田燕山 ，牟澤剛 ，汪 通 ，王鵬亮 ，李 陽

（1.國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052；2．國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

電力電纜相對于架空線路有其自身的優(yōu)點(diǎn)［1］，因而其在電力系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用［2］。與電纜本體相比，電纜終端的接頭是最薄弱的環(huán)節(jié)，當(dāng)電纜終端頭切斷以后，在它的半導(dǎo)電層與屏蔽層斷開的地方電場比較集中，突出地表現(xiàn)為沿著電纜軸向具有較大的電場應(yīng)力［3］，因此電纜終端作為關(guān)鍵的連接裝置，其運(yùn)行的優(yōu)劣直接影響到電纜線路的安全運(yùn)行［4］。

目前電纜終端的研究主要分為幾種類型：電纜油終端、電纜應(yīng)力錐終端以及電纜應(yīng)力管終端等。其中，電纜油終端適用于電壓等級比較低的電力電纜中；電纜應(yīng)力錐終端適用的電壓等級比較廣泛，但是在高電壓和熱場的作用下很容易引起界面的壓力變化導(dǎo)致松弛現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而降低電氣強(qiáng)度；應(yīng)力管終端在擊穿試驗(yàn)等方面存在局限性。電纜水終端作為一種特殊的電纜終端，它可以通過改變電纜終端周圍的介質(zhì)的電阻以及介電常數(shù)來進(jìn)行電場分布的調(diào)節(jié)。水作為絕緣儲能電介質(zhì)，它具有相對介電常數(shù)高和自我修復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，并且價(jià)格低廉、合乎環(huán)境安全要求，采用水作為保護(hù)電纜終端的介質(zhì)，還可以很好地起到均壓的作用［5］。傳統(tǒng)的電纜終端的電場分布已經(jīng)可以通過改變電纜終端的應(yīng)力錐等措施進(jìn)行改進(jìn)［6］。但是這種方法具有一定的局限性，因?yàn)楫?dāng)應(yīng)力錐的形狀固定以后將不能再進(jìn)行更進(jìn)一步的改進(jìn)，故分析當(dāng)電纜水終端的水的電阻率發(fā)生變化時(shí)終端電場的分布就顯得方便而有意義。

應(yīng)用有限元法分析電纜水終端周圍的電場分布，觀察終端周圍電場分布與水的電阻率之間的關(guān)系，研究水的電阻率變化對于終端周圍電場分布的影響，對于水終端進(jìn)行電纜的耐壓試驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 電纜終端電場分布

1.1 剝離護(hù)套前后電纜本體電場分布

電纜在沒有剝除屏蔽層之前在絕緣層內(nèi)部的電場分布是比較均勻的，沒有出現(xiàn)局部的電場增強(qiáng)的問題，高壓電纜的線芯外層都有一層屏蔽層，導(dǎo)體的線芯和屏蔽層之間會(huì)形成一個(gè)徑向的電場。正常電纜的電場分布是由線芯到外屏蔽層沿著半徑方向的電力線，而沒有沿著軸向的電力線，電場分布是均勻的［7］。

剝離護(hù)套后的電纜終端電場分布如圖1所示。

圖1 電纜終端電場分布

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，電纜終端的電場分布明顯比電纜本體復(fù)雜得多。終端的電場分布不但有垂直于軸向的分量，而且還有沿軸向沿電纜長度方向分布不均勻的分量。一般情況下在線芯、鉛套處比較集中，而且靠鉛套邊緣處的電場強(qiáng)度最大。

1.2 電纜終端等值電路分析

電纜終端可以進(jìn)一步簡化為如圖2所示的等值電路。圖2中Yv表示單位長度電纜的絕緣層的體積導(dǎo)納，Ys表示單位長度電纜的表面導(dǎo)納。

圖2 電纜終端等值電路

若外施電壓為正弦波形，那么，在終端上任意一點(diǎn)的電壓和電流關(guān)系為

式中：U0為電纜線芯與外屏蔽層之間的電壓；Ix、Ux分別為距離鉛套邊緣（原點(diǎn)）x處的電流和電壓。

解方程式（1）和式（2），并考慮到邊界條件為x=0處 Ux=0，x=L 處 Ux=U0，當(dāng) tg δv及 tg δsm很小時(shí)，求解式（1）、（2）并化簡有

分析式（4），可得：

最大電場強(qiáng)度發(fā)生在鉛套邊緣處（x=0），其值為

由于函數(shù)cth（x）當(dāng) x很大時(shí)，其值趨于1，故式（5）中，l增加對x=0處場強(qiáng)E影響不大。也就是說，剝?nèi)ャU套部分長度l的增加，并不能減小最大電場強(qiáng)度的值。l超過一定值的時(shí)候，U0一定時(shí)，E｜x=0與 γ成正比，這就提供了降低場強(qiáng)的方法。增大Rc、εm、k，減小 Rs、Rm，均可以降低最大電場強(qiáng)度［8］。

2 電纜水終端ANSYS仿真

水終端模型用一根鋁桿外套一層有機(jī)玻璃筒模擬電纜，由有機(jī)玻璃筒和鋁板組成兩側(cè)的水終端，并在施加高壓的一端加上高壓屏蔽環(huán)，在模擬電纜的兩端分別加上兩個(gè)水終端保護(hù)，在模擬電纜的中間用一段鋁絲纏繞在有機(jī)玻璃筒的外表面，起到一定的屏蔽作用。

由于水終端模型具有軸對稱結(jié)構(gòu)，故只對1／4模型進(jìn)行建模?？紤]材料熱場和電場相互影響后，在電纜水終端的上法蘭和中間的導(dǎo)體芯處施加100 kV電壓。

2.1 電纜水終端電勢分布

在電纜終端的電纜芯上施加電壓，在下法蘭和外屏蔽層加上零電位，可以觀察到電纜終端周圍的電勢分布如圖3所示。

圖3 施加電壓后電纜水終端電勢分布

由圖3可知，隨著絕緣筒高度升高，電位是不斷提高的，而且通過觀察電力線的密度可以看出隨著高度升高，電場強(qiáng)度不斷降低，最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在下法蘭和絕緣層的接觸處。

2.2 改變電纜水終端中水的電阻率時(shí)電場分布

當(dāng)水的電阻率分別為20 MΩ·cm、10 MΩ·cm及2 MΩ·cm時(shí)，通過施加電壓觀察終端的電場分布，如圖4~6所示。

圖4 電阻率為20 MΩ·cm時(shí)終端電場分布

圖5 電阻率為10 MΩ·cm時(shí)終端電場分布

圖6 電阻率為2 MΩ·cm時(shí)終端電場分布

由圖4~6可知，水的電阻率變化后電場強(qiáng)度發(fā)生改變。當(dāng)水的電阻率為20 MΩ·cm時(shí)，施加相同的電壓100 kV，其電場強(qiáng)度的最大值為248 937 V／m；當(dāng)水的電阻率變?yōu)?0 MΩ·cm時(shí)，其電場強(qiáng)度的最大值變?yōu)?49 520 V／m，當(dāng)水的電阻率變?yōu)? MΩ·cm時(shí)，其電場強(qiáng)度的最大值變?yōu)?9 680 V／m。

3 電纜水終端模型的試驗(yàn)

當(dāng)提高對電纜終端施加的電壓時(shí)，電纜終端的電場就會(huì)不斷增強(qiáng)，最終會(huì)在電纜終端的外絕緣處發(fā)生滑閃等放電現(xiàn)象［9］。實(shí)際應(yīng)用中，按照圖7進(jìn)行接線，首先在電纜終端的外絕緣筒內(nèi)注入標(biāo)準(zhǔn)的去離子水，經(jīng)過兆歐表測量其電阻值約為500 kΩ，在終端的導(dǎo)體芯和上法蘭施加電壓，當(dāng)把電壓加到約30 kV時(shí)，在電纜水終端的下法蘭的底部（屏蔽層的邊緣）出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象，如圖8所示，繼續(xù)提高施加電壓，可觀察到平行的紫色細(xì)光線，且隨著電壓的升高光線的長度將增加，放電現(xiàn)象越來越明顯直到發(fā)生滑閃，如圖9所示。

圖7 電纜水終端試驗(yàn)接線

圖8 電纜水終端起暈

圖9 電纜水終端滑閃

在去離子水中加入食鹽水降低水的電阻率。隨著加入食鹽水量的增加，其電阻值會(huì)逐漸的減小，通過兆歐表測量電阻值變?yōu)榧s200 kΩ時(shí)，采用上述加壓方式對水終端進(jìn)行加壓，觀察到發(fā)生電暈放電時(shí)的施加電壓為50 kV；當(dāng)水的電阻值降為100 kΩ左右時(shí)，發(fā)生電暈放電時(shí)起始放電電壓約為60 kV。

4 結(jié)語

隨著絕緣筒高度的升高，電位是不斷提高的，而且通過觀察電力線的密度可以看出，隨著高度的升高，電場強(qiáng)度不斷降低，最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在下法蘭和絕緣層的接觸處。

降低水的電阻率可以起到均勻終端周圍的電場分布的作用，從而提高終端放電起始電壓。

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