导电杂质影响下35 kV电缆终端绝缘特性研究

　　摘 要：在现场安装过程中，35 kV 电缆终端易混入导电颗粒、压铅微粒等导电杂质，严重影响其运行可靠 性。为研究导电杂质影响下电缆终端的绝缘特性，首先利用有限元分析软件，通过在电缆终端绝缘与应控管 交界处设置导电杂质，建立电缆终端缺陷模型，探究在运行电压下含导电杂质的电缆终端内部的电场分布情 况。然后根据仿真结果与实际情况，制作了含导电杂质的电缆终端样品，利用局部放电测试平台对电缆终端 样品进行局部放电测试。结果表明：导电杂质的引入会增大电缆终端内部的电场畸变，当应控管和尾部胶的 连接处引入导电杂质时，电场畸变最严重，电场强度最大值达到18.7 MV/m，接近乙丙橡胶的击穿强度，局部 放电活动最剧烈，最大放电量达到350 pC，严重降低了35 kV电缆终端的电气绝缘性能。

　　关键词：导电杂质;有限元仿真;电场畸变;局部放电

　　0 引 言

　　35 kV 电缆作为配电网的重要组成部分，承担 着传输电能的关键作用，而电缆终端作为绝缘最为 薄弱的部分，其电气绝缘性能的优劣，直接影响着 输电系统和用电设备的有效运行[1] ，关系到配电网 的可靠性。电缆线路的故障数据表明，在35 kV电 缆中，由终端导致的运行故障事故约占电缆线路运 行故障事故总数的70%[2] 。

　　电缆终端在现场安装时 需要将电缆本体的外半导体屏蔽层、导电屏蔽层、 护套截断，而截断处在运行过程中易出现电场畸变 问题[3] ，影响电缆终端的绝缘性能;同时在预制过程 中，因环境、制作工艺的问题，极易引入导电杂质， 改变电缆终端的电场分布，影响其电气绝缘性能。

　　目前国内外学者针对电缆各类缺陷问题，开展 了多方面研究，取得了丰硕的成果。刘刚等[4] 研究 了电缆接头主绝缘含杂质情况下的击穿特性，结果 表明含杂质缺陷将引起电缆接头内部的部分电场 发生畸变，严重情况下将导致绝缘材料击穿;G W RITTMAM等[5] 通过研究含杂质电缆接头的局部放 电信息，为电缆接头的故障诊断提供了一些方向; 尚康良等[6] 通过使用合理的材料和结构，使电缆附件内部电场得到有效地优化。

　　然而关于导电杂质 混入后，35 kV 电缆终端在缺陷存在下电场的变化 及导电杂质对终端绝缘性能的影响报道较少，亟需 开展相关研究。 本文通过研究当导电杂质位于电缆终端内不 同位置时对其内部电场分布的影响，找出影响最大 的位置，以便在安装预制与正常运行时重点关注; 并通过局部放电测试，提取关键信息，探究内部含 导电杂质时电缆终端的局部放电特征，为故障诊断 提供基础。

　　1 电场分析

　　1.1 电缆终端模型搭建

　　根据现场解剖结果及出厂资料可知，电缆终端 是将电缆本体的外半导体层、导电屏蔽层和护套截 断[7] ，将能均匀电场分布的应控管、热缩管逐层热缩 预制，最后套上用于隔离防水的伞裙制备得到，因 此电缆终端属于多层结构。按照现场解剖的电缆 终端的参数搭建 1∶1 的模型，其中，电 缆终端全长为507 mm，缆芯半径为10 mm，绝缘层 厚度为9 mm，内外半导体层厚度为1 mm，热缩管、 应控管单层厚度为3 mm，护套厚度为8 mm。本研究针对35 kV电缆终端的电场进行分析， 所需要的材料参数有电导率和相对介电常数，通过 查询出厂参数及现场测试。

　　1.2 基于有限元法的电场计算理论

　　电缆终端通常在工频电压下运行，而工频下电 场随时间变化缓慢，因此可使用静电场求解电场分 布，而静电场属于有散无旋场，求解时需要满足式 (1)和式(2)两个基本方程[8] 。 ∇ × E = 0 (1) ∇ × D = ρ (2) 式(1)～(2)中：E为电场强度;D为电通量密度;p为电荷密度。式(1)表明静电场的环路特性是无旋 场;式(2)是高斯定律的微分方程，表明静电场是有 散场，静电场中任意一点的电通量密度的散度等于 该点的自由电荷体密度。 电缆终端属于多层结构，层与层的材料不一 致，属于不同媒介，不同媒介分界面两侧的电通量 密度法向分量与自由电荷面密度(σ)需要满足式(3) 所示衔接关系。 D2 - D1 = σ (3) 式(3)中：D1为第1层材料的电通量密度法向分量; D2为第2层材料的电通量密度法向分量。式(3)表明分界面两侧的电通量密度法向 分量不连续，其不连续量等于分界面上的自由电荷 面密度。 同时，本研究使用有限元法进行仿真分析，需 要对每层材料进行网格划分，35 kV 电缆终端是多 层结构，层间材料不一致，对于同一层材料内的网 格，需要满足电通量密度不随网格划分而改变。

　　2 仿真结果与分析

　　2.1 不含导电杂质的电场仿真

　　根据实际运行工况，电缆终端运行于工频 35 kV电压下，设置导电屏蔽层接地，得到不含导电杂 质电缆终端的电场分布。电场分布畸变明显。

　　2.2 含导电杂质的电场仿真

　　电缆终端属于多层结构，在安装过程中，由于 环境及制作工艺等原因，易引入导电杂质，为了更 好地分析导电杂质的引入对电缆终端绝缘性能造 成的影响，本研究搭建了导电杂质在不同位置的电 缆终端模型，分别在距离外半导体层截断处0、65.0、 130.0、193.0、193.5、194.0、258.0 mm 的位置设置一 个底边为1 mm、高度为1 mm的等腰三角形导电微 粒，仿真得到在35 kV工频电压下电缆终端的电场 分布情况，其中，距离外半导体层截断处194.0 mm 的是应控管和尾部胶的连接处。当电缆终端内部引入导电杂 质时，电场分布畸变加剧。

　　当导电杂 质位于外半导体层截断处时，电场强度最大值为7.60 MV/m，比不含导电杂质时的电场强度最大值 增大了11.3%，该位置也是引入导电杂质后对电缆 终端内电场强度最大值影响最小的位置;当导电杂质位于应控管和绝缘层之间 时，导电杂质周围的电场强度有所增大，但是通过 对比这两个位置的电场分布情况可知，在这两个位 置的一定范围内，导电杂质的引入位置对电缆终端 内电场强度的分布影响较小;为导电杂 质引入至应控管和尾部胶的连接处附近时电缆终 端内的电场分布。

　　可以看出，在该位置附近引入导 电杂质对电场分布的影响较大，特别是当导电杂质 的引入位置距离外半导体层截断处194.0 mm时，对 电场分布的影响最大，最大电场强度为18.7 MV/m， 约为不含导电杂质时电场强度最大值的3倍，而乙 丙橡胶的击穿强度为 20～45 MV/m[9] ，该电场强度 最大值已经接近击穿强度，若电缆终端长时间运行 在这种情况下，将不断加速绝缘损耗，易发生绝缘 击穿事故;为导电杂质引入至尾部胶与绝缘 层交界处时电缆终端内的电场分布，可以看出，导 电杂质位于绝缘层交界处附近时，电场畸变十分严 重，最大电场强度为15.2 MV/m，比未引入导电杂质 时的电场强度最大值增大了123.5%，所以在尾部胶 部分引入导电杂质对电缆终端的绝缘性能影响极 大，在安装预制时需要重点关注。

　　为了更好地分析引入导电杂质对电缆终端电 场分布的影响，绘制了未引入导电杂质时及分别在 7个位置引入导电杂质时电缆终端内电场强度随绝 缘层与外半导体层交界处延长线径向长度变化的 分布曲线，当未引入 导电杂质时，在外半导体层截断处出现电场畸变; 当引入导电杂质后，在半导体层与绝缘层交界线的延长线上，出现两个电场畸变明显的位置，一个位于 外半导体层截断处，另一个出现在引入导电杂质的 位置，在该位置附近，电场畸变十分严重，电场强度 畸变最严重时从 0.5 MV/m 急速增大到 18.7 MV/m， 然后又急速减小，急速畸变的电场会进一步加快该 位置附近绝缘老化，降低绝缘性能。

　　为了更加全面、方便地研究导电杂质引入时电 缆终端内电场的畸变程度，利用插值法，拟合导电 杂质位置与截断处的距离和电场强度最大值的曲 线，结果如式(4)所示。 y = 7.59 + 1.4 × 10-2 x + 1.2 × 10-4 x2 - 0.041x sin x cos x (4) 式(4)中：x表示引入导电杂质的位置与截断处的距 离，单位为mm;y表示引入导电杂质后电缆终端的 电场强度最大值，单位为MV/m。该拟合曲线的拟 合精度达到90%。使用式(4) 可计算出导电杂质引入不同位置时电缆终端内电 场强度的最大值，可更方便地估算电场畸变程度。

　　3 实验验证

　　为了更加直观地探究引入导电杂质对电缆终 端绝缘性能的影响，选取2个位置引入导电杂质，分 别是最易引入杂质的外半导体层截断处及电场分 布畸变最严重的位置即距离截断处194. mm处。

　　导电杂质为三棱柱，底面为底边1 mm、 高1 mm的等腰三角形，高度为0.5 mm。将导电杂 质放入指定位置，并用硅脂均匀地涂抹在导电杂质 的四周，再按照指定顺序依次安装应控管、绝缘管、 伞裙。电缆终端因自身结构特征及预制过程中引入 的微型缺陷，在正常工况下运行过程中一些特殊部 位电场畸变严重，部分区域将出现轻微的放电，长 期运行时会加速绝缘老化，从而进一步加大局部放 电，如此反复作用将造成绝缘击穿事故，所以局部 放电信号的检测对于诊断电缆终端缺陷故障具有 重大意义[10-13] 。

　　本研究参考相关标准[14-15] ，记未引入导电杂质的电缆终端 试样为1号试样，导电杂质引入位置为外半导体层 截断处的电缆终端试样为2号试样，导电杂质引入 位置为距离外半导体层截断处194.0 mm的电缆终 端试样为 3 号试样，对应 3 个电缆终端试样进行局 部放电测试。 从0 kV开始加压，加压步长为0.5 kV[16] ，每次加 压后，稳定1 min观察放电情况，当出现局部放电现 象时，以0.1 kV的步长逐渐减小，稳定时间为1 min，以此逐渐减小电压，直到放电现象消失，再以0.1 kV 的步长逐渐加压，稳定时间为1 min，直到放电现象 再次出现，记录当前电压值，作为起始放电电压。

　　测试结果显示，1～3号电缆试样的起始放电电压分 别为18.3、13.5、3.7 kV，结合前文的电场分布试验结 果可知，电场畸变较轻微的电缆终端起始放电电压 也较低。 逐步将电压升高至35 kV，测试3个电缆试样在 5个周期内的放电谱图。当电缆终端中未引入导电杂质时， 放电集中在 3 个相位区，分别是 45°～100°、200°～ 220°、270°～300°，放电量普遍分布在10 pC左右，最 大的放电次数为4次;在电缆终端的外半导电层截 断处引入导电杂质后，放电活动活跃，放电相位主 要集中在80°～100°和245°～300°，放电量最大值达 到150 pC。

　　当电缆终端中引入导电杂质的位置距离 外半导体层截断处 194.0 mm 时，放电活动十分活 跃，放电量最大值达到 350 pC，且放电活动不再局 限于运行电压的峰值附近，在整个周期内都存在明 显的放电现象。由此可知，当引入导电杂质后，对 电缆终端造成了悬浮电位缺陷，导致其内部电场发 生严重畸变，从而引发明显的局部放电现象[17] ，放电 活动越活跃，放电量越大，越容易加速电缆内部的 绝缘老化，长期运行最终将引发电缆终端的击穿事 故，造成严重的经济损失。

　　电缆技术论文投稿刊物：《绝缘材料》原刊名《绝缘材料通讯》，是桂林电器科学研究所主办的起居室技术期刊。主要刊登绝缘材料与绝缘技术相关领域的论文与科研成果。

　　4 结 论

　　通过使用有限元仿真软件模拟在电缆终端不 同位置引入导电杂质后的电场分布，并通过局部放 电测试平台对电缆终端进行局部放电测试，得到如 下结论： (1)在应控管和尾部胶的连接处引入导电杂质 时，电缆终端内电场畸变最严重，电场强度最大值 达到18.7 MV/m，接近乙丙橡胶的击穿强度。 (2)通过曲线拟合得到关于引入导电杂质位置 与电场强度最大值的曲线，可估算出在电缆终端不 同位置引入导电杂质时电场强度的最大值。 (3)局部放电检测结果表明，导电杂质的引入 使电缆终端内部放电活动更活跃，其中，当引入的 导电杂质与半导体层截断处的距离为194.0 mm时， 放电量最大值达到350 pC。

　　参考文献：

　　[1] 任志刚,李伟,周峰,等. 基于超低频介损检测的电缆绝缘性能评 估与影响因素分析[J]. 绝缘材料,2018,51(4):64-68.

　　[2] 程子华. 天津 CX 供电公司 35kV 电力电缆故障与防治措施 [D]. 天津:天津大学,2015.

　　[3] 吴科,马春亮,周凯,等. 10kV电缆终端绝缘气隙缺陷的局部放 电及缺陷表面烧蚀特征[J]. 绝缘材料,2015,48(7):38-43.

　　[4] 刘刚,陈志娟,陆国俊,等. 110kV交联聚乙烯电缆接头主绝缘含 杂质的击穿特性分析[J]. 高电压技术,2010,36(10):2450-2453.

　　[5] RITTMAM G W, HEYER S V. Water contamination in a crosslinked polyethylene cable joint[J]. IEEE Transactions on Power Aparatus and Systems,1976,95(1):302-306

　　作者：项恩新1 ，王 科1 ，李丽妮2 ，徐肖伟1 ，黄继盛3 ，车雨轩2