摘要：高压电缆附件的设计是一项涉及电气、机械、材料和热力学四方面的复杂过程，只有经过周密、精确的电、力、热的复合场设计，才能将因生产环节导致的故障率降至最低。因此针对高压电缆附件用预制或冷缩型附件设计环节中的几个关键问题，从电学性能、力学性能、松弛特性、扩张形变和电场优化等几个方面出发，提出橡胶材料弹性模量越高，界面压力越大，附件所需扩张率越低；温度越高，伸长率越大，橡胶材料的应力松弛速度越快；电缆附件撑开时，从内侧到外侧发生非线性位移，内侧大而外侧小，根据弹塑性力学理论，建立电缆附件的厚壁圆筒力学形变方程，可将电缆附件扩展后的电场优化尺寸成功恢复到厂家生产尺寸；最后给出合理设计电缆附件生产结构的方法和思路。该研究方法有望用于指导我国高压交、直流预制/冷缩型电缆附件的材料选型和结构优化设计。
关键词：高压电缆；附件设计环节；几个关键；问题探讨
1导言
电缆附件在电力系统中扮演着衔接、过渡等重要较色，是保证电力系统正常运行不可缺少的组成部分。电缆附件主要有冷缩、热缩、绕包或预制型四类。在高电压等级时，电缆附件一般选用预制或冷缩形式。目前，预制或冷缩电缆附件常用的绝缘材料主要为三元乙丙橡胶（EPDM）或硅橡胶（SIR）两种。电缆连接时由于外屏蔽层断开，电场分布发生改变，而电缆附件的作用即通过物理或化学的方法改变该处电场分布，使其能承受电缆长期运行的需要，并通过过盈配合后附件橡胶与电缆绝缘界面间形成一定的界面压力，构成双层介质的复合结构。但实验及工程应用均表明：电缆与附件间的复合界面和电场应力集中现象是电力输电系统的最薄弱环节和运行故障的典型部位。其中电力电缆线路的早期（投运初期 1~5 年内）故障 63%集中在附件产品质量问题。目前，国内外针对高压电缆附件的设计理念一般通过有限元电场计算合理优化附件结构实现。仿真过程中界面设计场强的选取是在综合考虑各种界面条件（界面压力、界面粗糙度、界面受潮、界面污秽等）后，选取电缆与附件界面设计场强为0.4~0.7 kV/mm 的指导建议。而界面压力的选取则根据界面压力与界面击穿强度的关系特性，认为附件与电缆主绝缘件的界面压力在 0.1~0.25 MPa范围时，完全满足界面电气强度要求，也不会造成安装困难。目前，我国高压交联电缆的发展较为成熟（达500 kV），而相应配套的电缆附件发展相对滞后。随着橡胶加工设备和工艺的日趋成熟和材料供应的专业化，仿造国外附件结构并不困难，但一个没有经过合理规划、精确设计的高压电缆附件，无法保证附件长期运行的安全可靠性。高压电缆附件的设计是一项涉及电气、机械、材料和热力学四方面的复杂过程，本文针对高压电缆附件用预制或冷缩型附件设计环节中的几个关键问题，从电学性能、力学性能、松弛特性、扩张形变和电场优化等几个方面出发，提出合理设计电缆附件的方法和思路。该研究方法有望用于指导我国高压交、直流电缆附件的选型和结构设计优化。
2电缆附件设计中的几个关键问题
一般来讲，材料弹性模量越低，材料越柔软，则需较大的过盈量或扩张率来实现附件与电缆配合的接触面压；相反，材料弹性模量越高，材料越硬，所需过盈量或扩张率越小。一般橡胶材料的弹性模量为 1~20 MPa。有研究表明：当电缆附件和电缆绝缘间的界面压力达到 0.1~0.25 MPa 范围时，能够满足电气强度要求，且不会造成安装困难或电缆绝缘损坏。由此可见，附件过盈量的选取是确保界面压力的必要条件，而界面压力的大小又与橡胶材料弹性模量呈正比。而针对界面压力的测定方法较为复杂，比如用铝管代替电缆，在铝管内壁放置电阻应变器测量铝管外壁与橡胶间界面压力。然而，铝管是刚形体，而实际塑性电缆是弹性体，测量结果不具备可比性。或采用在电缆附件与电缆本体间界面预置传感器的方法测量界面压力，但传感器植入困难，同时会造成界面绝缘损坏等。本文针对待选定的几种附件用橡胶材料和电缆用交联聚乙烯（XLPE）绝缘料，通过实际测量其力学特性（弹性模量），利用 ANSYS 软件建立电缆接头安装后力学仿真模型，定量分析电缆附件弹性模量、界面压力与扩张形变率之间的关系。详细的界面应力分布仿真计算过程参见文献。图 1 为仿真计算得到不同弹性模量的硅橡胶绝缘的 15 kV 电缆附件（附件主绝缘厚 10 mm）套接于 15 kV 交流电缆（导体截面 400 mm 2，电缆绝缘厚 4.5 mm）后，附件单边过盈量与相应的界面压力值关系。由图 1 可见，附件单边过盈量或弹性模量越高，界面压力越大。同时由过盈量值计算得出附件内侧扩张率，见表 1。由上述分析可知，硅橡胶弹性模量越大，较小的过盈量有助于降低附件的扩张形变率。但较高的弹性模量会造成电缆附件安装困难，甚至造成附件内绝缘或半导电层撕裂。为确保界面长期运行的抱紧力，附件内侧安装扩张率一般要求在 120%~150%范围。扩张率越高界面压力越大，但弹性材料的应力松弛速度也越快。因此，为确保电缆与附件绝缘界面 30 年的可靠面压，则需研究电缆附件用橡胶绝缘在长期运行中的应力松弛现象，从而指导电缆附件用橡胶绝缘弹性模量，即附件内侧扩张率的合理选择。
图1 不同弹性模量时电缆附件面压力与单边过盈量的关系
表 1 电缆附件扩张参数表
3其他设计问题
3.1电缆附件橡胶材料的选择
电缆附件在进行结构设计前，材料的选择至关重要，绝缘材料的电阻率、介电常数、击穿强度等电气参数将直接决定电缆附件的电气尺寸，如介电常数的大小将影响附件中的电场分布，决定应力锥的长度、附加绝缘的厚度；击穿强度的高低将直接影响中间接头的电气绝缘性能，若绝缘材料的击穿强度低，中间接头的厚度就要大，才能使中间接头的电气绝缘性能达到标准要求。另外，半导电材料的导电性能在电缆附件中也至关重要，附件中应力锥及屏蔽管都是用纯半导电橡胶制成，外面不再附加金属屏蔽物，因此，若半导电材料的导电性能不理想，附件中的应力锥及屏蔽管将不能充分发挥其功能，从而导致附件击穿事故。因此，设计电缆附件时首先要确定所用材料的各种电气性能，确保基本电气性能满足高压电缆附件用橡胶材料国家标准，才能依据这些性能进行有关设计。
3.2附件结构设计与电场优化
传统的电缆附件（交流或直流）设计方法是通过有限元计算软件合理优化附件结构（主绝缘厚度、高压屏蔽管端部形状、应力锥形状及长度、内爬距等），使绝缘交界面电场小于设计值来实现。尤其是冷缩或预制式附件，由于采用工厂整体成型，连接管部位的空隙必须采用高压屏蔽的方式处理，造成高压屏蔽管端部等位线弯曲比较严重。因此，高压屏蔽管外形设计更为关键，可通过设计倒 R 型屏蔽管端部结构，增加屏蔽管厚度来降低屏蔽管端部电场。但考虑到造价成本，一般通过主绝缘和高压屏蔽管二者厚度的折中配合来设计。另外，应力锥处的形状和结构也是附件设计的关键环节。应力锥曲线是根据应力锥与 XLPE 电缆绝缘界面切向电场梯度相等作为电场设计的优化条件。由于该界面不仅是预制件的关键部位，而且是电气绝缘的薄弱环节。实际应用时，一般适当地增大应力锥末端的曲率半径以缓和电场分布；同时，略抬高应力锥起始端位置以增加硫化成型过程中的结构致密性。
参考文献：
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论文作者:张骞,闫伟龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：界面论文; 附件论文; 电缆附件论文; 弹性模量论文; 电场论文; 高压论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第34期论文;