10kV电缆缺陷分类及仿真计算报告

PAGE27PAGE27PAGE10kV电缆缺陷分类及仿真计算报告目录110kVXLPE电缆局部缺陷类型分析 21.1 XLPE电缆主要缺陷类型及其原因 21.1.1 电缆绝缘老化 21.1.2 电缆机械损伤 21.1.3 施工质量低 21.1.4 过电压或过负荷 31.1.5 生产工艺不合格 31.1.6 鼠蚁虫害的破坏 31.2 电缆故障统计 31.3 本项目研究的10kVXLPE典型局部缺陷选择 41.4 电缆终端电场可按静电场进行分析 51.5 分析工具及算法 51.6 误差分析 71.6.1有限元剖分误差分析 71.6.2有限元边界误差分析 71.6.3其他误差分析 81.6.3总体误差分析 81.7 模型建立及剖分 81.7.1模型及边界条件 81.7.2物理模型 81.8 边界条件及介质参数 82含杂质缺陷的电缆接头电场分析 102.1建模 102.2有限元计算结果 102.2结论 133应力锥安装错位电场分析 143.1应力锥安装覆盖电缆半导体层50mm 143.2应力锥安装覆盖电缆半导体层46mm 153.3应力锥安装覆盖电缆半导体层73mm 163.4结论 174终端受潮电场分析 184.1积水在原理导线侧地电场分布 184.2积水在靠近导线处的电场分析 194.3结论 215.电缆本体受损电场分析 225.1电缆电缆本体只存在孔洞，孔中不含其它杂质 225.2电缆本体存在孔洞，将平头铜丝插入孔中 235.3电缆本体存在孔洞，将尖头铜丝插入孔中 245.4结论 256电缆缺陷模拟试验初步方案 266.1终端应力锥安装错位的模拟试验 266.2终端受潮的模拟试验 266.3电缆绝缘受损缺陷的模拟试验 266.4中间接头含杂质的模拟试验 26110kVXLPE电缆局部缺陷类型分析XLPE电缆主要缺陷类型及其原因电缆绝缘老化对于10kVXLPE电缆的老化原因，一般认为电树枝、水树枝、热老化的发生，导致电缆及其附件绝缘性能的降低，且出现频率较高。电缆机械损伤机械损伤的原因主要是直接受外力作用、敷设过程造成的损坏、自然力造成的损坏等几个方面。直接外力作用造成的机械损伤主要是指电缆的铅(铝)护套裂损，其裂损的原因则是施工和交通运输所造成的损坏，以及行驶车辆的震动或冲击性负荷。电缆敷设过程中造成的损坏主要是指电缆在敷设过程中受拉力过大或弯曲过度而造成电缆绝缘和护层的损坏。特别是一些需穿管的电缆，管口两端的曲率半径太小导致管口部位经常发生绝缘击穿事故；另外是以管口边缘作支点，对电缆内部的绝缘造成了严重的损坏。自然力造成的损坏是中间接头或终端头受自然力和内部绝缘胶膨胀作用所造成的电缆护套裂损。其原因是电缆的自然胀缩和土壤下沉所形成的过大拉力拉断中间接头或导体以及终端头瓷套，使其相关部件因受力而破损等。施工质量低电力电缆线路敷设施工时受施工的环境条件、天气条件以及施工机具和人员素质条件限制，可能出现诸如电缆终端端部进水、电缆附件内部进入杂质、附件安装误差和电缆弯曲半径偏小等施工质量低的情况，这都会形成电缆受潮、电缆金属屏蔽层崩裂或电缆本体机械应力内伤等施工失误，引发电缆早期运行故障。统计表明此类故障占故障总数的12%，其中绝大部分施工质量问题完全可以避免。值得注意的是，过去所有电缆线路在投运前均采取直流耐压试验为竣工交接试验，然而该试验并未发现这些故障隐患。过电压或过负荷过电压引起绝缘击穿：在电力系统中出现的雷电过电压和内部过电压均可导致电缆绝缘击穿，这在过电压保护不完善的电缆线路中也会发生。经过对实际事故分析发现，许多户外终端头事故是由雷电过电压引起的，另外，当电力系统中故障发生时，会引起系统电流增加，当电缆绝缘存有缺陷时，则容易在绝缘薄弱环节发生击穿事故。过负荷导致电缆绝缘损坏：电缆属于一次性投资的较大设备，一旦投入运行，就不会轻易停运，尤其是在电缆没有发生必须要停运的故障时更是如此。但是，经济发展步伐的加快，使已经投运的电缆经常处于临界满负荷运行状态，长期满负荷或经常超负荷运行的电缆会出现绝缘老化等现象。如果电缆运行环境恶化，将会加快电缆劣化进程，最终导致电缆缺陷发展为故障。特别是电缆制作工艺不良时，电缆的局部温度上升地很快极易发生绝缘击穿事故。生产工艺不合格在电缆生产过程中，原材料要经过高温高压，冷却，收卷成型等工序，如果选用的原材料纯度质量等达不到生产要求，或者在高温高压工序中温度压力过高过低、反应不完全、混入杂质，都可能使生产出来的电缆绝缘层绝缘性能下降。使用了这样的电缆，经过一定时间运行，极易发生击穿等故障。鼠蚁虫害的破坏在电缆敷设的地区存在白蚁、老鼠等，这些害畜对电缆产生危害，蛀坏外护套甚至绝缘层，这些都会造成电缆故障。电缆故障统计深圳是国内四个特大型重点城市之一，人口、工业密集，截至2012年年底，深圳地区10kV工业线路总长度达24749.5km，其中电缆线路长度为21786.9km，电缆化率极高，达88%。近5年来发生的电缆类故障在总故障中所占比例超过50%，2012年，电缆类故障占比达57%。掌握电缆运行状态，及时发现和修复故障隐患，对降低深圳地区10kV电缆故障率，保障供电可靠性具有重要意义。造成故障率逐年上升的原因主要有两个：①市政施工的增加：由于该地区近年来经济发展，城市建设项目的大量上马，部分施工单位缺乏电缆保护意识，施工时野蛮操作，对电缆线路造成了破坏。②电缆进入老化。据统计，电缆设备的故障率与使用时间有明显关系，故障率与时间相关曲线称浴盆曲线，见图2-1。曲线中三个区域：A为设备投入初期，所以又称早期故障区，大体上是由于材料质地或随后的制造工艺的缺陷所致；B为设备运行期，又称随机故障区，大体上是由于运行中的异常条件所致；C为设备运行末期，又称老化所致故障区，故障率随使用时间的增加而增大。我国电缆是在80年代前后开始投入运行的，这一部分电缆到目前为止已经超过或者接近30年，进入了电缆运行的末期，因此故障率会有一定程度增加。图1-1浴盆曲线本项目研究的10kVXLPE典型局部缺陷选择机械损伤、鼠蚁虫害、过电压这三类电缆故障发生原因具有一定的突然性，并且从缺陷的产生到引发电缆故障的时间间隔往往很短，使得故障的突发性强、不可控性大。对于这三类缺陷较难实现实时检测和故障预测。因此该类缺陷不作为本项目的研究范围。对其他几类故障发生原因中，绝缘系统中含有杂质，会使绝缘更易产生局部放电，加剧绝缘材料水树枝与电树枝的产生，加速电缆的老化。同时在过电压或者过负荷情况下，也更容易会使杂质缺陷发展成故障。根据相关研究，在电缆本体故障、电缆附件故障中，电缆的附件故障率大约占了70%。这是由于附件制作工艺的好坏是保证其质量的关键，其主要原因是电缆接头、终端在制作过程中，必须剥去一段电缆屏蔽层，从而使屏蔽末端的电场集中,使电缆终端处电场分布极不均匀，这种不均匀的电场分布也将产生对绝缘极为不利的切向电场，导致了屏蔽末端处的电场强度急剧增大。随着运行时间的增加，该处会出现放电现象，最终导致绝缘击穿。同时接头、终端等附件内部存在大量复合界面和电场应力集中现象，导致其成为绝缘的薄弱环节和运行故障的典型部位。因此，电缆接头、终端在电缆绝缘方面具有很大的重要性。随着交联聚乙烯电缆投运时间增长，运行经验积累，对电缆附件缺陷的认识也日益加深，同时对于电缆接头、终端等附件在制作过程中主绝缘部分产生的缺陷问题的关注度愈来愈高。本项目就电缆接头、终端主绝缘在制作过程中出现的各类典型性缺陷作为对象展开相关方面的研究。电缆终端电场可按静电场进行分析分析的电缆终端、接头、受损本体在工频50Hz交流电压下工作，电极间电压随时间的变化是比较缓慢的，极间的绝缘距离远比相应电磁波的波长小得多（50Hz交流电压的波长为3000km）。即使在电压变化较快的1.2/50μS雷电冲击电压作用下，在电压由零升到幅值的时间内，冲击波虽只行进了几百米距离（波速一般为150～300m/μS），但仍比电气设备的尺寸大得多（除高压输电线和有长导线的线圈类设备外）。所以电缆终端在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的，可以按静电场来分析。分析工具及算法研究静电场分布的规律，常常希望能够定量计算绝缘各部位的电位和电场强度。但是由于电极形状、介质分布（场域的边界条件）比较复杂，计算常会遇到很多困难，除了极少数简单几何形状的电极和介质分布外，一般很难用解析计算方法求解，甚至不可能求解。工程上常常用近似方法，简化电极形状，来估算场域中某部分的解（主要是最大场强值）。近些年来由于计算技术的发展，计算机的普遍使用，静电场数值计算方法得到了广泛应用，一些边界比较复杂的静电场问题也都能获得比较满意的数值解。静电场数值计算中常用的方法是有限差分法、有限元法和模拟电荷法。有限元法在50年代初开始应用于力学问题，60年代中被应用于电磁场问题。有限元法是以变分原理为基础，吸取差分格式思想而发展起来的一种数值计算方法。静电场的能量可表示为待定电位函数及其导数的积分式，对积分区域（即求解场域）D，依照差分法的离散化方法，将它划分为有限个子区域（称为单元）e。然后利用这些离散的单元，使静电场能量近似地表示为有限个节点电位的函数。这样，求静电场能量极值的变分问题就简化为多元函数的极值问题，而后者通常归结为一组多元线性代数方程有限元方程。最后结合方程组的具体特征，利用适当的代数方法，求得各节点电位，就实现了变分问题的离散解有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法，与有限差分法求解边值问题的处理方法有所类似。它首先利用变分原理把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，也就是所谓泛函的极值问题，然后利用剖分插值将变分问题离散化为普通多元函数的极值问题，最终归结为一组多元的代数方程组，解之即得待求边值问题的数值解。从电磁场问题的物理意义出发，静电场是电磁场的一种稳定状态，物理运动只有处于内能最小的情况，才能保持其稳定状态。因此由电场能量最小的条件求得的电位分布，一定是静电场真实的电位分布；即满足能量泛函为极小值的电位函数，一定与满足静电场微分方程及边界条件的电位函数完全相同。有限元法的计算步骤1.明确场域范围，将场域剖分为有限个单元（二维场域可用三边形或四边形基本单元，三维场域可用四面体、五面体或六面体基本单元）。2.计算单元电场能系数矩阵的元素。3.计算总电场能系数矩阵的元素。4.列出有限元方程[K][φ]=[B]－[P]式中[φ]—内节点电位列向量；[K]—n×n阶系数矩阵，其元素为kij(i,j=1,2,…,n)；[B]—自由项列向量；[P]—第二类边值列向量。5.求解有限元方程，求出各节点电位。6.根据各节点电位可求出电场的其他各量。本项目即采用有限元法计算。误差分析1.6.1有限元剖分误差分析有限元算法是将分析区域分解成有限个区域，认为在每个有限区域内部，电场是均匀的，因此，计算结果存在一定误差。特别是在边界条件变化剧烈和介质材料不均匀的分析中，误差更大。我们可以通过将有限单元进行细致剖分，来减少误差。但是，单元数量的增多，计算量也大量增加，因此，对误差有个适度取舍过程。对于本项目研究的电缆终端、接头、受损本体，我们在分析时，针对电场变化剧烈的部分，进行细致剖分，单元密度超过1000/mm，对于接头分析中的杂质只有0.01mm高，剖分时，剖分单位长度小于0.001。超过对于电场变化不剧烈的部分，则进行简单剖分，这样，既满足了计算量的要求，也满足了分析数据的精度要求。通过对比不同剖分结果证明，这样处理的误差小于1％。1.6.2有限元边界误差分析有限元算法分析的目标一定是一个有限的区域。而作为工程实践中的边界条件，理想情况下，无穷远为电场为0点，考虑到现场条件，则接地点情况更为复杂。在仿真中，我们将计算目标5倍长距离内填充空气，并进行中等密度剖分，5~10倍距离进行低密度剖分，并认为10倍长度距离为电场为0点。考虑三维静电场强度与距离三次方成反比的关系，其理论误差在千分之一左右，满足分析精度要求。1.6.3其他误差分析其他误差包括：模型建立时与实物的建模误差、定义材料属性中的材料均匀性误差、施加负荷与实际工作电压的负荷误差等。模型与实物的误差，根据实际运行电缆的图纸和实物精确测量保证，应在5％以内。材料属性误差属于统计特性，应在5％以内。至于负荷误差，根据运行规定，在不考虑雷电和操作过电压的情况下，应在5％以内。1.6.3总体误差分析根据误差叠加原则，本分析的最大误差为上述误差的线性叠加，应不超过17％。模型建立及剖分1.7.1模型及边界条件由于仿真的电缆为轴对称圆柱坐标结构，因此，在进行建模和分析时，我们采用二维轴向剖面模型，分析时引入轴向三维考虑因素进行分析。1.7.2物理模型本项目分析对象按实际运行电缆结构建立物理模型。边界条件及介质参数分析中，电缆芯和金属罩施加的电压为1.00×105V，接地、半导电屏蔽和有限域边界为0.00V。计算依据为：110kV×1.10×21/2/31/2=1.00×105V其中，110kV为运行的额定电压；1.10为输电首末端电压差，21/2为有效值与峰值换算系数，1/31/2为相电压与线电压换算系数。本项目分析中材料的相对介电常数如表1.1所示。表1.1材料的相对介电常数空气接头铜芯电缆主绝缘层半导体层铝合金罩电缆外护套1.010000100002.25100100004.15连接管均压套屏蔽层预制接头主绝缘层预制接头半导体层半导体带整体绝缘层1000010000100002.781001002.78

2含杂质缺陷的电缆接头电场分析2.1建模根据某实际运行电缆的接头图，建立模型。接头左侧存在杂质，右侧是正常的终端如图2.1。根据试验情况，建立的模型为在接头左侧存在3个间隔50mm的，高为0.01mm的圆弧。从远离左侧应力锥对圆弧编号1、2、3，如图2.2。图2.1含有杂质缺陷的电缆接头整体图1号圆弧2号圆弧3号圆弧接头应力锥1号圆弧2号圆弧3号圆弧接头应力锥图2.2含有杂质缺陷的电缆接头连接部分局部图2.2有限元计算结果经过有限元方法编制软件并计算，得到1号圆弧两侧的电场如图2.3、2.4，2号圆弧两侧电场如图2.5、2.6，3号圆弧电场两侧电场如图2.7、2.8。图2.31号圆弧靠近应力锥侧电场分布（最强电场7420v/mm）图2.41号圆弧远离应力锥侧电场分布（最强电场5720v/mm）图2.52号圆弧靠近应力锥侧电场分布（最强电场3067v/mm）图2.62号圆弧远离应力锥侧电场分布（最强电场3440v/mm）图2.73号圆弧靠近应力锥侧电场分布（最强电场3895v/mm）图2.83号圆弧远离应力锥侧电场分布（最强电场3592v/mm）2.2结论根据电场分析知道，1、2号半导电漆处的电场畸变较小，3号半导电漆靠近应力锥侧的电场畸变最大，有7420v/mm，该处又靠近中间的连接管。当接头处受到载荷时，3号半导电漆处容易发生局部放电，同时又与连接管距离较近，击穿之间的绝缘，使局部放电进一步增强，再向应力锥方向发展。

3应力锥安装错位电场分析根据某实际运行的电缆终端建立模型，建立模型如图3.1。分别建立应力锥安装覆盖电缆半导体层50mm、46mm和73mm的局部放电情况。正常工作的应力锥应覆盖半导电层60mm。图3.1应力锥模型3.1应力锥安装覆盖电缆半导体层50mm应力锥安装覆盖电缆半导体层50mm的模型建立，如图所示3.2。电缆半导电层应力锥电缆线芯电缆半导电层应力锥电缆线芯图3.2应力锥安装覆盖电缆半导体层84mm经过计算的结果如图3.3，电缆屏蔽层顶端电场3059v/mm，因为应力的安装错位，在电缆屏蔽层末端产生电场畸变，但畸变程度较小。电缆半导电层应力锥电缆半导电层应力锥图3.3应力锥安装覆盖电缆半导体层50mm局部电场（电缆屏蔽层顶端电场3059v/mm）3.2应力锥安装覆盖电缆半导体层46mm应力锥安装覆盖电缆半导体层46mm的模型建立如图3.4所示。电缆半导电层电缆线芯应力锥电缆半导电层电缆线芯应力锥图3.4应力锥安装覆盖电缆半导体层70mm经过计算的结果如图3.5，电缆屏蔽层顶端电场3070v/mm，因为应力的安装错位，在电缆屏蔽层末端产生电场畸变，但畸变程度较小。电缆半导电层电缆半导电层图3.5应力锥安装覆盖电缆半导体层46mm局部电场（电缆屏蔽层顶端电场3070v/mm）3.3应力锥安装覆盖电缆半导体层73mm应力锥安装覆盖电缆半导体层73mm的模型建立如图3.6所示。电缆半导电层应力锥电缆线芯电缆半导电层应力锥电缆线芯图3.6应力锥安装覆盖电缆半导体层73mm经过计算的结果如图3.6，最大电场有9581v/mm，电场畸变发生在导线半导电层与应力锥结合处的顶端。电缆半导电层电缆半导电层图3.6应力锥安装覆盖电缆半导体层73mm局部电场（最高处到9581v/mm）3.4结论终端应力锥正确安装时，应力锥应覆盖电缆半导电层60mm。安装错位时分两种情况，第一种是应力锥覆盖电缆半导电层不足，如分析中前两个模型，应力锥覆盖半导电层均不到60mm，这种情况下，应力锥处处的电场有一定变化，但电场集中很小，最大处只有3000v/mm左右，远小于应力锥材料的击穿场强，应力锥绝缘强度远远满足要求。第二种情况是应力锥覆盖半导电层过多，电缆的半导电层深入应力锥，如分析中的第三个模型，这种情况下，电场在电缆半导电层末端发生畸变，最大处接近10000v/mm，大大超过空气的击穿场强，当应力锥与半导电层混入杂质或空气时，必然存在局部放电现象。

4终端受潮电场分析终端受潮时硅油内会含有水分，由于水分比重大于硅油，会积聚在底部。由于应力锥附近的电场要高于其它地方，而积水位置又是靠近应力锥附近，所以主要对该部位的电场进行分析。4.1积水在原理导线侧地电场分布首先分析积水在在远离导线侧的电场分布，模型建立如图4.1。应力锥电缆线芯积水应力锥电缆线芯积水图4.1积水在远离导线侧电场分布模型图计算结果如图4.2，可以看到，积水在外侧对终端的电场分布几乎没有影响。图4.2积水在远离导线侧电场分布4.2积水在靠近导线处的电场分析接着我们对积水在靠近线芯侧的电场进行分析，如图4.3。针对积水的深度不同，分别建立积水深度为10mm、5mm、3mm、2mm的终端模型进行分析。应力锥积水应力锥积水图4.3积水在靠近导线处的模型经过计算结果见表1，电场分布如图4.4、4.5、4.6、4.7。表1不同水深的最大电场水深（mm）10532最大电场（v/mm）1851242922642341图4.4积水水深10mm局部电场分布（最高达到1051v/mm）图4.5积水水深5mm局部电场（最高处2429v/mm）图4.6积水水深3mm局部电场分布（最高处2264v/mm）图4.7水深2mm局部电场分（最高处2341v/mm）4.3结论终端受潮，致使硅油积水并不会造成电场的畸变和集中，因此不会有局部放电现象，但是硅油中含水量过大时，会造成硅油的介质损耗，产生局部发热现象。

5.电缆本体受损电场分析根据某实际运行的电缆结构，建立电缆本体受损模型。电缆上的孔直径约为1.5mm，深度为4mm。分别模拟直接加电压、在孔中插入平头铜丝加电压，以及在孔中插入削尖的铜丝加电压时的电场变化。5.1电缆电缆本体只存在孔洞，孔中不含其它杂质模型建立，如图5.1所示。电缆绝缘层电缆线芯孔电缆绝缘层电缆线芯孔图5.1电缆本体存在孔洞模型经过计算的结果如图5.2，孔洞处的电场变化剧烈，在孔底处场强达到较大值为10644v/mm。图5.2电缆本体孔洞处的局部电场（孔底电场10644v/mm）5.2电缆本体存在孔洞，将平头铜丝插入孔中建立模型，如图5.3所示。电缆线芯插入孔洞的铜丝电缆绝缘层电缆线芯插入孔洞的铜丝电缆绝缘层图5.3平头铜丝插入电缆孔洞模型经过计算的结果如图5.2，孔洞处的电场变化剧烈，在孔底处场强达到较大值为8251v/mm。图5.4电缆本体孔洞处的局部电场（孔底电场8251v/mm）5.3电缆本体存在孔洞，将尖头铜丝插入孔中模型建立，如图5.5所示。电缆绝缘层电缆线芯插入孔洞的削尖铜丝电缆绝缘层电缆线芯插入孔洞的削尖铜丝图5.5尖头铜丝插入电缆孔洞模型经过计算的结果如图5.6，最大电场为20869v/mm，电场畸变发生在导线尖头处。图5.6电缆本体孔洞处的局部电场（孔底电场20869v/mm）5.4结论电缆本体存在孔洞，而孔中没有其他杂质，直右空气，会造成电场畸变，在孔底的电场强度会随导线所加电压的增加而增加，在电压较低时，孔底电场强度