66kV电缆中间头击穿故障诊断及电场仿真分析.pdf

2 0 1 6年 1 O月 第 4 4卷 第 5期 ( 总第 2 4 6期 ) Oc t 20 1 6 Vo1 44 NO 5( Se r NO 2 46 ) 6 6 k V 电缆 中间头击穿故障诊断 及 电场仿真分析 Di a g n os i s a n d El e c t r i c Fi e l d Si mu l a t i o n Ana l y s i s o f 6 6 k V C a b l e J o i n t Br e a k d o wn F a u l t 杨代 勇 ， 刘俊 博 ， 张益云 ， 赵春 明， 于群英 ( 国网 吉林 省 电力有 限公 司电力科 学研 究 院 ， 长春 1 3 0 0 2 1 ) 摘 要 ： 介绍 了一起 6 6 k V 电缆中间头 击穿故障 ， 应用 ANS Y S软件建立 了电缆 中间头生产工艺不 良的电场分析模 型 ， 并进行 了静 电场仿 真分析 ， 通过设备解体 和电场仿真结果 确定了故障原 因， 即电缆 中间头端部应力 锥半 导体材 料工 艺处理不 良 ， 存在 毛刺 ， 造成局 部电场应力集 中， 由局部 放电发展成 贯穿性放 电 ， 最 终造成 电缆 中阃接 头绝缘 击穿 ， 系统 1 0 0 接地 ， 得出今后应严格控制 电缆 中间头 制造 工艺的结 论 。 关键 词 ： 电缆 中问头 ； 电场 ； 应力锥 ； 放 电； 仿 真 Ab s t r a c t ： Th e p a p e r i n t r o d u c e d a b r e a k d o wn f a u l t o f 6 6 k V c a b l e j o i n t ，u s i n g ANSYS s o f t wa r e t o e s t a b l i s h a n e l e c t r i c f i e l d a n a l y s i s mo d e l f o r t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s o f c a b l e j o i n t ，a n d c a r r i e d o n t h e s t a t i c e l e c t r i c i t y f i e l d s i mul at i on a n al ys i s，a nd d e t e r mi ne d t he c a u s e of t he f a i l ur e t ho ug h de v i c e di s a s s e m b l y an d e l e c t r i c f i e l d s i mul a t i on r e s u l t s Th e c a b l e j o i n t a r e p o o r p r o c e s s o f s t r e s s c o n e s e mi c o n d u c t o r ma t e r i a l s ，e x i s t e d b u r r ， c a u s e d l o c a l e l e c t r i c f i e l d s t r e s s c o n c e n t r a t i o n Th e p a r t i a l d i s c h a r g e d e v e l o p e d i n t o t h e t h r o u g h d i s c h a r g e， c a u s e d i n s u l a t i o n b r e a k d o wn o f c a b l e j o i n t a n d s y s t e m g r o u n d i n g 1 0 0 I t i s c o n c l u d e d t h a t ，t h e ma n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y o f c a b l e j o i n t s h o u l d b e s t r i c t l y c o n t r o l l e d i n t h e f u t u r e Ke y wo r d s ： c a b l e j o i n t ；e l e c t r i c f i e l d；s t r e s s c o n e ；d i s c h a r g e；s i mu l a t i o n 中图分类 号 ： T M2 4 7 ； TM8 3 5 4 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 9 5 3 0 6 ( 2 0 1 6 ) 0 5 0 0 4 5 0 3 电力 电缆受 制 造 工 艺等 因素 影 响 ， 单 根 电缆 的 制造长度受限， 长距离 电缆线路在敷设过程中需使 用中间头对电缆进行对接延长 。由于电缆使用量的 剧增 ， 电缆中间头使用量随之变大 ， 电缆中间头一旦 发生 故障 ， 一般都会 引起系统接地故障且不可 自恢 复 ， 电缆 中 间头 对 电缆 线 路 的运 行 稳 定 性有 着 重 大 影响。 电缆中问头内部有均匀电场应力的应力锥 ， 其 多数 故 障是 由应 力锥 生产 工艺 或安 装工艺 不 良造 成 的。利用有限元法的电场仿真研究可以了解电缆 中 间头 的内部电场分布 ， 为故障诊断提供理论依据 。 本 文针对一起 6 6 k V 电缆中间头击穿故障， 结合解体 检查 ， 利用电场仿真进行了故障诊断分析 。 1 电缆 中间头击穿 故障概况 某 6 6 k V 线 路发 生 接地 故 障 ， 系 统 1 0 0 接 地 ， 经过 排查 ， 该 线路 电缆段 6号井 A 相 电缆 中间头 击 穿 ， 外 侧 查看 击 穿 位 置 中心 点 位 于 电缆 中 间头 中心 负荷侧约 9 0 li l m处 。故障电缆型号为 Y J I w 一 4 8 6 6 k V一 1 8 0 0 ， 三相电缆在电缆沟桥架上垂直放置 ， A 相 电缆 放置 在下 层 。 2 故 障原 因分析 故障发生后 ， 进行 了故障现场检查 和电缆 中间 头 解 体 检查 ， 初 步判 断为 电缆 中 间头 生 产 工艺 不 良 导 致应 力锥 处 电场应 力集 中 ， 产 生 局部放 电 ， 由局 部 放 电缺 陷逐 步发 展成 贯穿 性接 地故 障 。 电缆 中间头 的应 力锥 部位结 构 见 图 1 。 2 1 中 间头解 体检 查 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 6 2 9 作者简 介 ： 杨代 勇( 1 9 8 5 ) ， 男 ， 工程师 ， 从 事高压试验技术研 究工作 。 4 5 2 0 1 6年 1 0月 第 4 4卷 第 5期 ( 总 第 2 4 6期 ) Oc t 2 0 1 6 Vo1 44 No 5( Se r No 24 6) 、 | )l r |l 绝缘 ( 交联 聚乙烯 ) 中心 导体 ( 铜 ) 图 1 电缆 中 l司头 应 力 锥 部 位 结 构 图 对电缆中间头进行 了解体检查 ， 击穿中心位置 位 于 负荷 侧距 压 接 管边 缘 约 3 0 mm， 放 电 中心 位置 周边 电缆 中间头 充填 胶 、 防水 沥青 、 应力 管绝 缘 材料 及半导体材料 ， 电缆主绝缘被碳化， 呈颗粒状粉沫 ， 最 外层 板结 ， 电缆线 芯发 生 了放 电烧蚀 。 应力锥与 电缆安装配合情况见 图 2 ， 可知应力 锥装配正常 ， 不存在应力锥半导体材料与电缆半导 体 层搭接错位 的情 况， 预 留了( 3 0 5 ) mm 的安全 区 。 图 2 剖切检查应力锥与 电缆安装配合情 况 对 电缆 中 间头 进 行 剖切 检 查 ， 发 现 电缆 负荷 侧 应 力 锥半 导 体材 料 端 部 有一 放 电点 ， 所形 成 的树 枝 状 放 电贯穿 至 电缆 主绝缘 击穿 区域 。电缆击 穿点 周 边 主绝 缘 被 烧蚀 ， 未击 穿 的正 常侧 电缆 剥 离 的 主绝 缘 上 附着碳 黑 。 2 2 故 障过程初步分析 通 过 解 体 检查 ， 确 认 击 穿故 障形 成 分 为两 个 主 要 阶 段 ， 且放 电起 始点 位 于 电缆 中 间头 左侧 应 力 锥 半 导体 材料 端部 ， 放 电击 穿过 程示 意 图见 图 3 。 电缆对地 击穿位置 树枝 状放电起点 4 6 图 3放 电 击 穿 过 程 示 意 图 第 1阶段 ： 电缆左侧应力锥半导体材料与电缆 主绝缘接触部位端部由于电场分布不均产生局部放 电， 放 电向高 电位 电场应 力 集 中区域 发展 ， 生成 树枝 状放 电 ， 放 电树 缓 慢发 展 ， 伸 人 到压接 管端 部应 力 管 半导 体材 料与 电缆 主绝 缘 的接触 区域 。 第 阶段 ： 电缆正 常运 行时 ， 压接 管端 部应 力锥 半导体材料与电缆主绝缘的接触区域 电场应力较为 集中， 加上延伸至此处的树枝状放电的强化作用， 局 部放 电不 断加 强 ， 在 包 裹 电缆 压 接 管周 围 的绝 缘材 料 、 填 充 材料 中形 成树枝 状 放 电。 放 电树枝 继续 向高 电位 电缆 压接 管 端 部 发展 ， 当与 高 电 位导 体 接 触后 形成贯穿性击穿放电， 放电电弧将压接管一侧原已 发生损伤的电缆压接管包裹绝缘击穿 ， 直接对地放 电 ， 击 穿 点位 于压 接管左 侧 半导 体材 料边缘 ， 距 压接 管边缘 3 0 mm处 。 2 3放 电起始 原 因分 析 排除掉电缆半导体层与应力锥半导体安装错位 情 况 ， 放 电起始 点 电场 分 布不 均 产 生 的原 因 可 能为 电缆 头 制作 、 安装 过 程 中局 部 带 入 杂质 或 残 留微 小 气 泡 ， 也 可 能 电缆 中间 头端 部 应 力 锥半 导 体材 料 端部加工工艺不良， 存在毛刺。 在应力锥半导体材料 端部 位 置恰 好 存 在气 泡 或 杂 质 的概 率 较小 ， 因此 怀 疑应 力锥 制作 工艺 不 良可能 性较 大 。 3 电场仿真分析 使用 电场仿真软件 AN S Y S， 对 电缆 中间头端 部应 力锥半 导体 材 料处 理工 艺 良情 况进行 了电场 仿 真 。 3 1 电场 仿真 模型 和参 数 依照应力锥实际结构 ， 针对这个部位建立 电场 仿 真模 型 ( 见 图 4 ) 。 图 4电场 仿 翼 模 型 当模型区域 内最大直径尺寸远小于工频电磁场 波形 尺寸 时 ， 模 型 区域 内电场 为缓变 电场 或 似稳 场 ， 电场分布符合静电场 的分布规律 ， 所 以采用静 电场 仿真代替工频交变电场仿真 。本文中静 电场仿真模 型材 料相 对介 电常 数见 表 1 。 3 2 电场仿真计算结果 2 0 1 6年 l O月 第 4 4卷 第 5期 ( 总第 2 4 6期 ) OC t 2 01 6 Vo I 4 4 No 5 ( S e r NO 2 4 6 ) 表 1 电场仿真材料相对介 电常数 材料 交 联 聚 乙 烯 硅橡胶 半导体材料 金属 空 气 相对介 电常数 ( E r ) 2 3 3 5 。 。( 1 1 0 ) 1 0 分别针对电缆 中间头端部应力锥半导体端部存 在 毛 刺 ( 长 度 为 0 、 5 、 1 O 、 1 5 、 2 0 mr n情 况 ) 进 行 了电 场仿 真计 算 。 3 2 1 应力 锥安 装部 位正 常情 况 安装 正 常情 况 电场 分 布 见 图 5 ， 电 场 强 度 最 大 值 出现 于 应力 锥 半 导 体材 料 端 部 位 置 ， 电场 强 度 值 为 E 一3 1 2 5 1 0 V m。 a 电位 b 电 场 强 度 图 5 安装 正常时应力锥的 电位和 电场分布 云图 3 2 2 应力锥端部存在半导体毛刺情况 应力锥端部存在半导体毛刺时 ， 应力锥电位和 电场整体分布情况与图 6 a相似 。从图 6 b中可以看 出 ， 电场强度 最大位于毛刺 的端部 ， 其值 为 E 一 3 8 4 1 1 0 V m。 半 导 体 毛 刺 长度 0 、 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 mm 情 况 电场 强度最大值变化曲线见图 7 。 3 3电场仿 真 结果 分析 电缆 中间头 端部 应力锥 半 导体 材料 端 部存 在 毛 刺对 电位分布影响不大 ， 但会导致 电场强度局部分 布 不均 情 况 加 剧 。 由图 7可知 ， 半 导 体 毛 刺 长度 越 长 ， 电场 强度 畸变 越严 重 ， 越 容易产 生 局部 放 电 。局 部放 电产生 后 ， 向其 他应 力较 为集 中 区域发 展 由图 4 b可 知 ， 在 电缆 导 体 压 接 管处 ， 应 力锥 半 导 体 材 料 端部区域电场应力较为集中， 因此树枝状放电易向 此 区域 延伸 。 4 结论 图 6存在 毛 刺 时 应 力 锥 的 电 场 公 布 云 图 l J l l J 1 I J 色刺 长度 mm 图 7电 场 强 度 最 大 值 变 化 曲线 根据 现 场 电缆 中间 头 解体 检 查 及 电场 分 析 ， 认 为 电缆终 端 头 击 穿原 因为 应力 锥 生 产工 艺 不 良， 电 缆中间头端部应力锥半 导体材料存在毛刺 ， 导致电 缆半 导 体层 端 部 电场 应 力