摘要：解析预制式单芯电力电缆中间接头结构，基于Ansoft Maxwell软件建立了三维单芯电力电缆中间接头仿真模型，得到中间接头在正常运行、屏蔽层被破坏及开裂状态下的工频电场分布，提取了电场特征信息。
关键词：单芯电力电缆；中间接头；工频电场
制造、运输和施工的过程均具有局限性，每段电力电缆的长度也有限。电缆终端和接头统称为电缆附件，与电缆一起构成电力输送网络。电缆的接头：由于生产线上生产的电缆必须截成有限长度的电缆段以方便存放及运输，对于较长的电缆线路，必须将两段或多段电缆连接起来，这就需要电缆接头。电缆接头是电缆线路中不可缺少的部件。电缆接头可分为直通接头、绝缘接头、分支接头等，特别的充油电缆还包括塞止接头等。
电缆的终端头：电缆是通过终端接头和其他输变电设备（如架空线、变压器、GIS等）相连接的。其结构型式根据电缆型式、电压等级及用途的不同而有所区别。电缆终端头按材料分为热缩和冷缩电缆终端头按工作环境又分为户内和户外电缆终端，按照外绝缘形式的不同又分为瓷套式、复合套管式、预制式等终端头等。
工程实践中，需要将树根电缆连接起来使用，两段电缆中间的连接附件称为电缆中间接头。中间接头有直通型和绝缘型。直通接头（又称直线接头）是连接两根电缆形成连续电路的接头。自容式充油电缆的直通接头，除导体电气连通外，还要确保油道中油流畅通。
绝缘型中间接头是用来实现电缆护层分段接地，或交叉互联接地，限制护层上的感应过电压（同时采取合理的接地方式装并安装护层保护器等措施）。绝缘接头是将电缆的导体连通，而将金属护套、金属屏蔽和绝缘屏蔽在电气上断开的接头。绝缘接头既可保证电缆与电缆之间的连接，又可使电缆的金属护层、屏蔽和绝缘屏蔽（半导电层）在电气上断开，以方便电缆外护层接地或交叉互联、接地保护等。统计数据表明，电缆中间接头是电缆最薄弱的环节，电缆中间接头故障占电缆运行故障的70%左右。目前电缆故障检测通常比较被动，往往发现电力传输中断或异常后才启动电缆故障检测，只能进行事后补救。如果能够实现在线检测，在电缆故障出现的早期进行预警，就能够及时排除隐患、降低电缆故障率，以确保配电网的安全性、稳定性、经济性。
本次研究基于Ansoft Maxwel软件，仿真分析电缆接头在正常运行、屏蔽层破坏及整体开裂状态下的工频电场分布，拟为基于电磁场特征的电缆接头状态检测方法提供理论支撑。
一、单芯电缆中间接头结构及常见缺陷
直通型接头适合三芯电缆与35kV及以上单芯电力电缆的中间连接，绝缘接头应用在35kV及以上单芯电力电缆的中间连接。
按照安装方式和使用的绝缘材料来分类，电力电缆中间接头主要分为冷缩式、热缩式、预制式等类型。预制式电缆中间接头制作工艺相对较简单，安装方便，并且具有对环境、运行维护人员影响小等优点而得到广泛应用；因此，本次研究选择预制式电缆中间接头进行仿真建模分析。
分别分析10kv单芯XLPE电缆接头纵截面和横截面，电缆接头用于实现电缆的延长与接续，需要保证一定的绝缘性与密封性，以满足复杂工作环境的要求，其结构主要包括芯线、绝缘层和屏蔽层。
预制型电力电缆中间接头的故障缺陷大致可以概括为2类：一类是电力电缆中间接头内部的各个绝缘层的固有缺陷；另一类是在各个绝缘层、屏蔽层间界面上所产生的缺陷。
对电力电缆中间接头屏蔽层被破坏与接头处整体开裂这两种缺陷进行深入研究，探讨不同情况下电缆中间接头表面的工频电场分布。
二、正常运行时电缆中间接头的电场分布
电缆接头处和终端处电场分布不均时有两种方法：
（1）几何形状法－应力锥：在电缆的终端头采用应力锥来缓解电场应力的集中；
（2）参数控制法：可采用合适电气参数的绝缘材料复合在屏蔽切断处的绝缘表面上，以改变绝缘表面的电位分布，从而达到改善电场的目的。另一方法是增大屏蔽末端绝缘表面电容（Cs)，降低这部分的容抗，也能使电位降下来；由于电容正比于材料的介电常数，也就是说要想增大表面电容，可在电缆屏蔽末端绝缘表面附加一层高介电常数的材料。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆还有采用非线性电阻材料也是近期发展起来的一种新型材料，它利用材料本身电阻率与外施电场成非线性关系变化的特性，来解决电缆绝缘屏蔽切断处电场集中分布的问题。
利用Ansoft Maxwell软件建立三维仿真模型，所建立电缆接头仿真模型芯线材料选择铜材，
在Ansoft中选定copper:电力电缆外面的边缘外皮材料的介电常数设为4,材料设置为各向同性:电力电缆接头处绝缘材料的介电常数设为3，材料设置为各向同性。
可以看到，电缆接头内部电场分布较为均匀，结构层次清晰可辨。电缆中间接头处，电厂在通过第一层屏蔽罩时大部分被屏蔽，其余透出部分电场强度被电缆中间接头外部铅皮屏蔽。电场强度在芯线附近为1.3×106V/m, 向外衰减，到铅皮内侧约为3.0×105 V/m, 再到外表则基本上被屏蔽掉。因此，电缆中间接头处的屏蔽罩对其电场屏蔽起着至关重要的作用。
三、屏蔽层被破坏时电缆中间接头的电场分布
通过分析电缆中间接头正常运行时的电场分布情况可知，电缆中间接头屏蔽层对电场具有显著的屏蔽作用，正常运行状态下电缆表层的电场强度非常微弱。当电缆中间接头处的屏蔽层被破坏时，将会对电场的屏蔽效果产生较大影响。仿真计算结果显示，屏蔽罩外侧被破坏处的电场强度相比与正常运行情况下的电场强度明显增大。屏蔽罩的破坏在一定程度上削弱了电场的屏蔽效果，使得外部场强增大。
四、接头开裂时电缆中间接头的电场分布
电缆中间接头有两段电缆对接而成，结构比较脆弱，在运行过程中经常承受较强的拉伸，震动等机械应力，时常出现开裂等状况。在此，我们模拟电缆中间接头出现开裂的状况，设电缆中间接头处的连接管，屏蔽罩，铅皮与预制件等接头附件均出现裂口，使得导体线芯直接暴露在空气中。分析可知，当电缆接头处出现开裂情况时，裂口处的电场强度显著加大，在接头外表面处电场强度仍达到105V/m数量级。在裂口以外的其他区域，仍受到屏蔽层的屏蔽作用，电场强度有所增大，但是并不明显。
五、电缆外护层的作用，外护层破损会引起什么可能的后果及其为保护外护层采取什么措施
作用：保护绝缘层在敷设、运行过程中不受水、潮气、其它有害物质的侵入，不受机械损伤和环境因素的影响，使电缆绝缘的电气性能长期稳定。外护层包裹在电缆的金属护套、非金属护套、组合护套外面， 保护护套免受机械损伤、腐蚀，兼具其它作用的保护覆盖层。
破损后果：外护套破损将导致电缆金属套（或金属屏蔽层）出现多点接地，金属屏蔽层会产生环流造成损耗发热，导致绝缘局部过热并加速绝缘老化，严重影响主绝缘寿命。外护套绝缘损伤使金属护套失去保护，金属护套在长期的电化学作用下导致腐蚀穿孔，水分进入电缆绝缘层，造成主绝缘产生水树老化的概率增加，对电缆寿命产生严重影响。外护套受损后如不及时处理，将影响电缆的长期安全可靠运行，但故障点的测寻、定点和修复均非常困难，增加了运行维护的工作量。
保护措施：短路时金属护套中的感应电压是相当大的，为保证电缆外护层的安全运行，一般采用敷设回流线的方法减小金属护套中的感应电压；防止雷电过电压击穿外护套，为此常在金属护套不接地端和交叉互联的绝缘接头处装设护层保护器。
结语
根据仿真结果分析可知，电缆中间接头在正常运行状态下电场分布较为均匀，层次清晰可辨。由于接头处有屏蔽罩与铅皮2层屏蔽层，由芯线至接头外表面的电场强度衰减，接头外表面处的电场强度已非常微弱。电缆中间接头屏蔽罩被破坏或出现开裂情况时，对屏蔽效果产生较大影响，接头外表面存在一定强大的电场。
参考文献
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论文作者:王婷
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第13期
论文发表时间:2019/8/27
标签：电缆论文; 电场论文; 屏蔽论文; 护套论文; 电力电缆论文; 终端论文; 金属论文; 《工程管理前沿》2019年第13期论文;