摘 要

交联聚乙烯电力电缆的中间接头时常会出现潜在的绝缘缺陷，绝缘缺陷会伴随着局部放电现象，通过研究局部放电可以有效地检测到这些缺陷。局部放电可以反映绝缘状况，而它的累积效应会导致绝缘的进一步劣化。因此，研究局部放电超声波检测法对于准确判断电缆绝缘状况，保护电缆安全稳定运行有重要意义。

本文根据超声波传播的基本理论，基于COMSOL仿真软件，建立了中间接头的局部放电模型，仿真研究了局放超声波信号在不同介质中的传播规律。通过在文献中查询电缆中各结构材料在不同温度下的杨氏模量和密度，计算超声波信号随温度升高的衰减变化，着重分析了温度对超声波信号的传输特性的影响。研究结果表明：温度升高时，局部放电超声波信号的衰减会明显增大，造成这一变化的主要原因是交联聚乙烯的杨氏模量随着温度升高而明显下降。

通过研究不同缺陷类型及危害，建立了三种典型缺陷仿真模型，通过计算分析各介质中的声压级分布，提出了灵敏度更高的超声波传感器的安装方案，并总结出一种通过比较不同位置超声波传感器检测的信号强弱来大致确定局部放电位置的方法。

关键词：XLPE电力电缆；局部放电；超声检测；声场仿真

Abstract

Potential insulation defects often appear in the intermediate joints of crosslinked polyethylene power cables, which are accompanied by partial discharge. These defects can be effectively detected by studying partial discharge. Partial discharge can reflect the insulation condition, but its cumulative effect will lead to further deterioration of the insulation. Therefore, it is very important to study the partial discharge ultrasonic testing method for accurately judging the insulation condition of the cable and protecting the safe and stable operation of the cable.

According to the basic theory of ultrasonic propagation, based on the COMSOL simulation software, the partial discharge model of the intermediate joint is established, and the propagation law of the partial discharge ultrasonic signal in different media is simulated. By consulting the young's modulus and density of each structural material in the cable at different temperatures in references, the attenuation change of ultrasonic signal with the increase of temperature was calculated, and the influence of temperature on the transmission characteristics of ultrasonic signals was emphatically analyzed. The studies indicate that the ultrasonic attenuation of partial discharge increases when the temperature increases, and the main reason for this change is that the young's modulus of crosslinked polyethylene (XLPE) decreases with the increase of temperature.

By studying the different defect types and the damage of the three kinds of typical flaws simulation model is established, through calculation and analysis of the sound pressure level distribution of the media, put forward the higher sensitivity of ultrasonic sensor installation scheme, and summarizes a method by comparing the different location of the ultrasonic sensor detection signal strength to roughly determine partial discharge location.

Key Words：XLPE power cable；partial discharge；ultrasonic testing；acoustic field simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 局部放电检测研究现状 2

1.2.2 超声波法局部放电检测研究现状 2

1.3 本论文主要研究工作 2

第2章 超声波法的基本原理 4

2.1 局放超声波的形成机理 4

2.2 超声波的传播规律和衰减形式 5

2.2.1 超声波的传播规律 5

2.2.2 超声波的衰减形式 7

2.3 超声波法检测电缆接头缺陷的有效性 8

第3章 电缆中间接头中的超声波特性研究 10

3.1 电缆本体和中间接头的结构 10

3.2 电缆本体和接头的材料介绍 11

3.2.1 交联聚乙烯（XLPE） 11

3.2.2 硅橡胶（SIR） 13

3.2.3 金属材料 15

3.2.4 绝缘油 16

3.3 电缆中间接头模型的建立 17

3.4 仿真结果处理及分析 19

第4章 典型缺陷类型下的超声波特性研究 24

4.1 电缆接头缺陷成因 24

4.2 电缆接头表面破损 24

4.2.1 外护套表面破损 24

4.2.2 XLPE绝缘表面破损 25

4.3 XLPE绝缘表面划痕 26

4.4 外半导体层断口气隙 27

4.5 典型缺陷仿真结果的对比分析 28

总结与展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及目的和意义

近些年，我国供电网络建设势头迅猛，各种家庭电器开始普及，居民用电量迅速上升。因此我国电网的建设正在从容量低的小电网向容量高的大电网过渡，电网的复杂程度也在上升。建设电网线路常用电力电缆作为电力传输线路，相比于架空线路，电缆隐蔽性好，受环境影响不大，既不会影响环境，也不会存在危险性，可以长期进行安全运行。

在高压电力网中铺设的电缆系统由电缆本体和附件组成，附件是指中间接头和终端。电缆存在着自身固有的缺点，容易造成不同类型的缺陷而导致局部放电，如制造过程中产品质量缺陷中间接头内部存在杂质，金属颗粒等异物，运输过程中造成机械损伤，外护套破损；安装过程中操作人员操作不规范，保护不及时，引入潮气，划伤主绝缘；电缆使用时间过长，接头绝缘部件发生老化，外护套收到化学腐蚀等，如果这些缺陷没有被及时检测出来，则会形成安全隐患，长时间不处理，电缆局部放电的累积效应甚至会击穿电缆绝缘，引发安全事故。电缆中间接头的结构远比本体复杂，安装工艺更为严格，更容易导致绝缘缺陷，因此能否及时准确找出中间接头的缺陷是电力部门所关注的一个重要问题。

交联聚乙烯(简称XLPE)电缆以其优越的电气、热及力学性能和敷设容易、运行维护简单等优点被广泛应用于电力系统各电压等级的输电线路和配电网中^[2]。电缆在使用过程中，由于产品质量、外力破坏、施工质量和铺设环境等因素影响，偶尔发生电缆绝缘击穿，附件损坏等安全事故。为了保障电缆对电能的安全运行，需要定期对电缆进行绝缘缺陷检测，若检测到绝缘缺陷的存在，应当立即停止对产生绝缘缺陷的电缆的使用，避免发生严重事故。