摘 要：在現場安裝過程中，35 kV 電纜終端易混入導電顆粒、壓鉛微粒等導電雜質，嚴重影響其運行可靠 性。為研究導電雜質影響下電纜終端的絕緣特性，首先利用有限元分析軟件，通過在電纜終端絕緣與應控管 交界處設置導電雜質，建立電纜終端缺陷模型，探究在運行電壓下含導電雜質的電纜終端內部的電場分布情 況。然后根據仿真結果與實際情況，制作了含導電雜質的電纜終端樣品，利用局部放電測試平臺對電纜終端 樣品進行局部放電測試。結果表明：導電雜質的引入會增大電纜終端內部的電場畸變，當應控管和尾部膠的 連接處引入導電雜質時，電場畸變最嚴重，電場強度最大值達到18.7 MV/m，接近乙丙橡膠的擊穿強度，局部 放電活動最劇烈，最大放電量達到350 pC，嚴重降低了35 kV電纜終端的電氣絕緣性能。

　　關鍵詞：導電雜質;有限元仿真;電場畸變;局部放電

　　0 引 言

　　35 kV 電纜作為配電網的重要組成部分，承擔 著傳輸電能的關鍵作用，而電纜終端作為絕緣最為 薄弱的部分，其電氣絕緣性能的優劣，直接影響著 輸電系統和用電設備的有效運行[1] ，關系到配電網 的可靠性。電纜線路的故障數據表明，在35 kV電 纜中，由終端導致的運行故障事故約占電纜線路運 行故障事故總數的70%[2] 。

　　電纜終端在現場安裝時 需要將電纜本體的外半導體屏蔽層、導電屏蔽層、 護套截斷，而截斷處在運行過程中易出現電場畸變 問題[3] ，影響電纜終端的絕緣性能;同時在預制過程 中，因環境、制作工藝的問題，極易引入導電雜質， 改變電纜終端的電場分布，影響其電氣絕緣性能。

　　目前國內外學者針對電纜各類缺陷問題，開展 了多方面研究，取得了豐碩的成果。劉剛等[4] 研究 了電纜接頭主絕緣含雜質情況下的擊穿特性，結果 表明含雜質缺陷將引起電纜接頭內部的部分電場 發生畸變，嚴重情況下將導致絕緣材料擊穿;G W RITTMAM等[5] 通過研究含雜質電纜接頭的局部放 電信息，為電纜接頭的故障診斷提供了一些方向; 尚康良等[6] 通過使用合理的材料和結構，使電纜附件內部電場得到有效地優化。

　　然而關于導電雜質 混入后，35 kV 電纜終端在缺陷存在下電場的變化 及導電雜質對終端絕緣性能的影響報道較少，亟需 開展相關研究。 本文通過研究當導電雜質位于電纜終端內不 同位置時對其內部電場分布的影響，找出影響最大 的位置，以便在安裝預制與正常運行時重點關注; 并通過局部放電測試，提取關鍵信息，探究內部含 導電雜質時電纜終端的局部放電特征，為故障診斷 提供基礎。

　　1 電場分析

　　1.1 電纜終端模型搭建

　　根據現場解剖結果及出廠資料可知，電纜終端 是將電纜本體的外半導體層、導電屏蔽層和護套截 斷[7] ，將能均勻電場分布的應控管、熱縮管逐層熱縮 預制，最后套上用于隔離防水的傘裙制備得到，因 此電纜終端屬于多層結構。按照現場解剖的電纜 終端的參數搭建 1∶1 的模型，其中，電 纜終端全長為507 mm，纜芯半徑為10 mm，絕緣層 厚度為9 mm，內外半導體層厚度為1 mm，熱縮管、 應控管單層厚度為3 mm，護套厚度為8 mm。本研究針對35 kV電纜終端的電場進行分析， 所需要的材料參數有電導率和相對介電常數，通過 查詢出廠參數及現場測試。

　　1.2 基于有限元法的電場計算理論

　　電纜終端通常在工頻電壓下運行，而工頻下電 場隨時間變化緩慢，因此可使用靜電場求解電場分 布，而靜電場屬于有散無旋場，求解時需要滿足式 (1)和式(2)兩個基本方程[8] 。 ∇ × E = 0 (1) ∇ × D = ρ (2) 式(1)～(2)中：E為電場強度;D為電通量密度;p為電荷密度。式(1)表明靜電場的環路特性是無旋 場;式(2)是高斯定律的微分方程，表明靜電場是有 散場，靜電場中任意一點的電通量密度的散度等于 該點的自由電荷體密度。 電纜終端屬于多層結構，層與層的材料不一 致，屬于不同媒介，不同媒介分界面兩側的電通量 密度法向分量與自由電荷面密度(σ)需要滿足式(3) 所示銜接關系。 D2 - D1 = σ (3) 式(3)中：D1為第1層材料的電通量密度法向分量; D2為第2層材料的電通量密度法向分量。式(3)表明分界面兩側的電通量密度法向 分量不連續，其不連續量等于分界面上的自由電荷 面密度。 同時，本研究使用有限元法進行仿真分析，需 要對每層材料進行網格劃分，35 kV 電纜終端是多 層結構，層間材料不一致，對于同一層材料內的網 格，需要滿足電通量密度不隨網格劃分而改變。

　　2 仿真結果與分析

　　2.1 不含導電雜質的電場仿真

　　根據實際運行工況，電纜終端運行于工頻 35 kV電壓下，設置導電屏蔽層接地，得到不含導電雜 質電纜終端的電場分布。電場分布畸變明顯。

　　2.2 含導電雜質的電場仿真

　　電纜終端屬于多層結構，在安裝過程中，由于 環境及制作工藝等原因，易引入導電雜質，為了更 好地分析導電雜質的引入對電纜終端絕緣性能造 成的影響，本研究搭建了導電雜質在不同位置的電 纜終端模型，分別在距離外半導體層截斷處0、65.0、 130.0、193.0、193.5、194.0、258.0 mm 的位置設置一 個底邊為1 mm、高度為1 mm的等腰三角形導電微 粒，仿真得到在35 kV工頻電壓下電纜終端的電場 分布情況，其中，距離外半導體層截斷處194.0 mm 的是應控管和尾部膠的連接處。當電纜終端內部引入導電雜 質時，電場分布畸變加劇。

　　當導電雜 質位于外半導體層截斷處時，電場強度最大值為7.60 MV/m，比不含導電雜質時的電場強度最大值 增大了11.3%，該位置也是引入導電雜質后對電纜 終端內電場強度最大值影響最小的位置;當導電雜質位于應控管和絕緣層之間 時，導電雜質周圍的電場強度有所增大，但是通過 對比這兩個位置的電場分布情況可知，在這兩個位 置的一定范圍內，導電雜質的引入位置對電纜終端 內電場強度的分布影響較小;為導電雜 質引入至應控管和尾部膠的連接處附近時電纜終 端內的電場分布。

　　可以看出，在該位置附近引入導 電雜質對電場分布的影響較大，特別是當導電雜質 的引入位置距離外半導體層截斷處194.0 mm時，對 電場分布的影響最大，最大電場強度為18.7 MV/m， 約為不含導電雜質時電場強度最大值的3倍，而乙 丙橡膠的擊穿強度為 20～45 MV/m[9] ，該電場強度 最大值已經接近擊穿強度，若電纜終端長時間運行 在這種情況下，將不斷加速絕緣損耗，易發生絕緣 擊穿事故;為導電雜質引入至尾部膠與絕緣 層交界處時電纜終端內的電場分布，可以看出，導 電雜質位于絕緣層交界處附近時，電場畸變十分嚴 重，最大電場強度為15.2 MV/m，比未引入導電雜質 時的電場強度最大值增大了123.5%，所以在尾部膠 部分引入導電雜質對電纜終端的絕緣性能影響極 大，在安裝預制時需要重點關注。

　　為了更好地分析引入導電雜質對電纜終端電 場分布的影響，繪制了未引入導電雜質時及分別在 7個位置引入導電雜質時電纜終端內電場強度隨絕 緣層與外半導體層交界處延長線徑向長度變化的 分布曲線，當未引入 導電雜質時，在外半導體層截斷處出現電場畸變; 當引入導電雜質后，在半導體層與絕緣層交界線的延長線上，出現兩個電場畸變明顯的位置，一個位于 外半導體層截斷處，另一個出現在引入導電雜質的 位置，在該位置附近，電場畸變十分嚴重，電場強度 畸變最嚴重時從 0.5 MV/m 急速增大到 18.7 MV/m， 然后又急速減小，急速畸變的電場會進一步加快該 位置附近絕緣老化，降低絕緣性能。

　　為了更加全面、方便地研究導電雜質引入時電 纜終端內電場的畸變程度，利用插值法，擬合導電 雜質位置與截斷處的距離和電場強度最大值的曲 線，結果如式(4)所示。 y = 7.59 + 1.4 × 10-2 x + 1.2 × 10-4 x2 - 0.041x sin x cos x (4) 式(4)中：x表示引入導電雜質的位置與截斷處的距 離，單位為mm;y表示引入導電雜質后電纜終端的 電場強度最大值，單位為MV/m。該擬合曲線的擬 合精度達到90%。使用式(4) 可計算出導電雜質引入不同位置時電纜終端內電 場強度的最大值，可更方便地估算電場畸變程度。

　　3 實驗驗證

　　為了更加直觀地探究引入導電雜質對電纜終 端絕緣性能的影響，選取2個位置引入導電雜質，分 別是最易引入雜質的外半導體層截斷處及電場分 布畸變最嚴重的位置即距離截斷處194. mm處。

　　導電雜質為三棱柱，底面為底邊1 mm、 高1 mm的等腰三角形，高度為0.5 mm。將導電雜 質放入指定位置，并用硅脂均勻地涂抹在導電雜質 的四周，再按照指定順序依次安裝應控管、絕緣管、 傘裙。電纜終端因自身結構特征及預制過程中引入 的微型缺陷，在正常工況下運行過程中一些特殊部 位電場畸變嚴重，部分區域將出現輕微的放電，長 期運行時會加速絕緣老化，從而進一步加大局部放 電，如此反復作用將造成絕緣擊穿事故，所以局部 放電信號的檢測對于診斷電纜終端缺陷故障具有 重大意義[10-13] 。

　　本研究參考相關標準[14-15] ，記未引入導電雜質的電纜終端 試樣為1號試樣，導電雜質引入位置為外半導體層 截斷處的電纜終端試樣為2號試樣，導電雜質引入 位置為距離外半導體層截斷處194.0 mm的電纜終 端試樣為 3 號試樣，對應 3 個電纜終端試樣進行局 部放電測試。 從0 kV開始加壓，加壓步長為0.5 kV[16] ，每次加 壓后，穩定1 min觀察放電情況，當出現局部放電現 象時，以0.1 kV的步長逐漸減小，穩定時間為1 min，以此逐漸減小電壓，直到放電現象消失，再以0.1 kV 的步長逐漸加壓，穩定時間為1 min，直到放電現象 再次出現，記錄當前電壓值，作為起始放電電壓。

　　測試結果顯示，1～3號電纜試樣的起始放電電壓分 別為18.3、13.5、3.7 kV，結合前文的電場分布試驗結 果可知，電場畸變較輕微的電纜終端起始放電電壓 也較低。 逐步將電壓升高至35 kV，測試3個電纜試樣在 5個周期內的放電譜圖。當電纜終端中未引入導電雜質時， 放電集中在 3 個相位區，分別是 45°～100°、200°～ 220°、270°～300°，放電量普遍分布在10 pC左右，最 大的放電次數為4次;在電纜終端的外半導電層截 斷處引入導電雜質后，放電活動活躍，放電相位主 要集中在80°～100°和245°～300°，放電量最大值達 到150 pC。

　　當電纜終端中引入導電雜質的位置距離 外半導體層截斷處 194.0 mm 時，放電活動十分活 躍，放電量最大值達到 350 pC，且放電活動不再局 限于運行電壓的峰值附近，在整個周期內都存在明 顯的放電現象。由此可知，當引入導電雜質后，對 電纜終端造成了懸浮電位缺陷，導致其內部電場發 生嚴重畸變，從而引發明顯的局部放電現象[17] ，放電 活動越活躍，放電量越大，越容易加速電纜內部的 絕緣老化，長期運行最終將引發電纜終端的擊穿事 故，造成嚴重的經濟損失。

　　電纜技術論文投稿刊物：《絕緣材料》原刊名《絕緣材料通訊》，是桂林電器科學研究所主辦的起居室技術期刊。主要刊登絕緣材料與絕緣技術相關領域的論文與科研成果。

　　4 結 論

　　通過使用有限元仿真軟件模擬在電纜終端不 同位置引入導電雜質后的電場分布，并通過局部放 電測試平臺對電纜終端進行局部放電測試，得到如 下結論： (1)在應控管和尾部膠的連接處引入導電雜質 時，電纜終端內電場畸變最嚴重，電場強度最大值 達到18.7 MV/m，接近乙丙橡膠的擊穿強度。 (2)通過曲線擬合得到關于引入導電雜質位置 與電場強度最大值的曲線，可估算出在電纜終端不 同位置引入導電雜質時電場強度的最大值。 (3)局部放電檢測結果表明，導電雜質的引入 使電纜終端內部放電活動更活躍，其中，當引入的 導電雜質與半導體層截斷處的距離為194.0 mm時， 放電量最大值達到350 pC。

　　參考文獻：

　　[1] 任志剛,李偉,周峰,等. 基于超低頻介損檢測的電纜絕緣性能評 估與影響因素分析[J]. 絕緣材料,2018,51(4):64-68.

　　[2] 程子華. 天津 CX 供電公司 35kV 電力電纜故障與防治措施 [D]. 天津:天津大學,2015.

　　[3] 吳科,馬春亮,周凱,等. 10kV電纜終端絕緣氣隙缺陷的局部放 電及缺陷表面燒蝕特征[J]. 絕緣材料,2015,48(7):38-43.

　　[4] 劉剛,陳志娟,陸國俊,等. 110kV交聯聚乙烯電纜接頭主絕緣含 雜質的擊穿特性分析[J]. 高電壓技術,2010,36(10):2450-2453.

　　[5] RITTMAM G W, HEYER S V. Water contamination in a crosslinked polyethylene cable joint[J]. IEEE Transactions on Power Aparatus and Systems,1976,95(1):302-306

　　作者：項恩新1 ，王 科1 ，李麗妮2 ，徐肖偉1 ，黃繼盛3 ，車雨軒2