程 帆 曾浩松

（1. 東南大學(xué)，南京 210096；2. 國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，鄭州 450000）

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,城市現(xiàn)代化水平的不斷提高，電力電纜作為城市電網(wǎng)的重要設(shè)備，發(fā)展速度極快，平均年增長量達30%。紅外檢測技術(shù)作為近年來發(fā)展十分迅速的新技術(shù)，能夠?qū)\行中發(fā)生的異常發(fā)熱進行快速的在線檢測。本文對一起電纜終端異常發(fā)熱進行分析，并利用 ANSYS有限元分析軟件對終端頭熱場計算，驗證之前的分析結(jié)果。最后總結(jié)規(guī)律得出結(jié)論并給出預(yù)防電纜終端頭異常發(fā)熱的措施和建議。

1 輸電電纜終端及異常發(fā)熱案例

1.1 輸電電纜終端簡介

電力電纜終端安裝在電纜末端，是最容易發(fā)生故障的地方。按絕緣材料分為一類、二類、三類終端三種類型。瓷套式電纜終端的外絕緣是采用高強度的無機材料陶瓷。該型電纜終端具有良好的耐候性、防電蝕性、防憎水性以及抗紫外線老化性，主要應(yīng)用于條件惡劣人口稀少的地方。

安裝質(zhì)量不良是造成電纜終端缺陷的主要原因，施工現(xiàn)場灰塵、溫度、安裝錯位、濕度等都要求控制的十分到位，在屏蔽層、半導(dǎo)體層、主絕緣層參入微量水分、沙塵都會造成電纜終端內(nèi)部電場分布不均勻、發(fā)生局部放電、絕緣性能下降等。

1.2 異常發(fā)熱事件簡介

2010年第一季度，廣州供電局下瑞南甲線南箕段A相電纜 02頭進行紅外測溫時有疑似發(fā)熱現(xiàn)象發(fā)生。2月 5日，工作人員對該電纜終端頭再次進行紅外測溫，測量得到的數(shù)據(jù)是：A相 20.0℃、B相17.2℃、C相17.3℃，測量結(jié)論為：“110kV瑞南甲線電纜02頭有異常發(fā)熱現(xiàn)象”。為了確保供電可靠性，決定立刻進行該段線路停電檢修。瑞南甲線南箕段 1998年 5月 15日首次投入運行，型號為ZR-YJLW 1×700。

圖1是該電纜終端故障處理前的紅外圖譜。采用橫向比較法，從圖中看出電纜終端A相的應(yīng)力錐部位溫度比B相和C相高出約3℃，很明顯的異常發(fā)熱現(xiàn)象。采用同相比較法，也能從圖中發(fā)現(xiàn)，A相應(yīng)力錐部位的溫度明顯高于上下兩端溫度。

經(jīng)查閱相關(guān)記錄，生產(chǎn)記錄表上的各種技術(shù)數(shù)據(jù)完全滿足工藝要求，該電纜終端裝置并無質(zhì)量問題。在隨后的現(xiàn)場拆卸過程中，發(fā)現(xiàn)瓷套管內(nèi)存積大量的水，懷疑由電纜出線棒和頂部封蓋間的O型密封橡膠圈密封失效引起進水。針對上述事故，首先通過搭建其終端的熱場計算的 ANSYS模型來模擬終端進水，得出仿真實驗結(jié)果，并與最終實際測得的溫度進行對比，來分析結(jié)果誤差和仿真的效果。

圖1 瑞南甲線南箕段終端紅外圖譜

2 瓷套式終端進水的溫度分布仿真

圖2是在ANSYS中搭建的典型XLPE電纜終端模型（剖面）。由于水的密度比絕緣油大，所以在終端內(nèi)部進水時水在絕緣油的下層，并且此次仿真設(shè)定其淹沒應(yīng)力錐。

圖2 典型XLPE電纜終端模型

圖2中：1代表電纜芯導(dǎo)體，2代表XLPE絕緣，3代表應(yīng)力錐，4代表水，5代表絕緣油，6代表外絕緣，整個終端是在一個矩形空氣場中。在仿真試驗中，電纜芯導(dǎo)體選用銅導(dǎo)體，內(nèi)絕緣選用 XLPE絕緣，應(yīng)力錐選用的材料是三元乙丙橡膠，絕緣油選用聚異丁烯，外絕緣選用陶瓷，表1是上述材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W/(m·K)。

表1 所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)

模型加載的邊界條件有三個：空氣溫度，對流系數(shù)，載荷率。由廣州當日氣溫13～25℃，風速較緩約為1m/s。所以空氣溫度設(shè)置為20℃，對流系數(shù)取自然對流換熱系數(shù)，為10W/(m2·℃)，載荷率按以下公式計算：

試驗中電纜中的電流 I取 170A，截面積 S取700mm2，電纜電阻取 20℃交流電電阻 7.9748×10-5Ω，算出載荷率W=0.0003292(W/m2)。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 進水終端仿真結(jié)果

在仿真結(jié)果圖中對A相終端溫度進行對比，可以明顯看出終端應(yīng)力錐部位的溫度高于其上部的溫度，并且在水和絕緣油分界層處溫度明顯開始增大。從數(shù)值上看，應(yīng)力錐部位溫度約為 27.5℃，其上部溫度約為26.1℃，相差約為1.4℃。實際運行監(jiān)測的紅外圖如圖4所示。

圖4 實際監(jiān)測電纜終端紅外圖

通過該圖發(fā)現(xiàn)：實際終端應(yīng)力錐部位的溫度比兩側(cè)高出1.6℃，和仿真結(jié)果基本一致，說明電纜終端進水能夠引起終端應(yīng)力錐部位溫度升高，高出約為1.5℃左右。

3 現(xiàn)場拆卸及故障分析

2010年2月12日，110kV瑞南甲線停電，開始對電纜終端進行檢修。在拆卸電纜終端頭上部金具時發(fā)現(xiàn)，O型橡膠圈一端明顯變形。據(jù)此判斷，由于O型橡膠圈沒有壓緊，導(dǎo)致電纜終端進水。

拆除上部金具之后，觀察終端頭內(nèi)部的絕緣油聚異丁烯，發(fā)現(xiàn)聚異丁烯已經(jīng)由透明狀變質(zhì)成黃色渾濁物，并且發(fā)現(xiàn)出線棒繞包的帶材破損（如圖 5所示），對變質(zhì)的聚異丁烯抽取部分樣品留待以后進一步化驗研究。聚異丁烯劣化變質(zhì)，很有可能是因為橡膠圈沒有壓緊，導(dǎo)致進水，污染了絕緣油的品質(zhì)，破壞了電纜終端內(nèi)部的絕緣，最終導(dǎo)致出線棒發(fā)生局部放電現(xiàn)象，并且損壞了出線棒繞包帶材。

圖5 聚異丁烯變成黃色，出線棒繞包的帶材破損

吊起套管，馬上有大量的水從套管底部流出，然后才有黃色的聚異丁烯緩慢流出。發(fā)現(xiàn)應(yīng)力錐上部的絕緣帶有破損現(xiàn)象，有大量的水從底部流出，證實了ANSYS模型仿真的結(jié)果。由于O型橡膠圈沒有壓緊，雨水逐漸滲透到終端內(nèi)部，并因為水的密度比聚異丁烯的密度大，沉積在下層，所以水先流出來。應(yīng)力錐上部的絕緣帶也可能是因為水分浸泡變質(zhì)損壞。然后對套管和電纜進行清潔處理，并將出線棒和應(yīng)力錐上部已經(jīng)損壞的帶材去掉，重新繞包。更換上部金具及聚異丁烯，并組裝新的終端。

檢修工作完成之后，使用紅外檢測技術(shù)得到的電纜終端故障處理后的紅外圖譜如圖6所示，由圖可知：故障處理后的A相電纜終端的檢測溫和B相C相基本相同，為17.2℃，處于正常運行范圍之內(nèi)。由此可判斷終端的異常發(fā)熱故障已經(jīng)被排除，同時驗證了仿真的有效性。

圖6 故障處理后電纜終端紅外圖譜

4 異常發(fā)熱的預(yù)防措施和建議

1）加強電纜終端制作及施工人員的崗內(nèi)培訓(xùn)，提高相關(guān)技術(shù)水平。

2）定期檢測終端裝置的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題，采用先進技術(shù)對終端在線監(jiān)測并收集數(shù)據(jù)，預(yù)測其發(fā)展趨勢，為工作人員安排檢修計劃提供有力依據(jù)。

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