柳 松， 彭嘉康， 陳守直， 王 霞， 鄭海良， 崔 浩

(1.上海捷錦電力新材料有限公司，上海201200;2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049;3.上海市電力公司奉賢供電公司，上海201200)

0 引言

電纜附件在電力輸電線路中扮演著銜接、過(guò)渡等重要角色，是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行不可或缺的重要組成部分。在電力線路中，對(duì)電纜附件的要求首先是產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理;其次是現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝正確、嚴(yán)謹(jǐn)，安裝的環(huán)境條件(濕度等)符合要求。但是電纜附件內(nèi)部因存在復(fù)合界面和電場(chǎng)應(yīng)力集中現(xiàn)象［1，2］，成為高壓電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)和運(yùn)行故障的典型部位。對(duì)國(guó)內(nèi)近十年電纜本體、附件故障的統(tǒng)計(jì)表明，電纜接頭故障率占了31%，而接頭故障中97%源自界面放電［3］。

已有研究表明:電纜附件與電纜主絕緣結(jié)合界面壓強(qiáng)(即“握緊力”)在0.1～0.25 MPa范圍時(shí)，能夠滿足電氣強(qiáng)度要求，且不會(huì)造成安裝困難或電纜絕緣損壞［4］。握緊力的實(shí)現(xiàn)通過(guò)附件與電纜過(guò)盈配合，依賴附件絕緣高彈性來(lái)實(shí)現(xiàn)［5］。而電纜在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于導(dǎo)電線芯發(fā)熱導(dǎo)致電纜及附件絕緣溫度升高，而溫度升高必然引起電纜及附件絕緣材料彈性模量的變化。已有研究表明，界面擊穿強(qiáng)度與界面壓力成正比，與絕緣溫升成反比［6］。對(duì)于溫度升高界面擊穿強(qiáng)度降低的原因，報(bào)道中歸結(jié)于高溫引起絕緣料體內(nèi)缺陷的增加，而高溫對(duì)電纜及附件界面壓力的影響未見(jiàn)報(bào)道。

通常測(cè)定橡膠件與電纜界面實(shí)際壓力非常復(fù)雜，給設(shè)計(jì)橡膠件的結(jié)構(gòu)及判斷其老化情況帶來(lái)諸多困難。有學(xué)者用鋁管代替電纜，內(nèi)置電阻應(yīng)變器測(cè)量鋁管外與橡膠件界面壓力［7］。但與實(shí)際電纜接頭形式不符，缺乏參照性。也有學(xué)者采用在電纜附件中預(yù)埋壓力傳感器的方法，對(duì)界面壓力和界面所能承受最大電應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究［8］。但針對(duì)附件實(shí)際安裝和運(yùn)行情況，界面壓力直接測(cè)量存在一定的困難:如傳感器的植入、傳感器對(duì)界面的損傷等等。另外，電纜溫升對(duì)傳感器靈敏度和線性度的影響，將直接測(cè)量結(jié)果的可靠性。

因此，本文通過(guò)實(shí)際測(cè)量電纜絕緣交聯(lián)聚乙烯(XLPE)及附件硅橡膠(SR)料在不同溫度下的彈性模量值，基于塑性力學(xué)理論，利用已有的10 kV電纜接頭三維仿真模型［9］，分析了溫度變化對(duì)電纜接頭界面壓力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試樣制備

XLPE及其半導(dǎo)電粒料由上海某絕緣材料廠提供，在170℃的平板硫化機(jī)熱壓硫化制成片狀試樣，尺寸為100×100×2(mm3)。SR料選用液體SR，在170℃的平板硫化機(jī)熱壓硫化制成SR片狀試樣，尺寸為100×100×2(mm3)。在進(jìn)行測(cè)量前，XLPE試樣置于120℃真空烘箱內(nèi)熱處理8 h，SR試樣置于200℃真空烘箱內(nèi)熱處理4 h，以除去試樣在交聯(lián)過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)物。

1.2 彈性模量測(cè)量

當(dāng)電纜附件用SR材料與電纜主絕緣過(guò)盈配合時(shí)，SR的形變與產(chǎn)生的應(yīng)力不僅僅包括因SR撐開(kāi)拉伸過(guò)程產(chǎn)生的沿附件截面的切向內(nèi)應(yīng)力，也包括SR徑向壓縮產(chǎn)生的徑向壓縮力。一般來(lái)講，對(duì)于各相同性絕緣材料，可視為理想彈塑性體，其拉伸與壓縮模量近似相同。因此，對(duì)于SR材料及XLPE彈性模量的測(cè)量，本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，采用CMT系列微機(jī)控制電子萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)，將厚度為2 mm的XLPE、半導(dǎo)電料及SR試片切成試樣原始標(biāo)距為2 mm的標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定XLPE及SR在不同溫度(20～70℃)下彈性形變范圍內(nèi)的彈性模量值，拉伸速率100 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果取三個(gè)試樣的平均值。

1.3 面壓仿真計(jì)算

已知SR材料的泊松比約為0.5，因此在ANSYS仿真過(guò)程忽略SR絕緣在撐開(kāi)過(guò)程中體積的變化。根據(jù)不同溫度下彈性模量測(cè)量結(jié)果，利用ANSYS有限元軟件對(duì)電纜和附件結(jié)構(gòu)三維建模，進(jìn)行面壓仿真，探討溫度變化對(duì)電纜接頭界面壓力的影響。

2 電纜接頭的三維建模

2.1 彈性模量測(cè)量結(jié)果

表1所示為XLPE及SR試片在不同溫度下的彈性模量值。由表1可見(jiàn)，XLPE絕緣的彈性模量值隨著溫度升高大幅度下降。而SR的彈性模量隨著溫度的升高基本不變，可視為恒定值1.30 MPa。這也表明SR材料有優(yōu)良的耐高低溫特性。

表1 XLPE及SR的彈性模量

2.2 實(shí)際電纜接頭模型

實(shí)際運(yùn)行中電纜接頭與電纜的連接方式見(jiàn)圖1。為保證一定的面壓，電纜附件以一定的過(guò)盈量與電纜套接。本文對(duì)電纜附件界面壓力的仿真與計(jì)算對(duì)象選取SR與XLPE接觸處的夾層介質(zhì)，如圖1中虛線框所示。

圖1 電纜接頭模型示意圖

2.3 電纜接頭三維模型的建立

根據(jù)電纜及附件用絕緣材料彈性模量的測(cè)量結(jié)果(見(jiàn)表1)，利用ANSYS軟件進(jìn)行電纜接頭三維結(jié)構(gòu)建模。因電纜與電纜附件的軸對(duì)稱性，選用solid186單元建立1/4三維實(shí)體模型，見(jiàn)圖2。

圖2 電纜接頭三維實(shí)體模型

2.4 高溫下電纜XLPE絕緣形變分析

分別代入表1中 XLPE在常溫20℃及高溫70℃下的彈性模量值，假定電纜線芯(銅/鋁)為剛體。以10 kV交流XLPE電纜為例，選取電纜導(dǎo)體截面400 mm2，絕緣厚度4.5 mm，附件主絕緣厚度10 mm。忽略XLPE受熱膨脹效應(yīng)，當(dāng)電纜XLPE絕緣周側(cè)施加0.25 MPa壓力時(shí)，XLPE絕緣常溫20℃及高溫70℃下的壓縮形變量如圖3和圖4所示。

圖3 常溫下(20℃)XLPE在0.25MPa壓力下的形變

圖4 高溫下(70℃)XLPE在0.25MPa壓力下的形變

從圖3和4可以看出，XLPE在0.25 MPa壓力作用下發(fā)生一定的壓縮形變，常溫變形量為1.336 μm，高溫變形量為6.68 μm。相對(duì)于電纜絕緣厚度4.5 mm來(lái)說(shuō)，常溫和高溫形變率約為0.03%和0.15%。因此溫度升高導(dǎo)致電纜XLPE絕緣彈性模量變化引起的壓縮形變可以忽略。

2.5 電纜接頭套裝后界面壓力的變化

由表1中彈性模量測(cè)量結(jié)果可知，附件絕緣SR的彈性模量隨溫度升高基本不變。而前述分析表明，雖電纜XLPE的彈性模量隨溫度升高降低很多，但其彈性模量的降低對(duì)界面在恒定壓力下的形變量影響甚微。為更精確地計(jì)算高溫下附件套裝后界面壓力與彈性模量的關(guān)系，借助 ANSYS軟件建立10 kV電纜和附件套裝三維模型［9］(電纜導(dǎo)體截面400 mm2，絕緣厚度 4.5 mm，附件主絕緣厚度10 mm，半徑過(guò)盈量為4.65 mm)，進(jìn)行高溫條件下電纜和附件過(guò)盈套裝的界面壓力仿真，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 常溫下(20℃)過(guò)盈套裝界面壓力分析

圖6 高溫下(70℃)過(guò)盈套裝界面壓力分析

從圖5和圖6可以看出，常溫下界面壓力為0.25479 MPa，高溫下界面壓力為0.254619 MPa，兩者界面壓力相差甚微。由此可見(jiàn)溫度升高導(dǎo)致電纜絕緣彈性模量變化對(duì)界面界面壓力的影響可以忽略。

3 ANSYS仿真正確性的驗(yàn)證

根據(jù)應(yīng)用彈塑性力學(xué)［10］，將電纜附件視為厚壁圓筒。計(jì)算圓筒的套裝及套裝壓力公式為:

式中:p為界面壓力(Pa);σ為過(guò)盈量(m);a、b、c為圓筒套裝的結(jié)構(gòu)尺寸(m)，分別對(duì)應(yīng)于電纜XLPE絕緣內(nèi)徑，電纜XLPE絕緣外徑和安裝后的附件SR絕緣外徑;E1為內(nèi)筒(XLPE)彈性模量(Pa)，E2為外筒(SR)彈性模量(Pa)。

由常溫下計(jì)算結(jié)果，確定電纜附件的結(jié)構(gòu)尺寸，即確定了圓筒套裝的結(jié)構(gòu)尺寸，即a、b、c及σ均已確定，可見(jiàn)，界面壓力由內(nèi)外筒的彈性模量得出。將式(1)簡(jiǎn)化為:

當(dāng)E1E2時(shí)，界面壓力p主要取決于E2，而E1的影響微乎其微。此公式表明:在高溫條件下，只要E1E2，則過(guò)盈套裝的界面壓力取決于E2的變化。由彈性模量測(cè)量結(jié)果可知，雖XLPE的彈性模量E1隨溫度升高大幅度下降，但在高溫70℃時(shí)彈性模量值仍遠(yuǎn)大于SR彈性模量E2，因此界面壓力值取決于SR彈性模量E2。由于E2隨溫度基本不變，因此溫度變化對(duì)界面壓力的影響可以忽略。

根據(jù)前述仿真用電纜及接頭參數(shù)(參見(jiàn)2.5節(jié))，由式(2)求得室溫下界面壓力 p=0.254782 MPa。與圖5中ANSYS仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了ANSYS有限元軟件仿真的正確性。

4 結(jié)論

本文基于塑性力學(xué)理論，利用ANSYS軟件建立10 kV電纜接頭三維仿真模型，分析了溫度變化對(duì)電纜接頭界面壓力的影響，得到如下結(jié)論:

(1)電纜XLPE絕緣的彈性模量值隨著溫度升高大幅度下降。附件絕緣SR的彈性模量隨著溫度的升高基本保持不變。

(2)溫度升高導(dǎo)致電纜XLPE絕緣彈性模量變化引起的壓縮形變可以忽略。

(3)當(dāng)電纜XLPE絕緣彈性模量遠(yuǎn)大于接頭SR絕緣彈性模量時(shí)，溫度升高導(dǎo)致電纜絕緣彈性模量變化對(duì)界面壓力的影響可以忽略。

［1］Kwang S S，Jin H N，Ji H K，et al.Interfacial properties of XLPE/EPDM laminates［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2000，7(2):216-221.

［2］Tanaka T，Ito T，Tanaka Y，et al.Carrier jumping over a patenting barrier at the interface of LDPE laminated dielectrics［C］//Conference Record of IEEE International Symposium on Electrical Insulation，Anaheim CA，USA，2000:40-43.

［3］戴征宇，姜 蕓，羅俊華.預(yù)制型電纜附件沿面放電試驗(yàn)研究［J］.高電壓技術(shù)，2002，28(9):7-8.

［4］王佩龍.高壓電纜附件的電場(chǎng)及界面壓力設(shè)計(jì)［J］.電線電纜，2011(5):1-4.

［5］巫松楨，謝大榮，陳壽田，等.電氣絕緣材料科學(xué)與工程［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1996.

［6］Normand A，Daniel F.Influence of thermal cycling on the cable joint interfacial pressure［C］//The 7th International Conference on Solid Dielectrics，Eindhoven，Netherlands，2001:35-38.

［7］張東升，韓永勝，劉紅欣，等.高壓電纜接頭界面壓力測(cè)試研究［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(1):173-176.

［8］Yoshida S，Tan M，Yagi S，et al.Development of prefabricated type joint for 275 kV XLPE cable［C］//IEEE International Symposium on Electrical Insulation Toronto，Canada:1990:291-295.

［9］柳 松，彭嘉康，陳守直，等.高壓電纜接頭過(guò)盈量與面壓關(guān)系的仿真研究［J］.電線電纜，2013(1):38-40.

［10］徐秉業(yè)，劉信聲.應(yīng)用彈塑性理學(xué)［M］.清華大學(xué)出版社.1995.