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基于有限元分析的XLPE电力电缆仿真实验

张伟霞;赵书涛;赵现平

【摘要】交联聚乙烯(XLPE)电力电缆的电树枝老化威胁其安全运行,为了研究针尖

缺陷对电缆绝缘电树枝产生的影响,文中运用ANSYS软件对电缆内部针尖缺陷进

行模拟仿真和理论分析,并与现场所测得中压XLPE电缆的耐压强度进行对比,对试

验结果进行了验证,并指出了局部电场畸变是引发贯穿性放电通道的主要因素.

【期刊名称】《应用科技》

【年(卷),期】2012(039)004

【总页数】4页(P51-54)

【关键词】有限元分析;ANSYS;电力电缆;针尖缺陷

【作者】张伟霞;赵书涛;赵现平

【作者单位】华北电力大学电力工程系,河北保定,071003;华北电力大学电力工程

系,河北保定,071003;云南电网公司电力研究院,云南昆明,650217

【正文语种】中文

【中图分类】TM2

中压橡塑电缆广泛应用于城市配网中.尽管橡塑电缆有高介电强度、低介质损耗和

较好的热力学行为等很多优点，但在电缆设计制造、安装以及运行中都会产生很多

问题，在电缆运行初期可能看不出来，运行一段时间后可能会引起电缆绝缘降解，

甚至击穿.

电缆老化主要是水树枝老化和电树枝老化，水树枝老化最终会导致电树枝产生，导

致绝缘击穿的是电树枝老化；因此，对电缆的电树枝老化研究很有必要.很多情况

都可能导致电树枝老化.制造过程中，半导屏蔽上的尖刺会导致电缆在运行中逐渐

老化以及针尖处的绝缘介质分子键断裂，从而绝缘特性受到破坏，严重情况下导致

电缆绝缘击穿[1-2].根据麦克斯韦方程组中的2个与电场相关的方程：

另外，电位移矢量与电场矢量的关系为

如果只考虑静电场，不考虑交变磁场的作用，则式（1）、（4）变为式（5）、

（6）：

在静电场分析中，要考虑的是同时要满足式（2）、（3）、（5）、（6），利用

ANSYS软件很方便满足这些约束条件，实现静电场的仿真计算.针对含有针尖缺陷

电缆的耐压强度进行ANSYS仿真计算，验证现场试验的可靠性，并做出理论分析.

1模型建立

试验中所用的样品段为YJV8.7/10kV，170mm2电缆段，长度30m，工频耐

压试验2.5U0/50min.试验时，将样品段的铜屏蔽层剥离，在绝缘介质上钉入不同

深度的钉子，模拟针尖缺陷，在电缆导体上施加试验电压，铜屏蔽层接地，测量样

品的耐压强度.

在ANSYS中，为了更好地模拟针尖处电场的畸变，在模型搭建中也考虑加入空气

模型[3].在尽量保持仿真分析准确的条件下，选用2维模型来减少仿真计算的时间.

导体半径取4.5mm，绝缘厚度4.5mm，外围空气模型为1530mm的矩形

域.ANSYS中搭建的模型如图1所示.

图1ANSYS中搭建的电缆截面模型

研究资料表明，电树枝是在电场较大的情况下出现的.本次仿真中，为针尖做的模

型是很窄的小矩形，矩形顶点和边长处的曲率不同，这样就可以同时验证，针尖曲

率半径越小，针尖处引起电场畸变就越厉害[4!-7].

2仿真计算

按照在现场试验时所制造的针尖缺陷，针尖长度分别为2.5、3.5和4mm，就这

3种长度的针尖缺陷进行ANSYS模型的搭建和仿真.根据仿真结果分别给出3个路

径图，用来比较绝缘介质中电场的畸变程度和分布情况，并给出导体与针尖间电场

分布.

在模型中，针尖从绝缘外边缘指向导体，模拟实际试验中制造的缺陷情况，对2.5

mm长度的针尖缺陷进行模拟仿真.其中，所施加的电压为工频下2.5U0，即

21.750kV，得到电场等值线分布如图2所示.其中，针尖处的最大场强达到

0.585×108V，越靠近导体处，场强逐渐减小.

为看清楚针尖处电场分布情况，在ANSYS中绘制电场矢量图，如图3所示.由电

场分布矢量图可见，在针尖处，电场畸变最厉害，场强最大，沿靠近导体方向，场

强减弱；但针尖距离导体的距离2mm，尽管在针尖处的场强很大，导致针尖周

围绝缘介质在高场强下劣化，绝缘性能下降.局部绝缘劣化，还不至于形成导电通

道，因此，电缆也不会击穿.

图2针尖处电场等值线（针尖长度2.5mm）

图3模型中电场分布矢量（针尖长度2.5mm）

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