李如锋，梁 奕，张军建，赵习建

(国网邯郸市供电公司，河北 邯郸 056000)



微间隙形状对电缆中间接头场强分布影响性研究

李如锋，梁 奕，张军建，赵习建

(国网邯郸市供电公司，河北 邯郸 056000)

因近年来由电缆中间接头造成的电缆绝缘击穿、电缆爆炸的现象屡见不鲜，其中主要原因是局部场强畸变而引起的局部放电，而局部微间隙的存在是造成场强过于集中的主要因素之一，因此针对电缆中间接头存在不同形状的局部微间隙进行场强分析是有意义的。通过对含有局部微间隙的电缆中间接头进行有限元分析求解，结果表明微间隙存在，会使内部场强发生严重畸变，且场强的畸变程序与微间隙的面积成正比关系；微间隙的面积相同、形状不同时，对应的场强数值是不同的，圆斑状间隙比较于其它间隙形状时，内部场强数值最小，但应力锥处场强最大；而正方形状间隙，内部场强数值取到最大值。直接表明局部微间隙形状对场强分布是有显著影响的。

电缆中间接头；局部微间隙；形状；场强

因交联聚乙烯电缆(XLPE)有着传统电缆更多优点，如允许温度高、介质损耗小、电气强度高、重量轻等，所以被大量使用在城市供电系统中。但是电力电缆的长度受生产技术，运输条件和施工等条件限制，在实际生产中需要使用大量的中间接头。大量运行经验证明，电缆接头已成为电力电缆供电系统最薄弱的环节[1,2]。在安装的过程中，需要将电缆的内、外半导电层和金属屏蔽层切掉一部分，则使电缆的切断口处电位的等位面严重扭曲，附近的电场过于集中，不仅有沿着电缆接头长度的轴向分量，还有沿着电缆半径的径向分量[2-4]。对近十年来全国XLPE电力电缆运行故障类型和数量的统计分析表明,电缆中间接头击穿故障的比例约占电缆运行故障总数的31%。其中因多层固体复合介质沿面放电原因导致接头击穿故障约占电缆接头故障总数的97%以上[5]。

1 微间隙产生

因现场电缆中间接头安装过程中，均采用现场人工手工制作。由于安装完成后接头后内残留的微量灰尘、导电微粒、气隙、水分等杂质，这些微杂质即是构成电缆中间接头界面存在局部微间隙之一，同时也是潜伏性故障隐患主要因素之一。另外，即使是良好性能的电缆，由于生产过程中的工艺问题，使介质层间或介质与电极之间或介质内部留下有小气隙，或是因为浸渍剂冷却时收缩或运行中的热胀冷缩造成小气隙，又或是介质在运行中分解出气体，形成小气泡，也或是大气中的水分侵入后在电场作用下电离造成小气泡，这些客观因素的存在，均会使电缆中间接头界面处存在局部微间隙。

表2 电缆中间不同微间隙尺寸对应场强数值比较

局部微间隙的存在，则会形成高强度的局部集中电场，而局部场强过高，是放电的产生与发展的源泉[6]。会极易引发局部放电， 随着放电的发生发展，电缆本体的绝缘介质被分解，会产生有导电性的黑色炭颗粒，逐渐在界面上形成放电通道，由应激效应，更一步引起电场的畸变，最终导致电缆附件绝缘击穿。因此，对电缆局部微间隙的场强分析讨论，是很有必要的。

2 微间隙对场强的影响分析

2.1 微间隙尺寸不同对场强分布影响

为了对定性分析微间隙对场强分布的影响，文中对有限元分析软件对10 kV电缆中间接头进行建模，又因电缆中间接头可视为轴对称结构, 则可以用二维场来计算其内部的电场分布[7]，同时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[8]。通过查询相关资料，得到电缆中间接头相关材料属性见表1[9]。

表1 电缆中间接头各材料属性

图1 不同间隙场强分布云图

同时，为了更一步研究圆斑状间隙尺寸大小对电缆中间接头应力锥处最大场强、微间隙内部最大场强的影响，现罗列出不同尺寸时对应各场强数值，如表2所示。

从表2中可以看出，当圆斑状微间隙存在时，会对电缆中间接头场强产生影响，间隙的存在会对间隙内部产生严重畸变的场强，间隙内部场强数值随着间隙尺寸的增大而增大，对应1、4 mm时，场强数值比无间隙时分别高29.17%、38.17%，且随着间隙处增大，场强增大幅度则更为显著，由于应激效应可知，间隙增大致使场强进一步增大，畸变的场强可能使内部发生局部放电，电蚀的作用则使微间隙进一步加大，从而又进步加大场强，久之，会造成内部形成碳化通道，进而发生击穿。而对应力锥处最大场强数值分析得知，间隙尺寸比较小时，应力锥处场强数值比无间隙时要偏大，而随着尺寸的增大，场强数值会随着减小，如间隙为0.5、4 mm时，对应应力锥处场强数值比无间隙时场强分别高于3.71%、-9.1%。整体上分析，微间隙的存在对改变间隙内部场强效果显著，而对应力锥处场强影响作用相对较小。

2.2 不同微间隙形状、相同间隙面积对场强分布影响

因外界环境因素或者是其它客观因素的不确定性，导致中间接头存在不同形状的局部微间隙，现设定局部微间隙为以下不同形状：圆斑状、正方形、长方形、椭圆。通过编写不同APDL程序以实现不同形状的微间隙，因研究形状参数对电缆中间接头场强分布的影响，设置各不同形状间隙的面积是一致的，以上小节面积圆斑尺寸为3 mm时，对应面积为3.14 mm×3 mm×3 mm为基本标准，则微间隙为正方形形状时，其对应边长为5.137 mm，但在长方形形状时，可设长乘宽分别为4 mm×7.1 mm，同时又可令7.1 mm×4 mm，即表2中分别列出不同的长与宽尺寸时，对应的场强数值，即长方形1，长方形2。同理，在椭圆形状时，可设长短半轴分别为，则椭圆2长短半轴可设尺寸分别为2.25、4 mm。现求出各种形状、面积相同的微间隙的场强分布云图，如图2所示。

表3 不同微间隙形状、相同间隙面积的场强数值比较

图2 不同微间隙形状、相同间隙面积的场强分布云图

同时，因长方形的长宽、椭圆的长短半轴的不同，则长方形状、椭圆状的微间隙对应的场强分布也存在着不同数值，则针对上述的相同面积，不同形状的微间隙，得到应力锥处最大场强、微间隙内部最大场强值，如表3所示。

由表3得知，在微间隙面积相同的情况下，对应圆斑状的微间隙其应力锥处场强数值比其它形状时场强数值要大，如比椭圆1场强数值高4.31%，但微间隙内部场强值却取到最小值；正方形形状时，间隙内部取到最大场强值，比圆斑状内部场强高15.3%；长方形状微间隙，应力锥处最大场强与长方形的宽有关，宽度微增使场强也随着增大，但整体来看,改变长宽比例两处数值相差不太大；椭圆状微间隙时，应力锥处最大场强数值及微间隙内部最大场强值均与椭圆短半轴略相关，即随着短半轴的增大，场强数值也微增。现总结以上相同面积而不同形状的微间隙时，在间隙内部，发现正方形状对应间隙内部场强最为严重，局部场强数值最高，局部放电的概率较高，其次是椭圆状，而长方形状相对影响较小；在应力锥处，圆斑状的场强达到最大值，可能导致在应力锥处产生电晕或放电。

3 结论

(1)电缆中间接头的微间隙存在，会使内部场强发生局部畸变，且场强的畸变程序与微间隙的面积成正比关系。

(2)微间隙的面积相同、形状不同时，对应的场强数值是不同的，圆斑状间隙比较于其它间隙形状时，内部场强数值最小，应力锥处场强最大；而正方形状间隙，内部场强数值取到最大值。

(3)在制作电缆中间接头或者是机械化生产过程中，尽可能避免产生局部微间隙，特别是间隙形态为球形或正方体，因局部间隙内与应力锥处场强数值较高，发生放电机率较大。

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TANG Ju, DENG Zhi-yong, GONG Ning-tao, et al. Performance analysis of inner sensors used for partial discharge detection in cable accessories[J]. Journal of Chongqing University(Natural Science Edition),2008,31(7):760-765.

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(本文编辑：严 加)

Influence of Micro-Gap Shape on Cable Middle Joint Field Strength Distribution

LI Ru-feng, LIANG Yi, ZHANG Jun-jian, ZHAO Xi-jian

(State Grid, Han Dan Electric Power Supply Bureau , Handan 056000, China)

In recent years, the cable insulation breakdown and cable explosions caused by intermediate cable connector are common occurrences, which is mainly due to the partial discharge for the local field strength distortion, and the presence of local micro-gap is mainly responsible for the field strength too focused. The field strength analysis of different shapes of local micro-gap is meaningful. The intermediate cable containing local micro-gap joint is studied by finite element analysis software. The results showed that: 1. a micro gap can make a serious distortion of the internal field, and the field strength is proportional to the area of distortion; 2. with the same micro-gap area and different shape, the corresponding field strength values are different; compared to the other shapes of the gap, the internal field strength value of a round gap is the smallest, but its field strength is strongest at stress cone; the internal field strength of a square-shaped gap can have the maximum value. It is concluded that the different shapes of gaps have a significant influence on field strength distribution.

cable joints; local micro-gap; shape; field strength

10.11973/dlyny201605007

李如锋(1986)，男，硕士，工程师，从事变压器检修工作。

TM247

B

2095-1256(2016)05-0564-04

2016-08-13