XLPE电缆中间接头典型施工缺陷电场及击穿特性研究

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XLPE电缆以其优越的电气性能在城市电网得到广泛应用,但近年来电缆故障率也越来越高,统计发现,绝大多数交联聚乙烯电缆故障是由现场安装工艺不当所引起的。现场主要的施工缺陷可以概括为主绝缘划伤、主绝缘残留杂质、半导电层剥离不齐三种典型缺陷。  为评估这三种典型施工缺陷的危害性,本文建立了中间接头典型施工缺陷模型,通过有限元方法分析每种缺陷电场分布及畸变程度。研究发现,主绝缘划伤存在空气隙时,最大电场强度随着空气隙厚度增加而减小;空气隙厚度一定时,最大场强随着空气隙长度增加而增大。主绝缘残留杂质时,半导电层切断处、连接管附近的主绝缘杂质周围电场畸变最严重,且主绝缘杂质周围最大场强大于半导电层切断处。随着杂质半径增加,连接管附近杂质周围电场强度近似呈现指数增长,切断处场强呈正比例增长。此外,杂质不同电荷量和电性对电场畸变程度同样有重大影响,特别是当杂质中混合了电负性杂质时,周围最大场强超过5MV/m。半导电层剥离不齐时,附近电场数值大小虽然未超过1MV/m,但畸变程度最大。  为进一步研究缺陷下XLPE击穿特性,本文设计一套加压试验平台,对制作的缺陷试样进行加压试验,记录从加压起始时刻直至试样击穿全过程的电压、电流波形,研究不同缺陷试样的击穿特性。无缺陷试样、主绝缘划伤试样平均击穿电压分别为54.6kV、40kV,击穿瞬间电流均达到5A;半导电层剥离不齐试样平均击穿电压为31kV,击穿瞬间电流为10A,该试样击穿瞬间电流值为无缺陷试样和主绝缘划伤试样的两倍,击穿电压为所有缺陷试样中最低。杂质试样击穿电压和击穿瞬间电流值随杂质类型、大小的不同差别较大,整体而言铜屑杂质击穿电压小于砂石杂质。砂石杂质击穿瞬间电流值为2-25A之间,铜屑的电流值为0.2-15A之间。随着杂质大小、面积的增大,砂石试样击穿瞬间电流逐渐增大。  通过对比计算结果发现,无论是无缺陷试样还是缺陷试样,击穿位置均散落在主绝缘与半导电层边界附近区域,这与静电场分析中较大场强的分布区域一致。无缺陷试样的击穿电压大小与电场畸变程度密切相关,电场畸变程度大的试样,相应击穿电压小。杂质试样的电流值和击穿电压均存在较大分散性,两者的大小与杂质类型、大小、电荷量、电性等参数密切相关。研究结果可用于指导电缆中间接头施工和电缆故障原因分析。
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