陶瑞祥，王成珠，姜云土，曹俊平，王少华

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，杭州 310009；3.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

电缆接头是电缆稳定运行的薄弱环节，也是电缆故障的多发区段[1]。电缆长期运行过程中，通流发热使得电缆接头各部分产生结构性变化，导致内部电场畸变，同时绝缘材料热老化使得绝缘性能下降[2]，最终导致电缆接头发生击穿故障。当前，针对电缆接头缺陷故障分析已有相当数量的研究，其中关于电缆接头绝缘缺陷[3-4]及接头内部电场分布[5-6]的研究较多，此外还包括阻水性[7]、温度分布及监测[8-9]、局放检测[10-11]等方面的研究。在电缆接头缺陷方面，文献[12]研究了接头半导电尖端缺陷的局部放电特征，文献[13]对电缆主绝缘划伤、含杂质、受潮和半导体尖端缺陷4种典型的绝缘缺陷进行电场和温度场仿真，文献[14]计算了110 kV 电缆中间接头在正常工作、绝缘层出现老化和绝缘层中存在杂质时的电场分布。现有文献在电缆接头绝缘收缩方面的研究较少。文献[15]针对电缆主绝缘回缩类缺陷给出了电场模拟方法，但针对的是10 kV 电压等级的电缆接头。220 kV 电缆接头内部主绝缘收缩量更大，加上电压等级较高，电场畸变更加明显。本文对220 kV电缆接头XLPE 绝缘收缩后关键区域的电场强度进行计算，分析不同收缩情况下的电场变化，为电缆接头击穿故障分析提供理论基础。

1 电缆接头及参数

某220 kV 电缆运行过程中，线路中间接头出现了如图1 所示的击穿故障，击穿通道位于高压应力锥端部区域。此接头为整体预制式接头，基本结构如图2 所示。各主要部分的径向参数与电磁参数如表1 所示。依据图2 所示的结构建立计算模型，并假定电缆运行电压有效值为127 kV。

图1 电缆接头击穿故障

图2 电缆接头基本结构

表1 电缆各部分基本参数

2 电缆接头电场分析

本文通过建立电缆中间接头XLPE 绝缘不同程度收缩但未脱离与高压应力锥接触情况下的模型，在静电场条件下计算电缆接头的电场，研究电缆接头绝缘部分电场分布。在不考虑残余电荷的情况下计算方程为：

导体边界为：

绝缘橡胶边界为：

式（1）—（3）中：φ 为电位；φ0为导体边界电位；φ1为绝缘边界电位。

XLPE 绝缘收缩情况下的电场分布符合轴对称性质，可采用二维计算模型。此外，当XLPE 绝缘收缩造成高压应力锥与绝缘橡胶出现空气间隙时，其电场分布仍符合轴对称性质。

高压应力锥端部、高压应力锥与绝缘橡胶的结合部均是击穿故障的高发区域，本文在分析电场分布时，将重点关注高压应力锥与绝缘橡胶交界区域，尤其是高压应力锥端部区域，如图3 所示。本文电场分布曲线图中横轴所示的节点编号均按照图3 中箭头方向由小到大进行编号。

2.1 正常电缆接头电场

依据图2 所示的电缆接头基本结构建立计算模型，计算正常电缆接头的电场分布，标定路径（图3 虚线段）上的电场分布如图4 所示。

图3 高压应力锥与绝缘橡胶交界区域

图4 标定路径上的电场分布

从图4 的计算结果看，电缆接头高压应力锥端部是电场强度最大的区域，验证了该区域是电缆接头击穿故障高发区域的判断。

2.2 XLPE 绝缘单侧收缩的电缆接头电场

随着电缆的运行，XLPE 绝缘受热老化会出现不同程度的收缩，如图5 所示。220 kV 电缆主绝缘收缩量可达数厘米，XLPE 绝缘收缩会影响电缆接头内部电场分布。本节计算电缆接头单侧出现不同程度XLPE 绝缘收缩时，标定路径上的电场分布，并与正常电缆接头计算结果进行比较，结果如图6、图7 所示。

图5 单侧XLPE 绝缘收缩

从图6、图7 的计算结果看，电缆接头内高压应力锥与XLPE 绝缘接触段电场随着收缩距离的增大而整体增大，而其他段电场基本保持一致，变化很小。

图6 XLPE 单侧收缩时，高压应力锥与XLPE 绝缘接触段的电场分布

图7 XLPE 绝缘单侧收缩时，标定路径上的电场分布

选取高压应力锥端部区域中电场变化较为明显的4 个节点A，B，C，D，比较XLPE 绝缘出现单侧收缩时电缆接头与正常接头在节点处的电场强度，如表2 所示。

表2 击穿部位附近节点电场强度

从表2 的计算结果看，当XLPE 绝缘出现单侧收缩时，高压应力锥端部区域电场出现一定程度增强，最高可达11 kV/m。

2.3 XLPE 绝缘双侧收缩的电缆接头电场

本节计算电缆XLPE 绝缘双侧收缩时（如图8 所示），电缆接头标定路径上的电场分布。

图8 双侧XLPE 绝缘收缩

从图6、图7 的计算结果可以看出，XLPE 绝缘出现收缩时，收缩距离只对高压应力锥与XLPE 绝缘接触段的电场影响较大，而对其他接触段电场影响不明显。为了更清晰地显示收缩距离对电场的影响规律，后续收缩距离颗粒度设置为1 cm。本节假定单侧收缩1 cm，通过改变另一侧的收缩距离来研究XLPE 绝缘双侧收缩时电缆接头电场分布，计算结果如图9 所示。

图9 XLPE 绝缘双侧收缩时，高压应力锥与XLPE绝缘接触段的电场分布

从图9 的计算结果看，XLPE 绝缘双侧收缩时，随着收缩距离的增大，电缆接头高压应力锥与XLPE 绝缘接触段电场强度整体提升，且右侧收缩距离的增大对左侧电场分布基本没有影响。

假定左侧收缩距离为Dl、右侧收缩距离为Dr（如图10 所示），本节计算XLPE 绝缘单侧收缩（Dl分别为1 cm，2 cm，3 cm，4 cm）和XLPE 绝缘双侧收缩（Dl为1 cm，Dr分别为1 cm，2 cm，3 cm，4 cm）不同情形下，高压应力锥与XLPE 绝缘接触段、高压应力锥端部的电场，比较结果如图11、表3 所示，其中表3 的选点方式与表2 相同。

图10 XLPE 绝缘单侧与双侧收缩

从图11 可以看出，XLPE 绝缘出现双侧收缩时，两侧XLPE 接触段的电场分布相对独立，即一侧XLPE 绝缘收缩对另一侧电场分布影响甚微。从表3 的计算结果看，XLPE 绝缘出现单侧收缩和双侧收缩时，高压应力锥端部区域电场强度基本一致。

图11 XLPE 绝缘单侧与双侧收缩情形下，高压应力锥与XLPE 绝缘接触段电场分布比较

表3 2 种情况下击穿部位附近节点电场强度

2.4 XLPE 绝缘收缩产生气隙时的电缆接头电场

当电缆XLPE 绝缘出现收缩时，很可能造成高压应力锥与橡胶之间的气隙，如图12 所示。本节计算当高压应力锥与橡胶之间出现气隙时电缆接头标定路径上的电场大小，研究绝缘收缩与气隙对电缆接头电场的影响。

图12 高压应力锥与橡胶之间出现气隙

XLPE 出现单侧收缩或双侧收缩时，单侧收缩侧或双侧收缩中收缩量较大的一侧均可能会出现气隙，标定路径上的电场分布如图13 所示。

图13 单侧出现气隙时，标定路径上的电场分布

从图13 的计算结果看，单侧气隙对高压应力锥本侧端部电场影响极为明显，而对另一侧端部电场影响甚微。相比而言，XLPE 收缩量的大小对高压应力锥端部电场影响较为微弱，且收缩量对标定路径上其他位置的电场强度影响不大。

若XLPE 出现双侧收缩，则有可能在双侧出现气隙，标定路径上的电场分布如图14 所示。

从图14 的计算结果看，双侧出现气隙时，各侧的气隙只会影响本侧高压应力锥端部的电场分布，而对另一侧的电场分布影响很小。

图14 双侧收缩时，标定路径上的电场分布

3 结语

本文通过分析正常电缆接头和出现XLPE 绝缘收缩的电缆接头的电场分布，得出如下结论：

1）正常情况下，电缆接头高压应力锥端部电场强度相对较高，在出现XLPE 绝缘收缩后，电场强度进一步增大，加上绝缘材料的热老化使得该区域更易发生击穿故障。

2）当XLPE 绝缘出现收缩时，高压应力锥与XLPE 绝缘接触段的电场随着收缩距离的增大而增大。高压应力锥端部电场对收缩距离的变化不敏感。

3）当XLPE 绝缘出现双侧收缩时，一侧收缩距离的增大对另一侧电场分布基本没有影响。

4）XLPE 绝缘收缩产生的气隙对电场的影响远超过绝缘收缩，更易导致高压应力锥端部的击穿故障。一侧气隙只对高压应力锥本侧电场产生影响，对另一侧电场影响甚微。