呂庚民

(沈陽古河電纜有限公司，遼寧沈陽110115)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，用電量需求的不斷增加，大長(zhǎng)度超高壓電纜線路的使用數(shù)量也在不斷增加。電纜連接盒的用量也大幅增加。連接盒是電纜附件中絕緣空間最小、絕緣介質(zhì)承受電場(chǎng)強(qiáng)度最高的電纜附件，也是制造工藝最復(fù)雜、事故率最高的電纜附件。在運(yùn)行電壓下，它所承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度與相同電壓等級(jí)的戶外終端或GIS終端相比，要高30%～50%。提高電纜連接盒的絕緣裕度，使其運(yùn)行更加安全可靠;縮小預(yù)制橡膠絕緣體的體積，降低制造成本，使現(xiàn)場(chǎng)安裝更加方便是本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目的。

1 電纜連接盒整體預(yù)制橡膠絕緣體的結(jié)構(gòu)

整體預(yù)制橡膠絕緣體結(jié)構(gòu)的電纜連接盒由于其體積小、安裝方便的優(yōu)勢(shì)，已取代了繞包式絕緣體和組合預(yù)制式絕緣體的電纜連接盒而被廣泛使用。它將連接盒兩端電纜絕緣的應(yīng)力錐、導(dǎo)體連接管的高壓屏蔽電極全部預(yù)制在一個(gè)部件內(nèi)，形成一個(gè)整體絕緣結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 整體預(yù)制絕緣體

該絕緣結(jié)構(gòu)中，高壓屏蔽電極設(shè)計(jì)為圓筒狀，端部采用圓弧過渡，圓弧的半徑為圓筒的壁厚。電場(chǎng)強(qiáng)度最高點(diǎn)為高壓屏蔽電極兩端圓弧面的最高點(diǎn)。圓弧半徑增大，可以降低其表面電場(chǎng)強(qiáng)度。但圓弧半徑增大，會(huì)使圓筒狀電極的外徑增大，整個(gè)絕緣體的體積增大。一般工程設(shè)計(jì)中圓筒狀電極的厚度為25～35 mm。下面以220kV連接盒的橡膠絕緣體結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)果如圖2、圖3所示(計(jì)算電壓U0=127 kV)。

圖2 橡膠絕緣體的電位線分布圖

圖3 橡膠絕緣體電場(chǎng)分布圖

從圖2中可以看出，高電位線從電纜導(dǎo)體表面過渡到高壓屏蔽電極的表面;零電位線從電纜絕緣屏蔽表面過渡到橡膠絕緣體外表面。在高壓屏蔽電極端部表面電位線分布最密集?？諝鈩?dòng)力學(xué)中氣流密度高的地方氣流速度最大［1］。絕緣結(jié)構(gòu)中電位線最密集的電極端部表面電場(chǎng)強(qiáng)度最高(Emax=6.345 kV/mm)。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

橡膠絕緣體內(nèi)的電位線分布形狀很像氣流流過高速行駛在隧道中的動(dòng)車機(jī)車前部的輪廓。為了提高速度，高速鐵路機(jī)車的前部設(shè)計(jì)為空氣阻力更小的流線型。增加列車流線型頭部的長(zhǎng)度，可以有效地改善列車空氣動(dòng)力性能［2］。同理，增加過渡圓弧的長(zhǎng)度，將高壓屏蔽電極的端部設(shè)計(jì)為由多個(gè)曲率半徑組成的流線型。電極端部的曲率半徑最小，最高點(diǎn)曲率半徑最大，是否也可以降低其表面電場(chǎng)強(qiáng)度。基于此想法，在不加大筒狀電極厚度的前提下，對(duì)高壓屏蔽電極端部進(jìn)行流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次設(shè)計(jì)、計(jì)算后，最終確定電極表面電場(chǎng)最小的電極端部的最佳形狀、尺寸。電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示(計(jì)算電壓U0=127 kV)。

圖4 改進(jìn)設(shè)計(jì)后橡膠絕緣體的電位線分布圖

圖5 改進(jìn)設(shè)計(jì)后橡膠絕緣體的電場(chǎng)分布圖

從圖4可以看出，高壓屏蔽電極端部表面的電位線分布相對(duì)于圖2相同部位要均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度也低很多，見圖5(Emax=5.095 kV/mm)。下降比率約20%。此方法也適用于其他電纜附件高壓屏蔽電極端部形狀的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

橡膠絕緣體結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)后，高壓屏蔽電極端部的最大電場(chǎng)強(qiáng)度降低約20%。電纜連接盒在初期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)已留有安全裕度(一般為20%)。在此基礎(chǔ)上再增加10%的裕度就足以滿足安全運(yùn)行的要求。將剩余的10%用作降低制造成本，縮小橡膠絕緣體的體積，減少材料用量(見圖6)。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的整體預(yù)制絕緣體

圖6中外虛線輪廓為原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的橡膠絕緣體的體積比原設(shè)計(jì)縮小20%。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示(計(jì)算電壓U0=127 kV)。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)后橡膠絕緣體的電位線分布圖

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)后橡膠絕緣體的電場(chǎng)分布圖

從圖7可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后橡膠絕緣體內(nèi)的電位線比原設(shè)計(jì)分布更均勻。圖8顯示的優(yōu)化設(shè)計(jì)后高壓屏蔽電極表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度為Emax=5.374 kV/mm，比原設(shè)計(jì)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度(Emax=6.345 kV/mm)低15%。

4 結(jié)束語

通過對(duì)XLPE電纜整體預(yù)制連接盒橡膠絕緣體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在理論上實(shí)現(xiàn)了提高安全裕度、降低制造成本的目的，下一步將進(jìn)行樣品試制工作。樣品試制完成后，將按照GB/T 18890.3—2002《額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及附件》進(jìn)行型式試驗(yàn)和預(yù)鑒定試驗(yàn)。試驗(yàn)全部通過后，即可投入電網(wǎng)運(yùn)行。這將會(huì)帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］許建民，易際明，趙 軍，等.流線型轎車外流場(chǎng)的數(shù)字模擬［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(5):61-64.

［2］田紅旗，周 丹，許 平.列車空氣動(dòng)力性能與流線型頭部外形［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2006(3):36-39.