吳雪嬌+++劉本東++周長(zhǎng)城++周鑫+

摘要：電纜終端的電場(chǎng)分布不均勻使其成為電纜系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)；電纜終端的電場(chǎng)分布與其絕緣結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此優(yōu)化電纜終端的結(jié)構(gòu)對(duì)電纜系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。文章首先根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀給出了電纜終端設(shè)計(jì)的參考場(chǎng)強(qiáng)，然后通過電磁場(chǎng)有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)電纜終端的模型進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化和計(jì)算，通過改變曲面的曲率半徑、絕緣厚度、絕緣長(zhǎng)度及應(yīng)力錐的起錐角度等因素，最終找出合理的電纜終端設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：電纜附件；GIS終端；有限元；電場(chǎng)分析；應(yīng)力錐

1GIS終端的電氣性能設(shè)計(jì)要求

對(duì)于高壓電纜終端的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)應(yīng)力錐和金屬電極中的曲面及絕緣界面的長(zhǎng)度、絕緣材料的厚度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過應(yīng)力錐和增強(qiáng)絕緣的結(jié)構(gòu)配合來達(dá)到均化電場(chǎng)、降低各部位的電場(chǎng)強(qiáng)度的目的。在設(shè)計(jì)過程中，關(guān)鍵是要考慮幾個(gè)關(guān)鍵界面的軸向場(chǎng)強(qiáng)和合成場(chǎng)強(qiáng)不能超過材料所能承受的最大擊穿場(chǎng)強(qiáng)，且要考慮一定的安全設(shè)計(jì)欲度。本文參考國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)高壓電纜終端的相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)各主要絕緣部件最大場(chǎng)強(qiáng)的要求，作為設(shè)計(jì)電纜終端電氣設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。通常電纜終端的設(shè)計(jì)主要考慮圖1所示的5個(gè)關(guān)鍵部位的合成場(chǎng)強(qiáng)。E1為應(yīng)力錐半導(dǎo)電曲面；E2為金屬電極曲面；E3為應(yīng)力錐和電纜主絕緣的界面最大軸向電場(chǎng)；E4為應(yīng)力錐其錐部最大合成電場(chǎng)；E5為金屬電極上部最大合成場(chǎng)強(qiáng)。高壓GIS電纜終端由恒力彈簧提供應(yīng)力錐推力，使得應(yīng)力錐與環(huán)氧樹脂和電纜本體之間的接觸面界面壓力保證運(yùn)行30年后扔能達(dá)到0.4 Mpa/mm2，使得相應(yīng)的界面能耐受住一定水平的電場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外主流電纜附件廠家的結(jié)構(gòu)分析和考慮材料本身特性和安全欲度等因素，220kV這個(gè)電壓等級(jí)的附件產(chǎn)品，環(huán)氧樹脂材料在工作電壓下允許的最大場(chǎng)強(qiáng)為5kV/mm；三元乙丙橡膠材料為4kV/mm。

圖1GIS終端關(guān)鍵部位場(chǎng)強(qiáng)

2GIS終端的基本參數(shù)設(shè)計(jì)

通常在設(shè)計(jì)電纜附件時(shí)，首先根據(jù)解析法算出電纜附件的基本參數(shù)（應(yīng)力錐電極形狀、長(zhǎng)度和主絕緣厚度）后，再運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化分析。

應(yīng)力錐絕緣厚度計(jì)算公式如下：

（1）

式中，rj應(yīng)力錐絕緣半徑，ri電纜絕緣半徑，En金屬電極的最大場(chǎng)強(qiáng)（此處的En=E5），r1金屬電極外徑。

應(yīng)力錐曲面設(shè)計(jì)計(jì)算可用以下公式進(jìn)行：

（2）

式中，，，f=α-1；εj、εi—分別表示應(yīng)力錐主絕緣和電纜絕緣的相對(duì)介電常數(shù)；x，y為應(yīng)力錐曲面上一點(diǎn)的坐標(biāo)；rc為電纜線芯屏蔽外徑；U為運(yùn)行的相電壓；Et為應(yīng)力錐曲面設(shè)計(jì)的軸向場(chǎng)強(qiáng)（此處Et=E3），一般取值為0.8kV/mm；

當(dāng)y=rj時(shí)，x=Lk，即理論應(yīng)力錐曲面長(zhǎng)度應(yīng)為：

（3）

以目前國(guó)內(nèi)220kV 2500mm2截面的電纜為例，其內(nèi)屏蔽外徑60mm左右，主絕緣外徑120mm左右，相電壓U0=127kV，取金屬電極外徑D=φ160，En=1.2kV/mm，Et=0.8kV/mm，XLPE相對(duì)介電常數(shù)為2.3，三元乙丙橡膠介電常數(shù)為3.5，環(huán)氧樹脂相對(duì)介電常數(shù)為4.0；由公式計(jì)算得出應(yīng)力錐長(zhǎng)度應(yīng)大于100mm，環(huán)氧樹脂絕緣厚度應(yīng)大于70mm，應(yīng)力錐曲面曲率半徑在R50-R120之間。

3采用有限元法優(yōu)化設(shè)計(jì)電纜終端

確立好基本尺寸后，我們首先可以初步設(shè)計(jì)出一個(gè)GIS終端的絕緣結(jié)構(gòu)，應(yīng)力錐起錐角度一般為6°-12°，我們可以取10°，應(yīng)力錐斜面長(zhǎng)度為100mm，絕緣長(zhǎng)度為100，曲率半徑R50，取金屬電極厚度為20mm厚，曲率半徑為R10。并建立模型。如圖2

圖2初步設(shè)計(jì)的GIS終端結(jié)構(gòu)圖

將建立好的模型輸入到有限元計(jì)算軟件ANSYS當(dāng)中計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)如下。

圖3初步設(shè)計(jì)的GIS終端電場(chǎng)分析圖

通過有限元計(jì)算軟件得到的結(jié)構(gòu)看，環(huán)氧所承受的金屬電極最大場(chǎng)強(qiáng)為4.15kV/mm，應(yīng)力錐其錐處最大場(chǎng)強(qiáng)為3.35kV/mm。結(jié)構(gòu)都不是很理想，所以要通過增加曲面的曲率半徑、減小應(yīng)利錐起錐角的角度、增加應(yīng)力錐錐面長(zhǎng)度等一系列調(diào)整來降低GIS終端各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。每次調(diào)整都會(huì)建立新的模型并輸入到ANSYS軟件進(jìn)行模擬分析計(jì)算。最終得到合理結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5、表1。

圖4最終設(shè)計(jì)GIS終端結(jié)構(gòu)

圖5最終設(shè)計(jì)GIS終端電場(chǎng)分析

表1GIS終端模型的5個(gè)關(guān)鍵部位場(chǎng)強(qiáng)（kV/mm）

序號(hào) E1 E2 E3 E4 E5

電場(chǎng)強(qiáng)度 2.51 1.82 0.72 2.32 1.51

通過有限元計(jì)算軟件ANSYS的分析，我們更好的控制關(guān)鍵部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，得到了想要的合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得高壓電纜附件在運(yùn)行中更安全穩(wěn)定的發(fā)揮作用。

本文此次優(yōu)化的只是電纜與應(yīng)力錐及環(huán)氧樹脂配合界面的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，而GIS終端上部金具部位的電場(chǎng)強(qiáng)度也是在設(shè)計(jì)電纜終端時(shí)所要考慮的。雖然SF6絕緣氣體具有良好的絕緣和滅弧作用，但是上部金屬部件場(chǎng)強(qiáng)過高也會(huì)造成對(duì)SF6氣體的擊穿甚至造成短路。所以上部金屬部件也應(yīng)達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)來使得此處的電場(chǎng)強(qiáng)度合理。一般上端金屬部件采用屏蔽罩來降低電場(chǎng)強(qiáng)度。

4結(jié)論

4.1在電纜終端的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，主要針對(duì)金屬電極端部的最大場(chǎng)強(qiáng)E2和應(yīng)力錐其錐處的最大合成場(chǎng)強(qiáng)E4進(jìn)行優(yōu)化。電纜終端所控制的電場(chǎng)區(qū)域與電纜接頭有所不同，電纜接頭主要控制場(chǎng)強(qiáng)為中央電極平坦處和中央電極端部，通過控制絕緣材料的厚度，和曲面的曲率半徑達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而電纜終端一般通過控制界面的絕緣長(zhǎng)度、金屬電極的端部曲率半徑以及應(yīng)力錐其錐角度、曲率半徑等因素來達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雖然兩者有細(xì)微的差別，不過都可以相互借鑒。

4.2有了有限元計(jì)算軟件ANSYS的幫助，使得我們可以準(zhǔn)確的模擬出電纜附件在相應(yīng)工作或者試驗(yàn)電壓下各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，更好的控制關(guān)鍵部位的電場(chǎng)，使我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中減小很多公式的計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)的判斷的工作量。有助于我們對(duì)電纜附件產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李華春,章鹿華,周作春.應(yīng)用有限元法優(yōu)化應(yīng)力錐設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)2005,31(11).

[2] 呂庚民,楊黎明,周長(zhǎng)城,劉本東,富成偉,吳雪嬌.500kV XLPE電纜附件的設(shè)計(jì)[J].電線電纜,2013(01).

[3] 劉子玉,王惠明.電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1995.

[4] 國(guó)家電網(wǎng)公司2008年電纜專業(yè)總結(jié)報(bào)告[R].北京:國(guó)家電網(wǎng)公司生技部,2009.

摘要：電纜終端的電場(chǎng)分布不均勻使其成為電纜系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)；電纜終端的電場(chǎng)分布與其絕緣結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此優(yōu)化電纜終端的結(jié)構(gòu)對(duì)電纜系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。文章首先根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀給出了電纜終端設(shè)計(jì)的參考場(chǎng)強(qiáng)，然后通過電磁場(chǎng)有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)電纜終端的模型進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化和計(jì)算，通過改變曲面的曲率半徑、絕緣厚度、絕緣長(zhǎng)度及應(yīng)力錐的起錐角度等因素，最終找出合理的電纜終端設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：電纜附件；GIS終端；有限元；電場(chǎng)分析；應(yīng)力錐

1GIS終端的電氣性能設(shè)計(jì)要求

對(duì)于高壓電纜終端的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)應(yīng)力錐和金屬電極中的曲面及絕緣界面的長(zhǎng)度、絕緣材料的厚度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過應(yīng)力錐和增強(qiáng)絕緣的結(jié)構(gòu)配合來達(dá)到均化電場(chǎng)、降低各部位的電場(chǎng)強(qiáng)度的目的。在設(shè)計(jì)過程中，關(guān)鍵是要考慮幾個(gè)關(guān)鍵界面的軸向場(chǎng)強(qiáng)和合成場(chǎng)強(qiáng)不能超過材料所能承受的最大擊穿場(chǎng)強(qiáng)，且要考慮一定的安全設(shè)計(jì)欲度。本文參考國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)高壓電纜終端的相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)各主要絕緣部件最大場(chǎng)強(qiáng)的要求，作為設(shè)計(jì)電纜終端電氣設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。通常電纜終端的設(shè)計(jì)主要考慮圖1所示的5個(gè)關(guān)鍵部位的合成場(chǎng)強(qiáng)。E1為應(yīng)力錐半導(dǎo)電曲面；E2為金屬電極曲面；E3為應(yīng)力錐和電纜主絕緣的界面最大軸向電場(chǎng)；E4為應(yīng)力錐其錐部最大合成電場(chǎng)；E5為金屬電極上部最大合成場(chǎng)強(qiáng)。高壓GIS電纜終端由恒力彈簧提供應(yīng)力錐推力，使得應(yīng)力錐與環(huán)氧樹脂和電纜本體之間的接觸面界面壓力保證運(yùn)行30年后扔能達(dá)到0.4 Mpa/mm2，使得相應(yīng)的界面能耐受住一定水平的電場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外主流電纜附件廠家的結(jié)構(gòu)分析和考慮材料本身特性和安全欲度等因素，220kV這個(gè)電壓等級(jí)的附件產(chǎn)品，環(huán)氧樹脂材料在工作電壓下允許的最大場(chǎng)強(qiáng)為5kV/mm；三元乙丙橡膠材料為4kV/mm。

圖1GIS終端關(guān)鍵部位場(chǎng)強(qiáng)

2GIS終端的基本參數(shù)設(shè)計(jì)

通常在設(shè)計(jì)電纜附件時(shí)，首先根據(jù)解析法算出電纜附件的基本參數(shù)（應(yīng)力錐電極形狀、長(zhǎng)度和主絕緣厚度）后，再運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化分析。

應(yīng)力錐絕緣厚度計(jì)算公式如下：

（1）

式中，rj應(yīng)力錐絕緣半徑，ri電纜絕緣半徑，En金屬電極的最大場(chǎng)強(qiáng)（此處的En=E5），r1金屬電極外徑。

應(yīng)力錐曲面設(shè)計(jì)計(jì)算可用以下公式進(jìn)行：

（2）

式中，，，f=α-1；εj、εi—分別表示應(yīng)力錐主絕緣和電纜絕緣的相對(duì)介電常數(shù)；x，y為應(yīng)力錐曲面上一點(diǎn)的坐標(biāo)；rc為電纜線芯屏蔽外徑；U為運(yùn)行的相電壓；Et為應(yīng)力錐曲面設(shè)計(jì)的軸向場(chǎng)強(qiáng)（此處Et=E3），一般取值為0.8kV/mm；

當(dāng)y=rj時(shí)，x=Lk，即理論應(yīng)力錐曲面長(zhǎng)度應(yīng)為：

（3）

以目前國(guó)內(nèi)220kV 2500mm2截面的電纜為例，其內(nèi)屏蔽外徑60mm左右，主絕緣外徑120mm左右，相電壓U0=127kV，取金屬電極外徑D=φ160，En=1.2kV/mm，Et=0.8kV/mm，XLPE相對(duì)介電常數(shù)為2.3，三元乙丙橡膠介電常數(shù)為3.5，環(huán)氧樹脂相對(duì)介電常數(shù)為4.0；由公式計(jì)算得出應(yīng)力錐長(zhǎng)度應(yīng)大于100mm，環(huán)氧樹脂絕緣厚度應(yīng)大于70mm，應(yīng)力錐曲面曲率半徑在R50-R120之間。

3采用有限元法優(yōu)化設(shè)計(jì)電纜終端

確立好基本尺寸后，我們首先可以初步設(shè)計(jì)出一個(gè)GIS終端的絕緣結(jié)構(gòu)，應(yīng)力錐起錐角度一般為6°-12°，我們可以取10°，應(yīng)力錐斜面長(zhǎng)度為100mm，絕緣長(zhǎng)度為100，曲率半徑R50，取金屬電極厚度為20mm厚，曲率半徑為R10。并建立模型。如圖2

圖2初步設(shè)計(jì)的GIS終端結(jié)構(gòu)圖

將建立好的模型輸入到有限元計(jì)算軟件ANSYS當(dāng)中計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)如下。

圖3初步設(shè)計(jì)的GIS終端電場(chǎng)分析圖

通過有限元計(jì)算軟件得到的結(jié)構(gòu)看，環(huán)氧所承受的金屬電極最大場(chǎng)強(qiáng)為4.15kV/mm，應(yīng)力錐其錐處最大場(chǎng)強(qiáng)為3.35kV/mm。結(jié)構(gòu)都不是很理想，所以要通過增加曲面的曲率半徑、減小應(yīng)利錐起錐角的角度、增加應(yīng)力錐錐面長(zhǎng)度等一系列調(diào)整來降低GIS終端各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。每次調(diào)整都會(huì)建立新的模型并輸入到ANSYS軟件進(jìn)行模擬分析計(jì)算。最終得到合理結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5、表1。

圖4最終設(shè)計(jì)GIS終端結(jié)構(gòu)

圖5最終設(shè)計(jì)GIS終端電場(chǎng)分析

表1GIS終端模型的5個(gè)關(guān)鍵部位場(chǎng)強(qiáng)（kV/mm）

序號(hào) E1 E2 E3 E4 E5

電場(chǎng)強(qiáng)度 2.51 1.82 0.72 2.32 1.51

通過有限元計(jì)算軟件ANSYS的分析，我們更好的控制關(guān)鍵部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，得到了想要的合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得高壓電纜附件在運(yùn)行中更安全穩(wěn)定的發(fā)揮作用。

本文此次優(yōu)化的只是電纜與應(yīng)力錐及環(huán)氧樹脂配合界面的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，而GIS終端上部金具部位的電場(chǎng)強(qiáng)度也是在設(shè)計(jì)電纜終端時(shí)所要考慮的。雖然SF6絕緣氣體具有良好的絕緣和滅弧作用，但是上部金屬部件場(chǎng)強(qiáng)過高也會(huì)造成對(duì)SF6氣體的擊穿甚至造成短路。所以上部金屬部件也應(yīng)達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)來使得此處的電場(chǎng)強(qiáng)度合理。一般上端金屬部件采用屏蔽罩來降低電場(chǎng)強(qiáng)度。

4結(jié)論

4.1在電纜終端的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，主要針對(duì)金屬電極端部的最大場(chǎng)強(qiáng)E2和應(yīng)力錐其錐處的最大合成場(chǎng)強(qiáng)E4進(jìn)行優(yōu)化。電纜終端所控制的電場(chǎng)區(qū)域與電纜接頭有所不同，電纜接頭主要控制場(chǎng)強(qiáng)為中央電極平坦處和中央電極端部，通過控制絕緣材料的厚度，和曲面的曲率半徑達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而電纜終端一般通過控制界面的絕緣長(zhǎng)度、金屬電極的端部曲率半徑以及應(yīng)力錐其錐角度、曲率半徑等因素來達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雖然兩者有細(xì)微的差別，不過都可以相互借鑒。

4.2有了有限元計(jì)算軟件ANSYS的幫助，使得我們可以準(zhǔn)確的模擬出電纜附件在相應(yīng)工作或者試驗(yàn)電壓下各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，更好的控制關(guān)鍵部位的電場(chǎng)，使我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中減小很多公式的計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)的判斷的工作量。有助于我們對(duì)電纜附件產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李華春,章鹿華,周作春.應(yīng)用有限元法優(yōu)化應(yīng)力錐設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)2005,31(11).

[2] 呂庚民,楊黎明,周長(zhǎng)城,劉本東,富成偉,吳雪嬌.500kV XLPE電纜附件的設(shè)計(jì)[J].電線電纜,2013(01).

[3] 劉子玉,王惠明.電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1995.

[4] 國(guó)家電網(wǎng)公司2008年電纜專業(yè)總結(jié)報(bào)告[R].北京:國(guó)家電網(wǎng)公司生技部,2009.

摘要：電纜終端的電場(chǎng)分布不均勻使其成為電纜系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)；電纜終端的電場(chǎng)分布與其絕緣結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此優(yōu)化電纜終端的結(jié)構(gòu)對(duì)電纜系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。文章首先根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀給出了電纜終端設(shè)計(jì)的參考場(chǎng)強(qiáng)，然后通過電磁場(chǎng)有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)電纜終端的模型進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化和計(jì)算，通過改變曲面的曲率半徑、絕緣厚度、絕緣長(zhǎng)度及應(yīng)力錐的起錐角度等因素，最終找出合理的電纜終端設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：電纜附件；GIS終端；有限元；電場(chǎng)分析；應(yīng)力錐

1GIS終端的電氣性能設(shè)計(jì)要求

對(duì)于高壓電纜終端的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)應(yīng)力錐和金屬電極中的曲面及絕緣界面的長(zhǎng)度、絕緣材料的厚度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過應(yīng)力錐和增強(qiáng)絕緣的結(jié)構(gòu)配合來達(dá)到均化電場(chǎng)、降低各部位的電場(chǎng)強(qiáng)度的目的。在設(shè)計(jì)過程中，關(guān)鍵是要考慮幾個(gè)關(guān)鍵界面的軸向場(chǎng)強(qiáng)和合成場(chǎng)強(qiáng)不能超過材料所能承受的最大擊穿場(chǎng)強(qiáng)，且要考慮一定的安全設(shè)計(jì)欲度。本文參考國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)高壓電纜終端的相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)各主要絕緣部件最大場(chǎng)強(qiáng)的要求，作為設(shè)計(jì)電纜終端電氣設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。通常電纜終端的設(shè)計(jì)主要考慮圖1所示的5個(gè)關(guān)鍵部位的合成場(chǎng)強(qiáng)。E1為應(yīng)力錐半導(dǎo)電曲面；E2為金屬電極曲面；E3為應(yīng)力錐和電纜主絕緣的界面最大軸向電場(chǎng)；E4為應(yīng)力錐其錐部最大合成電場(chǎng)；E5為金屬電極上部最大合成場(chǎng)強(qiáng)。高壓GIS電纜終端由恒力彈簧提供應(yīng)力錐推力，使得應(yīng)力錐與環(huán)氧樹脂和電纜本體之間的接觸面界面壓力保證運(yùn)行30年后扔能達(dá)到0.4 Mpa/mm2，使得相應(yīng)的界面能耐受住一定水平的電場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外主流電纜附件廠家的結(jié)構(gòu)分析和考慮材料本身特性和安全欲度等因素，220kV這個(gè)電壓等級(jí)的附件產(chǎn)品，環(huán)氧樹脂材料在工作電壓下允許的最大場(chǎng)強(qiáng)為5kV/mm；三元乙丙橡膠材料為4kV/mm。

圖1GIS終端關(guān)鍵部位場(chǎng)強(qiáng)

2GIS終端的基本參數(shù)設(shè)計(jì)

通常在設(shè)計(jì)電纜附件時(shí)，首先根據(jù)解析法算出電纜附件的基本參數(shù)（應(yīng)力錐電極形狀、長(zhǎng)度和主絕緣厚度）后，再運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化分析。

應(yīng)力錐絕緣厚度計(jì)算公式如下：

（1）

式中，rj應(yīng)力錐絕緣半徑，ri電纜絕緣半徑，En金屬電極的最大場(chǎng)強(qiáng)（此處的En=E5），r1金屬電極外徑。

應(yīng)力錐曲面設(shè)計(jì)計(jì)算可用以下公式進(jìn)行：

（2）

式中，，，f=α-1；εj、εi—分別表示應(yīng)力錐主絕緣和電纜絕緣的相對(duì)介電常數(shù)；x，y為應(yīng)力錐曲面上一點(diǎn)的坐標(biāo)；rc為電纜線芯屏蔽外徑；U為運(yùn)行的相電壓；Et為應(yīng)力錐曲面設(shè)計(jì)的軸向場(chǎng)強(qiáng)（此處Et=E3），一般取值為0.8kV/mm；

當(dāng)y=rj時(shí)，x=Lk，即理論應(yīng)力錐曲面長(zhǎng)度應(yīng)為：

（3）

以目前國(guó)內(nèi)220kV 2500mm2截面的電纜為例，其內(nèi)屏蔽外徑60mm左右，主絕緣外徑120mm左右，相電壓U0=127kV，取金屬電極外徑D=φ160，En=1.2kV/mm，Et=0.8kV/mm，XLPE相對(duì)介電常數(shù)為2.3，三元乙丙橡膠介電常數(shù)為3.5，環(huán)氧樹脂相對(duì)介電常數(shù)為4.0；由公式計(jì)算得出應(yīng)力錐長(zhǎng)度應(yīng)大于100mm，環(huán)氧樹脂絕緣厚度應(yīng)大于70mm，應(yīng)力錐曲面曲率半徑在R50-R120之間。

3采用有限元法優(yōu)化設(shè)計(jì)電纜終端

確立好基本尺寸后，我們首先可以初步設(shè)計(jì)出一個(gè)GIS終端的絕緣結(jié)構(gòu)，應(yīng)力錐起錐角度一般為6°-12°，我們可以取10°，應(yīng)力錐斜面長(zhǎng)度為100mm，絕緣長(zhǎng)度為100，曲率半徑R50，取金屬電極厚度為20mm厚，曲率半徑為R10。并建立模型。如圖2

圖2初步設(shè)計(jì)的GIS終端結(jié)構(gòu)圖

將建立好的模型輸入到有限元計(jì)算軟件ANSYS當(dāng)中計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)如下。

圖3初步設(shè)計(jì)的GIS終端電場(chǎng)分析圖

通過有限元計(jì)算軟件得到的結(jié)構(gòu)看，環(huán)氧所承受的金屬電極最大場(chǎng)強(qiáng)為4.15kV/mm，應(yīng)力錐其錐處最大場(chǎng)強(qiáng)為3.35kV/mm。結(jié)構(gòu)都不是很理想，所以要通過增加曲面的曲率半徑、減小應(yīng)利錐起錐角的角度、增加應(yīng)力錐錐面長(zhǎng)度等一系列調(diào)整來降低GIS終端各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度。每次調(diào)整都會(huì)建立新的模型并輸入到ANSYS軟件進(jìn)行模擬分析計(jì)算。最終得到合理結(jié)構(gòu)，如圖4、圖5、表1。

圖4最終設(shè)計(jì)GIS終端結(jié)構(gòu)

圖5最終設(shè)計(jì)GIS終端電場(chǎng)分析

表1GIS終端模型的5個(gè)關(guān)鍵部位場(chǎng)強(qiáng)（kV/mm）

序號(hào) E1 E2 E3 E4 E5

電場(chǎng)強(qiáng)度 2.51 1.82 0.72 2.32 1.51

通過有限元計(jì)算軟件ANSYS的分析，我們更好的控制關(guān)鍵部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，得到了想要的合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得高壓電纜附件在運(yùn)行中更安全穩(wěn)定的發(fā)揮作用。

本文此次優(yōu)化的只是電纜與應(yīng)力錐及環(huán)氧樹脂配合界面的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，而GIS終端上部金具部位的電場(chǎng)強(qiáng)度也是在設(shè)計(jì)電纜終端時(shí)所要考慮的。雖然SF6絕緣氣體具有良好的絕緣和滅弧作用，但是上部金屬部件場(chǎng)強(qiáng)過高也會(huì)造成對(duì)SF6氣體的擊穿甚至造成短路。所以上部金屬部件也應(yīng)達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)來使得此處的電場(chǎng)強(qiáng)度合理。一般上端金屬部件采用屏蔽罩來降低電場(chǎng)強(qiáng)度。

4結(jié)論

4.1在電纜終端的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，主要針對(duì)金屬電極端部的最大場(chǎng)強(qiáng)E2和應(yīng)力錐其錐處的最大合成場(chǎng)強(qiáng)E4進(jìn)行優(yōu)化。電纜終端所控制的電場(chǎng)區(qū)域與電纜接頭有所不同，電纜接頭主要控制場(chǎng)強(qiáng)為中央電極平坦處和中央電極端部，通過控制絕緣材料的厚度，和曲面的曲率半徑達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而電纜終端一般通過控制界面的絕緣長(zhǎng)度、金屬電極的端部曲率半徑以及應(yīng)力錐其錐角度、曲率半徑等因素來達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雖然兩者有細(xì)微的差別，不過都可以相互借鑒。

4.2有了有限元計(jì)算軟件ANSYS的幫助，使得我們可以準(zhǔn)確的模擬出電纜附件在相應(yīng)工作或者試驗(yàn)電壓下各部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，更好的控制關(guān)鍵部位的電場(chǎng)，使我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中減小很多公式的計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)的判斷的工作量。有助于我們對(duì)電纜附件產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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