电力电缆耐压和局部放电试验方法的改进.doc

电力电缆耐压和局部放电试验方法的改进张强 1 , 宫瑞磊 2 , 燕飞 1( 1. 特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司 , 山东 新泰 271200 ;( 2. 西安交通大学电气工程学院 , 陕西 西安 710049)摘要 : 从理论和应用的观点讨论了电压等级 35kV 及以下的交联聚乙烯电缆耐压和局部放电试验时 , 杯型终端中使用氟里昂与水两种液体介质来替代单一氟里昂液体介质的新方法 。利用时域有限元方法在理论上分析了该方法的可行性 , 并且试 验验证了该方法的正确性 。新方法能节约氟里昂 ,更重要的是能够减少对大气环境的污染 。关键词 :交联聚乙烯电缆 ;耐压 ;局部放电 ;有限元方法中图分类号 : TM 247 ; TM 151文献标识码 : A文章编号 : 1009 - 9239 ( 2004) 05 - 0028 - 03The Amel iora t iona n d pa rt ia l disc ha rgeonwit hsta n din g vol ta gete st met hods ofpo wer ca bl eQi a n g 1 ,GO N G R ui- l e i 2 ,YAN F e i 1X i n t ai 271200 , C h i n a ;ZHAN G( 1 . T ebi a n d i a nL u ne n gT ais h a n C a bl e Co . , L t d ,X i a n 710049 , C h i n a)2 . S c hoolEl ect r i c alofE n g i nee r i n g ,X i a nJ i aot o n g U n i v e rs i t y ,Abstra ct : A n o v e l m e t h o d of w hi c h F r e o n a n d w a t e r a r e us e d t or ep l a c et h es i n gl eF r e o n i nof vi e w ,c up -w h e nt e s t e r i sp r e s e n t e di n t hi sp ap e rb o t h f r o m a t h e o r e t i c a l a n d ap r a c t i c a l p oi n tw i t h s t a n di n g v ol t a g ea n dp a r t i a l di s c h a r g et e s t s a r e c a r r i e d o u t o n t h e XL P E c a bl ev ol t ag eupt o35 k V .F e a s i bi l i t yof t h e m e t h o d i sa n a l yz e d f r o ma t h e o r e t i c a l vi e wt i m e d o m a i n f i ni t e e l e m e n t ,bya n d t h e ni mp o r t a n tv a l i di t yof t h e m e t h o d i s a t t a i n e dby e xp e r i m e n t .T h e n e w m e t h o d c a n s a v e F r e o n , m o r ec a n r e d u c e t h e a i rp ol l u t i o n .Keywor ds : XL P Ec a bl e ; w i t h s t a n di n g v ol t a g e ; p a r t i a l di s c h a r g e ; f i ni t ee l e m e n t m e t h o d1 引 言交联聚乙烯绝缘电力电缆 ( 以下简称 XL P E 电 缆) 以其优越的电气性能和机械物理性能获得了广泛应用 ,其性能的检测方法也得到了迅速发展 。5mi n 3. 5 倍的 U 0 耐压试验和 1. 75 倍的 U 0 局 部放电试验是 XL P E 电缆出厂试验的主要项目 , 该试验需要合适的试验终端 。目前 ,主要的终端有绝缘 油 、氟里昂和去离子水终端 。去离子水终端一般经常用在 110k V 及以上电压等级的 XL P E 电缆例行试验 中 。对于低电压等级的电缆来讲 , 用去离子水终端不 仅 费 时 而 且 也 会 造 成 电 缆 的 浪 费 。因 此 电 压 等 级35k V 及以下 XL P E 电缆在例行试验中经常用绝缘油或氟里昂杯型试验终端 , 它们对环境都会造成污染 。尤其是氟里昂杯型试验终端中的液体介质主要是 氟里昂 113 , 此种介质在室温下是液态 , 具有优异的介电性能 ,但暴露在空气中 ,也极易挥发 ,破坏大气中 的臭氧层 , 造成大气污染 。使用氟里昂与水两种液体 介质来替代单一氟里昂液体介质可以节约氟里昂 , 减 少其对大气的污染 。氟里昂 113 的密度大于水的密度 , 而且互相不溶 。因此在杯型终端中液体氟里昂在下 、水在上分成 两层 。由于氟里昂表面覆盖了半导电的水 , 改变了电 位分布 , 因此需重新分析杯型试验终端中及周围空气 的电场分布 。试验施加的电压是正弦周期电压 , 计算 电场分布时采用了时域有限元法 。收稿日期 : 2004 - 04 - 06作者简介 : 张强 , 男 , 助理工程师 ( Tel : 0538 - 7238761) ; 宫瑞磊 , 男 ,硕士研究生 , 研究方向是含有非线性材料应力控制管的电缆终端的电2时域有限元方法A ( - 0i A) = 0式中i 是非导电媒质的相对介电常数 。( 1)体介质 ,其右边界为一类边界条件 ; D 3 区域是杯型试验终端中的空气介质 ; D 4 区域是杯型终端的介质 ;D 5 区域是电缆试验终端外的空气 , 在较远处认为电 位法向矢量满足二类齐次边界条件 。用上述时域有限元方法分两种情况计算电缆端 部及杯型试验终端处的电场分布 。第一种情况是 , 如图 1 所示 , 计算此种情况下的 电场分布 ,等位线分布如图 2 所示 。第二种情况是 ,图1 中氟里昂的左面再加一层 20m m 厚的水 , 即在试验 时 , 杯型终端中的氟里昂上面加一层 20m m 后的水 ,水的电导率是 244. 8 , 计算此种情况下的电场分布 ,等位线分布见图 3 所示 。在导电媒质中 ,电位 满足如下的散射方程 :5=A - AA 0 j A( 2)5t为求解导电媒质中的电场分布 , 式 ( 2) 利用后退Eule r 法做如下的离散处理 :A - A (t ) =0 j A2 ( ) -A 2 (t -t )t( 3)t这里 t 是时间 , t 是适当的时间步长 。上式 ( 3)又可进一步写为 := A2 (t) + 0 jt -A -A (t )( 4)0 jtt总结以上两种情况 ,可以用下面的一个方程来描述电场在绝缘介质与导电媒质中的问题 ,即- A c A-( 5)= 0f这里 c 和 f 各表示如下 :0 i +0 j/ t绝缘介质导电媒质 绝缘介质c =0- 0 j A 2 t - tf =/ t导电媒质在式中 , 值得注意的是 , 求解域内的初始时刻的图 1 电缆端部及杯型试验终端示意图电位 是已知的 ,因此在以后的各时刻作 f为电位( t - t ) 的函数是已知的 。电缆终端的结构属于轴对称场 , 采用圆柱坐标系 ,则可得对应 ( 5) 式的变分问题 :F =?s E2s?f r d r dz = mi n6( )c E d Er d r dz - 20l =0式中 为电位标量函数 。与传统的有限元方程 形成相似 , 对求解域离散进行相应的处理后 , 得到相 应的有限元方程 ,方程表示为 :图 2电压峰值 128k V 时杯型试验终端中含氟里昂的等位线分布图K =P ()( 7)式中 , K 是 n n 阶的非线性刚度矩阵 ; 是场域中各节点电位的阶列向量 ; P 是由第一类边界条件经过处理后产生的阶列向量和等效的电荷密度所 形成的阶列向量之和 1 , 2 。3 杯型终端处的电场分析26/ 35k V 电缆耐压试验时电缆端部及杯型试验终端结构示意图如图 1 所示 3, D 0 区域是导体区域 ,施加的电压是峰值为 128k V 的正弦周期电压 ; D 1 区域是电缆的主绝缘区域 , 在区域 D 1 的上边界处外屏图 3电压峰值 128k V 时杯型试验终端中含水和氟里昂的等位线分布图 (下转第 34 页)蔽接地 ;D 2 区域是电缆试验杯型终端中的氟里昂液di sc ha r ge J . Pla sma So urce s Sci .127134.a n d Tec h nol ,2002 ,11 ( 2) :6方志 , 罗毅 , 邱毓昌 . 空气中大气压下低温等离子体对聚四氟乙烯进行表面改性的研究J . 真空科学与技术 ,2003 , 23 ( 6) :408412.张芝涛 ,鲜于泽 ,白敏冬 . 电荷电压法测量 DBD 等离子体的放 电参量J . 物理 ,2003 ,32 ( 7) : 458463.刘钟阳 , 吴彦 , 王宁会 . DBD 等离子体反应器放电功率测量 的研究J . 仪器仪表学报 ,2001 ,22 ( 3) : 7883.4 Bo rcia G , A n de r so n C A , B ro w n N M D . Dielect ric ba r rie r di sc ha r ge fo r surf ace t reat me nt : applicat io n to select e d pol y me r s i n f il m a n d f i bre fo r m J . Pla sma So urce s Sci .a n d Tec h nol ,2003 ,12 ( 3) : 335344.785 Fa ng Z , Qi u Y ,Lo u Y. Surf ace mo dif icat io n of pol yt e-t raf l uo ro et hyle ne f il m usi ng at mo sp he ric p re ssure glo w di s-9邱毓昌 , 张文元 , 施围 . 高电压工程M .学出版 , 1995.西安 : 西安交通大Physic s , 2003 ,36 ( 23) :c ha r ge i n ai r J . J .29802985.Phys D : Appl .徐学基 ,诸定昌 . 气体放电物理M . 上海 :复旦大学出版社 ,1996.10(上接第 29 页)比较图 2 和图 3 , 首先可以看出 , 氟里昂上面有 一层半导电水时 , 在绝缘外屏蔽断点处 , 最大电场强 度和最大轴向场强都有所下降 。通过计算知 ,试验终 端仅有氟里昂时最大电场强度是 17. 53k V / m m , 最 大轴向场强是 15. 17k V / m m , 而氟里昂上面有一层 半导电的水时最大的电场强度是 15. 81k V / m m , 最 大轴向场强是 13. 14k V / m m 的 ,可以看出 ,在外屏蔽 断点处 , 最大电场强度和最大轴向场强分别下降了9. 81 %和 13. 38 % 。其次可以看出 , 在高压屏蔽环处 , 杯型试验终端 中含水和氟里昂时比仅含氟里昂时的电场强度有所增加 。通过计算分析知 ,含水和氟里昂时高压屏蔽环处的最大电场强度是 2. 30k V / m m , 而仅含氟里昂时 最大的电场强度是 1. 98k V / m m 。因为空气的击穿场强是 2. 53. 0k V / m m , 所以在高压屏蔽环处的电场 强度增加对局部放电试验没有影响 。图 4 中画出了在两种情况下 ,杯型试验终端外表 面与空气接触面的电位沿面分布图 。图 5 中画出了在两种情况下 ,电场强度沿杯型试验终端外表面与空气接触面的分布图 。从图 4 和图 5 也可以看出 ,在杯型 试验终端与空气接触的外表面 ,杯型试验终端中含水和氟里昂时的电场强度大于仅含氟里昂时的电场强 度 ,但远小于空气的击穿场强 。的电缆的试验电压是 64k V 。由以上分析可知 ,此时 ,杯型试验终端处的最大电场没有超过空气的击穿场 强 ,不会发生局部放电事故 ,从而影响试验结果 。图 5 电压峰值 128k V 时沿杯型试验终端外表面的电场强度模值分布图4试验验证针对理论分析结果 , 在特变电山东鲁能泰山电缆 股份有限公司的局部放电试验大厅 , 对 26/ 35k V 电压等级的电缆进行了试验验证 , 试验结果表明 , 耐压 和局部放电试验时 , 杯型试验终端中加入水与不加水时的试验效果一样 。5 结论在有限元方法的基础上 , 推导了时域有限元方 法 , 实现了多种媒质中含有半导电媒质时的电场计算 。计算分析知 , 电缆试验时在杯型试验终端中的氟 里昂的表面上加一层水 , 对耐压和局部