，復合界面存在30 mm間距水膜時，0～30 mm平均場強為0.57 MV/m，40～90 mm平均場強為0.30 MV/m；水膜間距為10 mm時，0～30 mm位置電場峰值達到了0.7 MV/m，40～90 mm位置電場峰值達到了0.36 MV/m。在多個小片水膜的接頭中，水膜處的電場強度同樣急劇減少，其減小程度與單個水膜幾乎相同。

主絕緣外側存在多片水膜時，電場畸變程度比單個水膜時更加嚴重，且水膜的數(shù)量越多，畸變程度就越大。水膜處電場降低程度與單個水膜差別不大，場強為正常時的20%～60%。但水膜周圍電場的增大程度相對于單個水膜時更加嚴重，其中，30 mm間距時周圍電場達到了正常情況的1.2～1.4倍；10 mm間距時則達到了1.5～1.6倍，復合界面更易被擊穿。

2.2.3 不同位置的大面積水膜

當接頭進水較多時會在一片區(qū)域內(nèi)形成大面積的水膜，此時電纜的受潮就達到了非常嚴重的程度。通過在主絕緣外側，設置一個覆蓋面積達到930 mm2水膜，模擬由不同位置的大面積水膜引起的主絕緣外側受潮，分別覆蓋主絕緣外側0～20 mm、20～40 mm、40～60 mm、70～90 mm位置，電場分布如圖5所示。

圖5 不同位置存在水膜時的電場分布Fig.5 Electric field distribution in different positions with water film

由圖5(a)可知水膜周圍的復合界面上電場明顯增大，在20～40 mm、40～60 mm、70～90 mm時最大場強分別達到了2.78 MV/m、2.20 MV/m、1.29 MV/m，為正常情況的10倍、7.2倍、5倍，即水膜越靠近接頭兩側，電場畸變程度越大。由圖5(b)可知水膜處的場強為正常時的20%～60%，水膜越靠近接頭兩側主絕緣外側的電場分布越不均勻。但應力錐具有規(guī)范電場的作用，水膜處于應力錐范圍內(nèi)(0～20 mm)時，電場未發(fā)生明顯變化。

2.2.4 接頭內(nèi)存在不同大小水膜

設置覆蓋面積為930 mm2，1 860 mm2，2 790 mm2的水膜模擬接頭內(nèi)主絕緣外側受潮，分別置于主絕緣外側的中間位置，電場分布如圖6所示。

由圖6可知，水膜所在位置電場強度依然為正常時的20%～60%。水膜覆蓋面積為930 mm2，1 860 mm2，2 790 mm2時，水膜周圍均發(fā)生了嚴重的電場畸變，最大場強分別為1.73 MV/m，2.29 MV/m，2.42 MV/m，分別達到了正常情況時的6倍，8倍，8.4倍，即水膜的覆蓋面越大，主絕緣外側電場畸變程度越嚴重，復合界面上的電場分布越不均勻。

圖6 不同大小水膜的電場分布Fig.6 Electric field distribution of water film of different sizes

2.3 導體外側受潮

設置覆蓋面積為930 mm2的水膜放置導體外側，其電場分布如圖7所示。

圖7 導體外側受潮時的電場分布Fig.7 Distribution of electric field with dampness at outside of conductor

由圖7(a)可知水膜對周圍的電場分布幾乎沒有影響，由圖7(b)知，當水膜出現(xiàn)在導體外側時，水膜所在位置電場增大，但場強最高僅為2.8×10-2MV/m，相對于主絕緣外側場強較低，這是由于導體外側的介電常數(shù)大，而水也同樣具有這種特點，從而整個線芯外側依然保持著極低的電勢差。

2.4 小 結

主絕緣外側受潮時，水膜所在位置電場為正常時的20%～60%，水膜位置越靠近接頭中間位置，其電場變化程度就越小。單個小片水膜周圍電場增大至正常情況下的1.15倍以上，30 mm間距的多個小片水膜電場增大至正常時的1.2～1.4倍，10 mm間距時增大至1.5～1.6倍。小片水膜周圍的電場增大程度與位置的關系不明顯。不同位置存在大面積水膜時最大場強為正常時的5～10倍，水膜越靠近接頭兩側，畸變越嚴重，接頭左側中間位置存在不同大小的大面積水膜時，最大場強為正常時的6～8.4倍，且隨著水膜的面積增大而增大。當大面積水膜在應力錐范圍以內(nèi)時，電場畸變會明顯緩解。

導體外側受潮時，水膜所在位置電場增大，但場強最高僅為2.8×10-2MV/m，相對于主絕緣外側場強較低。水膜周圍電場未發(fā)生明顯變化。

3 擊穿試驗

3.1 試驗原理

通過對不同含水量的樣品進行擊穿試驗，初步驗證仿真的結果。試驗平臺如圖8所示。整個試驗平臺由調(diào)壓器、保護電阻、試驗電極、變壓器、分壓器、脈沖傳感器以及示波器組成。其中調(diào)壓器型號為ZX-15-11,額定容量為15 kVA；變壓器型號為YDJ，容量10 kVA/100 kV；分壓器額定電壓50 kV，分壓比3 000∶1，高壓參數(shù)(R=240 MΩ、C=250 pF)，低壓參數(shù)(R=0.08 MΩ、C=750 nF)。試驗電壓220 V，50 Hz。

圖8 試驗平臺Fig.8 Test platform

試驗電極為板-板電極，試驗電極中高壓電極采用直徑為24.1 mm，厚約3.9 mm圓柱電極結構，如圖9所示。

圖9 電極示意圖Fig.9 Electrode diagram

本文主要研究主絕緣外側不同程度的受潮造成的影響，故對試品進行了適當簡化以方便電極接入和數(shù)據(jù)截取。從某電纜廠商定制若干交聯(lián)聚乙烯樣片，尺寸規(guī)格為長50 mm，寬50 mm，厚度同等于10 kV單芯交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣厚度，為5.8 mm。在樣片一面貼敷半導膠帶，以代替電纜的內(nèi)半導電層材料。貼敷半導膠帶時，需檢查與交聯(lián)聚乙烯貼敷的半導膠帶面內(nèi)有無氣泡，如發(fā)現(xiàn)氣泡，需重新貼敷，以防止半導膠帶面內(nèi)氣泡對試驗結果的干擾。在交聯(lián)聚乙烯方塊的另一面均勻涂抹硅脂，以模擬中間接頭內(nèi)交聯(lián)聚乙烯絕緣與硅橡膠界面的硅脂層。

所選用硅脂的錐入度(60次)為(265～295)×0.1 mm，密度(15 ℃)為1 g/cm3，絕緣強度(25 ℃，75 mm)為600 kV/m。此外硅脂涂抹厚度設置為0.2 mm，以模擬中間接頭內(nèi)交聯(lián)聚乙烯絕緣與硅橡膠界面的硅脂層。水膜由于被制作接頭時涂抹的硅脂層隔離，多附著于硅脂層表面。

將試驗樣片分為6組，其中一組模擬正常時的情況，另5組分別在硅脂一側正中間5 cm2區(qū)域用注射器注入1 ml、2 ml、3 ml、4 ml和5 ml水模擬主絕緣外側不同程度受潮時的情況。試驗樣品如圖10所示。

圖10 試品Fig.10 Trial products

對6組試樣以1 kV/s的速率逐級加壓，直至擊穿。分別采集不同電壓等級下受潮試樣和無缺陷試樣的放電信號，并用MATLAB軟件對信號進行去噪處理，最后對6組試樣特征量進行對比分析，記錄不同程度受潮時的擊穿電壓。為減小誤差，每組試樣測試10份試品，擊穿電壓取平均值。

3.2 試驗結果分析

在試驗過程中，能聽到試品發(fā)出“嘶嘶”的噪音，且隨著電壓的增大，音量逐漸提高，直至試品被擊穿。取其中一個試品擊穿時的電壓電流波形如圖11所示。

圖11 試驗波形Fig.11 Test waveforms

擊穿前試品上的電壓維持在較高的水平，電流趨近于0；擊穿瞬間電壓和電流發(fā)生明顯波動；擊穿后電壓降低至0，電流迅速增大到4～6 A。

對原始波形進行濾波處理計算出每組試樣10次試驗的擊穿電壓，按擊穿電壓從小到大的順序排列如圖12所示。

圖12 擊穿電壓Fig.12 Breakdown voltages

試品的擊穿電壓具有明顯的統(tǒng)計性，引入變異系數(shù)cv。

(1)

式中：σ為每組試樣10次試驗擊穿電壓的標準差；μ為每組試樣擊穿電壓平均值。通過變異系數(shù)可表征擊穿電壓的離散程度。

注水量分別為0、1 mL、2 mL、3 mL、4 mL和5 mL時其變異系數(shù)分別為10%、14%、17%、15%、15%、13%，即試品擊穿電壓的離散程度在正常時最小，注水后離散程度明顯增大，但當試品含水量增大到一定程度后，繼續(xù)注水離散程度會逐漸降低。值得注意的是，在對注入2 mL水的試品的擊穿實驗里，取得了最低的擊穿電壓20.1 kV。

對6組試樣的擊穿電壓取平均值，如表2所示。

表2 平均擊穿電壓

由表2可知，在交聯(lián)聚乙烯試樣受潮后其擊穿電壓降低，為正常情況下的85%到94%。且注入的水分越多，平均擊穿電壓越小。結果進一步說明主絕緣外側受潮后局部場強增大，導致?lián)舸╇妷航档汀?/p>

4 結 論

(1)主絕緣外側受潮時，受潮位置電場強度急劇下降，水膜越靠近接頭中間，其電場變化程度就越??；受潮位置周圍電場畸變程度隨著水膜的密集程度和覆蓋面積增大而增大，小片水膜周圍電場與位置關系不大，大面積水膜越靠近接頭兩側電場畸變越嚴重，但水膜進入應力錐范圍后電場畸變有所緩解。導體外側受潮時，水膜所在位置電場略微增大，水膜周圍電場沒有發(fā)生明顯畸變，不會直接誘發(fā)事故。

(2)擊穿試驗表明主絕緣外側受潮后其擊穿電壓降低至正常情況下的85%到94%，且水膜的覆蓋面積越大或越密集，接頭越容易被擊穿，初步驗證了仿真結果。但由于擊穿電壓存在統(tǒng)計性，也可能會出現(xiàn)含水量較少試樣的擊穿電壓比高含水量試樣更低的情況。