电缆水终端电场分析

田燕山 ，牟泽刚 ，汪 通 ，王鹏亮 ，李 阳

（1.国家电网公司交流建设分公司，北京 100052；2．国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

0 引言

电力电缆相对于架空线路有其自身的优点［1］，因而其在电力系统中得到越来越广泛的应用［2］。与电缆本体相比，电缆终端的接头是最薄弱的环节，当电缆终端头切断以后，在它的半导电层与屏蔽层断开的地方电场比较集中，突出地表现为沿着电缆轴向具有较大的电场应力［3］，因此电缆终端作为关键的连接装置，其运行的优劣直接影响到电缆线路的安全运行［4］。

目前电缆终端的研究主要分为几种类型：电缆油终端、电缆应力锥终端以及电缆应力管终端等。其中，电缆油终端适用于电压等级比较低的电力电缆中；电缆应力锥终端适用的电压等级比较广泛，但是在高电压和热场的作用下很容易引起界面的压力变化导致松弛现象的产生，从而降低电气强度；应力管终端在击穿试验等方面存在局限性。电缆水终端作为一种特殊的电缆终端，它可以通过改变电缆终端周围的介质的电阻以及介电常数来进行电场分布的调节。水作为绝缘储能电介质，它具有相对介电常数高和自我修复性好的优点，并且价格低廉、合乎环境安全要求，采用水作为保护电缆终端的介质，还可以很好地起到均压的作用［5］。传统的电缆终端的电场分布已经可以通过改变电缆终端的应力锥等措施进行改进［6］。但是这种方法具有一定的局限性，因为当应力锥的形状固定以后将不能再进行更进一步的改进，故分析当电缆水终端的水的电阻率发生变化时终端电场的分布就显得方便而有意义。

应用有限元法分析电缆水终端周围的电场分布，观察终端周围电场分布与水的电阻率之间的关系，研究水的电阻率变化对于终端周围电场分布的影响，对于水终端进行电缆的耐压试验具有一定的指导意义。

1 电缆终端电场分布

1.1 剥离护套前后电缆本体电场分布

电缆在没有剥除屏蔽层之前在绝缘层内部的电场分布是比较均匀的，没有出现局部的电场增强的问题，高压电缆的线芯外层都有一层屏蔽层，导体的线芯和屏蔽层之间会形成一个径向的电场。正常电缆的电场分布是由线芯到外屏蔽层沿着半径方向的电力线，而没有沿着轴向的电力线，电场分布是均匀的［7］。

剥离护套后的电缆终端电场分布如图1所示。

图1 电缆终端电场分布

由图1可以发现，电缆终端的电场分布明显比电缆本体复杂得多。终端的电场分布不但有垂直于轴向的分量，而且还有沿轴向沿电缆长度方向分布不均匀的分量。一般情况下在线芯、铅套处比较集中，而且靠铅套边缘处的电场强度最大。

1.2 电缆终端等值电路分析

电缆终端可以进一步简化为如图2所示的等值电路。图2中Yv表示单位长度电缆的绝缘层的体积导纳，Ys表示单位长度电缆的表面导纳。

图2 电缆终端等值电路

若外施电压为正弦波形，那么，在终端上任意一点的电压和电流关系为

式中：U0为电缆线芯与外屏蔽层之间的电压；Ix、Ux分别为距离铅套边缘（原点）x处的电流和电压。

解方程式（1）和式（2），并考虑到边界条件为x=0处 Ux=0，x=L 处 Ux=U0，当 tg δv及 tg δsm很小时，求解式（1）、（2）并化简有

分析式（4），可得：

最大电场强度发生在铅套边缘处（x=0），其值为

由于函数cth（x）当 x很大时，其值趋于1，故式（5）中，l增加对x=0处场强E影响不大。也就是说，剥去铅套部分长度l的增加，并不能减小最大电场强度的值。l超过一定值的时候，U0一定时，E｜x=0与 γ成正比，这就提供了降低场强的方法。增大Rc、εm、k，减小 Rs、Rm，均可以降低最大电场强度［8］。

2 电缆水终端ANSYS仿真

水终端模型用一根铝杆外套一层有机玻璃筒模拟电缆，由有机玻璃筒和铝板组成两侧的水终端，并在施加高压的一端加上高压屏蔽环，在模拟电缆的两端分别加上两个水终端保护，在模拟电缆的中间用一段铝丝缠绕在有机玻璃筒的外表面，起到一定的屏蔽作用。

由于水终端模型具有轴对称结构，故只对1／4模型进行建模。考虑材料热场和电场相互影响后，在电缆水终端的上法兰和中间的导体芯处施加100 kV电压。

2.1 电缆水终端电势分布

在电缆终端的电缆芯上施加电压，在下法兰和外屏蔽层加上零电位，可以观察到电缆终端周围的电势分布如图3所示。

图3 施加电压后电缆水终端电势分布

由图3可知，随着绝缘筒高度升高，电位是不断提高的，而且通过观察电力线的密度可以看出随着高度升高，电场强度不断降低，最大电场强度出现在下法兰和绝缘层的接触处。

2.2 改变电缆水终端中水的电阻率时电场分布

当水的电阻率分别为20 MΩ·cm、10 MΩ·cm及2 MΩ·cm时，通过施加电压观察终端的电场分布，如图4~6所示。

图4 电阻率为20 MΩ·cm时终端电场分布

图5 电阻率为10 MΩ·cm时终端电场分布

图6 电阻率为2 MΩ·cm时终端电场分布

由图4~6可知，水的电阻率变化后电场强度发生改变。当水的电阻率为20 MΩ·cm时，施加相同的电压100 kV，其电场强度的最大值为248 937 V／m；当水的电阻率变为10 MΩ·cm时，其电场强度的最大值变为149 520 V／m，当水的电阻率变为2 MΩ·cm时，其电场强度的最大值变为99 680 V／m。

3 电缆水终端模型的试验

当提高对电缆终端施加的电压时，电缆终端的电场就会不断增强，最终会在电缆终端的外绝缘处发生滑闪等放电现象［9］。实际应用中，按照图7进行接线，首先在电缆终端的外绝缘筒内注入标准的去离子水，经过兆欧表测量其电阻值约为500 kΩ，在终端的导体芯和上法兰施加电压，当把电压加到约30 kV时，在电缆水终端的下法兰的底部（屏蔽层的边缘）出现电晕放电现象，如图8所示，继续提高施加电压，可观察到平行的紫色细光线，且随着电压的升高光线的长度将增加，放电现象越来越明显直到发生滑闪，如图9所示。

图7 电缆水终端试验接线

图8 电缆水终端起晕

图9 电缆水终端滑闪

在去离子水中加入食盐水降低水的电阻率。随着加入食盐水量的增加，其电阻值会逐渐的减小，通过兆欧表测量电阻值变为约200 kΩ时，采用上述加压方式对水终端进行加压，观察到发生电晕放电时的施加电压为50 kV；当水的电阻值降为100 kΩ左右时，发生电晕放电时起始放电电压约为60 kV。

4 结语

随着绝缘筒高度的升高，电位是不断提高的，而且通过观察电力线的密度可以看出，随着高度的升高，电场强度不断降低，最大电场强度出现在下法兰和绝缘层的接触处。

降低水的电阻率可以起到均匀终端周围的电场分布的作用，从而提高终端放电起始电压。

［1］宫瑞磊．高压电缆终端设计的新进展［J］.绝缘材料，2006，39（3）：53-56，60.

［2］崔江静，梁芝培，孙廷玺.电力电缆故障测试技术及应用的概述［J］.高电压技术，2001，27（S1）：40-41，43.

［3］王超，刘毅刚，刘刚，等.有限元法应用于电缆终端应力锥缺陷分析［J］.高电压技术，2007，33（5）：152-154.

［4］李新平，刘守功，曹晓珑，等.高压电缆终端结构设计的新进展［J］.电线电缆，2002（3）：11-14.

［5］潘亚峰.水介质传输线的耐高电压击穿技术的研究［D］.长沙：中国人民解放军国防科学技术大学，2002.

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［7］曲世光.高压直流电缆电场分布的简化计算方法［J］.电线电缆，1993（2）：2-7.

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［9］JAMES J，KULKARNI SV，PREKH BR.Partial discharge in high voltage equipments-HV Cable［C］∥IEEE international conference，July 19-23，2009.