工频电压下的电缆终端数值计算

工频电压下的电缆终端数值计算

0电缆终端内的电场这种类型的聚氯乙烯电缆（hdpe）具有绝缘性好、载载量大、结构简单、拆卸方便等优点。广泛应用于城市电源。电缆附件为多层复合介质的绝缘结构。电缆终端的接头是电缆绝缘的薄弱环节,其内部存在大量复合界面,在铜屏蔽、半导体屏蔽、绝缘层和线芯的剥切处产生电应力集中现象,而现场制作安装过程中又难以避免灰尘、导电微粒、水分等杂质侵入,从而在电缆接头形成潜在的缺陷,在电缆运行过程中极易引起局部放电(PD),甚至导致绝缘事故的发生。据以往输电线路故障发生的概率表明,电缆附件故障的概率大约为70%。因此,电缆终端作为关键的连接装置,其运行的好坏直接影响到电缆线路的安全运行。考虑到实际工况中电缆常在工频电压下运行,工频和直流电压下电缆终端内部的电场分布有显著差异。从时谐电场的基本公式出发,用有限元分析软件(ANSYS)对电缆终端接头的电场分布进行仿真计算,研究电缆终端在无应力管、有空气隙、有金属微粒附着及钢针扎入这4种缺陷情况下的电场分布情况,探究最大电场存在位置与缺陷位置的对应关系,制作出用于电缆附件局部放电特性及识别方法研究的缺陷模型,并对4种缺陷模型的局部放电进行测量验证。1模型的构建1.1电准静态场的基本方程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。电准静态场的基本方程组为式(1)~式(4):式(4)中,ρ为电荷密度。由电磁场相关理论可推出时谐场求解方法所依据的基本方程为式(5):式(5)中,σ、ε分别为介质电导率和介电常数。1.2各层内各层内应力管、热缩管及终端内部控制部分参考实际10kVXLPE电缆终端头的内部结构,建立仿真模型如图1所示。图1(a)中,由内向外各层分别代表:(1)线芯,(2)内半导体层,(3)XLPE绝缘层,(4)外半导体层,(5)铜屏蔽层。图1(b)中给出了应力管、热缩管及终端各部分相应的轴向尺寸。电缆终端各层相应的半径及材料属性如表1、表2所示。2构建时谐电场求解器时谐电场求解器时谐电场求解器时谐电场求解器时谐电场求解器时谐电场求解器适用条件不同的还未干在ANSYS仿真分析中,求解器用于定义分析类型和分析选项,施加载荷,指定载荷步,完成有限元计算。静电场求解器适用于电场只按介质介电常数分布的场合,恒定电场求解器则适用于电场只按介质电导率分布的场合,而时谐电场求解器适用于介质介电常数和电导率同时决定电场分布的情形。为了计算结果能够完全反应真实情况,计算模型同时考虑介质介电常数和电导率对电场分布的影响,选用时谐电场求解器在工频50Hz交流电压下进行电场求解分析。仿真模型采用有限元分析法进行电场仿真,研究对象为10kVXLPE电缆终端接头,根据GB/T12976.1—2008,以额定相电压U0(8.7kV)进行分析。2.1半导体层应力管对电场的影响在ANSYS中,按照表1、表2、图1的相关参数及尺寸,在二维轴对称时谐电场中仿真电缆终端本体无应力管、有应力管两种情况下的电场和等位线分布情况,分别如图2、图3所示。从图2(a)、(b)可以看出,最大电场位置均在外半导体层切断处。无应力管时最大场强为74.5kV/cm;有应力管时最大场强为31.3kV/cm,未达到无应力管时最大场强的1/2。从图3(a)、(b)可以明显地看出,应力管改善了半导体层切断处的电应力分布,使等位线分布更加均匀,电场畸变减小。以上仿真结果验证了应力管的应用使半导电屏蔽层切断处的电场分布得以改善,避免了电场集中,从而降低电晕产生的可能性,减少绝缘的破坏,保证电缆的运行寿命。2.2建立电缆终端三维仿真模型在电缆终端接头制作过程中,由于XLPE主绝缘的切割划痕导致的空气隙、绝缘表面存在导电微粒以及钢针由外扎入电缆主绝缘这3种缺陷不再具有轴对称结构,因此应建立三维有限元仿真模型对电场分布情况进行分析才能反映真实情况。按照1∶1尺寸建立电缆终端三维仿真模型如图4所示。对电缆终端3种缺陷情况分别进行仿真计算。由于当电缆断开以后,在其半导体层切断处电场比较集中,突出表现为沿电缆轴向有较大的电场应力。电场强度超过允许范围时,容易在电缆绝缘中形成局部放电,甚至导致绝缘击穿。2.2.1外半导体层断裂线场仿真采用有限元方法对气隙缺陷进行仿真时,设置割伤缺陷为宽2mm、深2.5mm的楔形。当楔形气隙距外半导体层切断处较近,位于应力管下方时,仿真结果如图5所示。当楔形气隙距外半导体层切断处较远,位于应力管外部时,仿真结果如图6所示。以外半导体层切断处为基点,分别仿真出离基点沿轴向不同距离处存在气隙缺陷时的电场分布情况,作出外半导体层切断处及XLPE绝缘内表面处电场强度的变化曲线如图7所示。对比分析图5~7发现,当气隙缺陷距半导体层切断处非常近时,最大场强位于外半导体层切断处;当气隙距半导体层切断处比较远,但仍位于应力管下方时,空间最大场强位于外半导体层下方的主绝缘内表面,Emax=25.5kV/cm,而此时外半导体层切断处场强为19kV/cm;当气隙距半导体层切断处更远,处于应力管外部时,最大场强转移到外半导体层切断处,Emax=28.8kV/cm,而XLPE绝缘内表面场强减小为22.2kV/cm。对比图5和图6得出,当气隙位于应力管外部时电缆主绝缘中等位线分布比气隙位于应力管下方时更加集中,电场在外半导体层切断处产生较为严重的畸变。2.2.2外半导体层断裂线分析采用有限元方法对金属微粒缺陷进行仿真时,设置金属微粒为厚0.2mm、面积2.5mm2的三角形微粒。当金属微粒距外半导体层切断处较近,位于应力管下方时,仿真结果如图8所示。当金属微粒距半导体层切断处较远,位于应力管外部时,仿真结果如图9所示。以半导体层切断处为基点,分别仿真出离基点沿轴向不同距离处存在金属微粒缺陷时的电场分布情况,作出外半导体层切断处及金属微粒边缘电场强度的变化曲线如图10所示。对比分析图8~10可以发现,无论金属微粒位于应力管下方还是应力管外部,整个空间的最大场强都位于金属微粒边缘;当金属微粒位于应力管下方时,随着它与外半导体切断处距离的增大,最大场强先增大再减小,当L在37mm左右时(如图1(b)所示,应力管首端覆盖20mm铜屏蔽,应力管全长150mm,故此时金属微粒距应力管首端77mm),Emax取最大值约为176kV/cm;当金属微粒距外半导体层切断处更远,处于应力管外部时,最大场强Emax基本保持在195kV/cm,远远超过了空气的击穿场强30kV/cm。外半导体层切断处场强随金属微粒距离增大的变化趋势与金属微粒边缘场强的变化趋势基本一致。由图8和图9观察出,无论金属微粒位于应力管下方还是应力管外部,除金属微粒附近的等位线有明显变化外,其他部分的等位线分布基本保持不变。2.2.3热缩管、铜屏蔽层及外半导体层的仿真采用有限元方法对钢针由外扎入电缆主绝缘的缺陷进行仿真时,设置钢针的曲率半径为1mm,钢针经过热缩管、铜屏蔽层及外半导体层扎入XLPE绝缘层2mm深处。仿真结果如图11所示。由图11可以观察出,在钉子尖端处等位线畸变严重,电场明显增大,Emax=278kV/cm。在这种缺陷情况下,若电缆长时间运行,则很有可能直接使XLPE绝缘发生放电击穿,危害性巨大。3局部放电试验根据以上仿真分析结果,制作电缆终端无应力控制管、主绝缘表面由切割划痕导致的空气隙、附着有金属微粒、钢针由外扎入电缆主绝缘4种缺陷模型。为了检测出较好的局部放电现象,故障点设置在能使电场达到最大的位置。其中气隙设置在靠近电缆终端末端,距外半导体层切断处约260mm处。金属微粒设置在距半导体切断较远的应力管外部,距外半导体切断处约225mm处。由于局部放电是XLPE电缆绝缘劣化的特征和主要原因,目前国内外根据电缆的局部放电判断电缆的运行状态进行了大量研究,但大部分都停留在实验室验证阶段,其可靠性仍有待验证。在实验室利用工频电压法对4种电缆缺陷模型的局部放电进行测量,实验电路接线如图12所示。使用50Hz正弦电压依次对4种缺陷试样进行实验,逐渐升高变压器电压直到产生局部放电。在试验中当测量到的局部放电量大于背景噪声放电量25pC时认为产生局部放电。每次实验的采样时间是20s。局部放电模式以累计放电的幅值相位谱图表现。4种缺陷的局部放电起始电压(PDIV)如表3所示。图13为电缆终端缺陷PD模式图,由图13可以看出,从升高工频电压到局部放电模式被清晰地辨别出来,其放电特性区分度较为明显,可为电缆及附件中局部放电特性及识别方法的研究提供参考。4应力管内部分区域内电场的分布和特征在有限元方法的基础上,计算4种不同缺陷的电场分布,并通过工频电压法对实际制作的缺陷模型进行局部放电检测,得出以下结论:(1)应力管对控制电缆终端电场均匀分布影响较大。(2)空气隙与外半导体层切断处的距离对整个电场的分布有明显影响。当气隙距外半导体层切断处较近,位于应力管下方时,外半导体层切断处的电场较小;当气隙距外半导体层切断处较远,位于应力管外部时,外半导体层切断处的电场较大。