王佩龍，王錦明，李智文，羅繼輝，徐明良

（長園電力技術(shù)有限公司，廣東珠海519085）

電纜附件非線性擴(kuò)張變形及其對(duì)策

王佩龍，王錦明，李智文，羅繼輝，徐明良

（長園電力技術(shù)有限公司，廣東珠海519085）

電纜附件的橡膠部件擴(kuò)張時(shí)會(huì)發(fā)生非線性變形，導(dǎo)致絕緣厚度減薄、長度變短，使應(yīng)力錐和高壓屏蔽管的局部形狀發(fā)生變化。在500 kV超大截面電纜附件設(shè)計(jì)中，非線性擴(kuò)張變形是一個(gè)不容忽略的重要因素。概述在設(shè)計(jì)國產(chǎn)500 kV、3 500 mm2XLPE絕緣電纜用電纜附件時(shí)，對(duì)橡膠件的非線性擴(kuò)張變形影響分析和處置方法。

交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜附件；橡膠預(yù)制件；擴(kuò)張；非線性變形

0 引 言

電纜附件用的橡膠部件，例如中間接頭、終端應(yīng)力錐等，是軸對(duì)稱幾何形狀的彈性體，擴(kuò)張時(shí)會(huì)發(fā)生非線性變形。

電纜附件橡膠件擴(kuò)張引發(fā)的非線性變形是電纜附件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素之一。在110 kV及以下電壓等級(jí)的電纜附件設(shè)計(jì)時(shí)，由于產(chǎn)品的絕緣裕度較大，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序，通常忽略一些影響電場(chǎng)變化的次要因素。然而，對(duì)500 kV交聯(lián)電纜附件，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)已接近極限，電氣的安全裕度很?。?］，必須盡可能地把各種影響產(chǎn)品性能的因素都考慮進(jìn)去，求取最佳的設(shè)計(jì)。本文將概述在設(shè)計(jì)國產(chǎn)500 kV、3 500 mm2XLPE絕緣電纜用電纜附件時(shí)，橡膠件的非線性擴(kuò)張變形的影響和處置方法。

1 電纜附件橡膠件擴(kuò)張引發(fā)的非線性變形

為了檢驗(yàn)電纜附件的橡膠件擴(kuò)張引起的非線性變形情況，將一個(gè)110 kV、1 000 mm2中間接頭，安裝在相同規(guī)格的電纜絕緣上進(jìn)行擴(kuò)張。徑向切開后，在橫截面上測(cè)量各主要部件的徑向尺寸（直徑），觀察擴(kuò)張前、后各徑向尺寸的變化，如圖1和表1所示。圖1中，d為接頭內(nèi)徑；D1為高壓屏蔽的外徑；D2為接頭絕緣外徑；T1、T2為接頭體的絕緣厚度。

圖1 110 kV、1 000 mm2接頭橡膠體

表1 110 kV、1 000 mm2預(yù)制式接頭擴(kuò)張前后徑向尺寸比較 （單位：mm）

表1為對(duì)圖1接頭橡膠體在擴(kuò)張前、后各部件徑向尺寸變化的測(cè)量。不難看出橡膠接頭體擴(kuò)張后，絕緣層從內(nèi)側(cè)到外側(cè)的擴(kuò)張變形量的非線性降低，絕緣層厚度減薄。由此可以推斷：應(yīng)力錐角度和形狀，高壓屏蔽厚度和端部形狀均會(huì)有不同程度的改變。

軸對(duì)稱幾何形狀的彈性體的擴(kuò)張形變，可以通過彈性力學(xué)原理進(jìn)行分析、計(jì)算。文獻(xiàn)［2］用極坐標(biāo)對(duì)厚壁圓筒模型的擴(kuò)張形變進(jìn)行分析，得出了基本方程及相應(yīng)的邊界條件如下。

平衡方程：

幾何方程：

本構(gòu)方程：

式中：E為彈性模量；γ為泊松比；σr為徑向應(yīng)力；σθ為切向應(yīng)力；σz為軸向應(yīng)力；εr為徑向應(yīng)變；εθ為切向應(yīng)變；εz為軸向應(yīng)變；μ為位移。

邊界條件為：

對(duì)上述方程組的計(jì)算，可以根據(jù)擴(kuò)張前的半徑計(jì)算出擴(kuò)張后的半徑，也可以根據(jù)擴(kuò)張后的半徑，計(jì)算得到擴(kuò)張前的半徑。

用上述方程組進(jìn)行變形計(jì)算比較復(fù)雜，如果忽略橡膠體擴(kuò)張引起的軸向收縮變形，在實(shí)際電纜附件設(shè)計(jì)時(shí)，也可以采用式（5）進(jìn)行近似計(jì)算。

式中：D為橡膠體擴(kuò)張前外徑；D1為橡膠體擴(kuò)張后外徑；d為橡膠體擴(kuò)張前內(nèi)徑；d1為橡膠體擴(kuò)張后內(nèi)徑。

式（5）的計(jì)算結(jié)果比實(shí)際值略小，因?yàn)橄鹉z體的軸向收縮會(huì)使它的徑向厚度略有增加。式（5）的計(jì)算結(jié)果，與表1的實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。說明所采用的計(jì)算方法是正確的，可以用于電纜附件的設(shè)計(jì)。

2 橡膠件擴(kuò)張變形對(duì)電纜附件性能的影響

橡膠件的非線性變形至少在下列兩方面影響電纜附件的電氣性能。

2.1 對(duì)電氣性能的影響

500 kV、3 500 mm2接頭設(shè)計(jì)是在橡膠體擴(kuò)張到電纜絕緣上的實(shí)際工作狀態(tài)下進(jìn)行仿真計(jì)算的。通過對(duì)絕緣厚度、電極形狀及位置的調(diào)整，使接頭絕緣內(nèi)部各關(guān)鍵部位的場(chǎng)強(qiáng)得到合理的控制，讓電場(chǎng)分布處于良好狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 500 kV、3 500 mm2接頭等電位線的分布及其關(guān)鍵部位的場(chǎng)強(qiáng)分布

如果不考慮橡膠體的非線性變形，簡(jiǎn)單地將上述工作狀態(tài)的絕緣厚度、電極形狀及其布置作為加工尺寸，這樣生產(chǎn)出來的橡膠件再次擴(kuò)張到電纜絕緣上，電場(chǎng)分布狀況會(huì)發(fā)生明顯的變化。計(jì)算結(jié)果表明，高壓屏蔽電極端部的最大電場(chǎng)由7.01 kV/mm增加到9.86 kV/mm，提高了40%；高壓屏蔽電極的中間部位由5.30 kV/mm增加到5.75 kV/mm，提高了8%；應(yīng)力錐端部的最大電場(chǎng)由2.13 kV/mm增加到2.55 kV/mm，提高了近20%；在電纜絕緣界面上，近高壓屏蔽電極端部處的電場(chǎng)，由2.5 kV/mm增加到2.63 kV/mm，提高了5.2%。

上述計(jì)算結(jié)果表明，忽略非線性變形后，對(duì)接頭內(nèi)部的電場(chǎng)有明顯的影響，尤其是在高壓屏蔽電極端部和應(yīng)力錐端部等電極形狀變形較大的部位，電場(chǎng)變化也較大。

2.2 界面壓力發(fā)生變化

電纜附件橡膠件擴(kuò)張的非線性變形會(huì)使界面壓力發(fā)生變化，造成界面電氣強(qiáng)度降低。這一點(diǎn)在GIS終端的環(huán)氧樹脂套管內(nèi)壁與橡膠應(yīng)力錐的接觸界面（見圖3）尤為敏感。

圖3 GIS終端界面壓力分析示意圖

在圖3的界面設(shè)計(jì)中，按設(shè)計(jì)的要求應(yīng)該將橡膠應(yīng)力錐的外錐面與環(huán)氧套管內(nèi)錐面完全貼合（角度一樣），以保證全部界面上的電氣強(qiáng)度等強(qiáng)。然而，應(yīng)力錐擴(kuò)張的非線性變形后，使應(yīng)力錐的角度變小，即應(yīng)力錐靠近前端的變形量大于后端的變形量。在彈簧壓力P的作用下，前端界面壓力增大，后端壓力減小。盡管這兩端的界面壓力的差異不大，但對(duì)界面電氣強(qiáng)度的影響還是不容忽視的。特別是在界面壓力較低的情況下，界面電氣強(qiáng)度受界面壓力的影響十分敏感。例如，硬度為A30～A40的硅橡膠，界面壓力從0 MPa到0.1 MPa變化時(shí)，界面工頻擊穿強(qiáng)度相差4倍［3］。

3 考慮橡膠件擴(kuò)張變形的500 kV電纜附件設(shè)計(jì)

上述計(jì)算分析表明，對(duì)于超高壓、大截面電纜附件的設(shè)計(jì)，忽略橡膠件非線性擴(kuò)張變形是不合適的。500 kV電纜附件的電性能設(shè)計(jì)必須考慮橡膠件擴(kuò)張前后電極形狀、位置和絕緣厚度非線性變化的因素。

以500 kV、3 500 mm2中間接頭橡膠體的設(shè)計(jì)為例，正確的設(shè)計(jì)程序應(yīng)該首先按附件的實(shí)際工況（即附件已正確地安裝在電纜絕緣上）進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)，確定電極形狀、位置及絕緣厚度等結(jié)構(gòu)尺寸；然后，再從實(shí)際工況下的設(shè)計(jì)推算到橡膠件在松弛狀態(tài)下（安裝前）的結(jié)構(gòu)尺寸，作為工廠加工尺寸。圖4為設(shè)計(jì)程序的框圖。

圖4 500 kV、3 500 mm2的中間接頭橡膠體設(shè)計(jì)程序

4 結(jié)束語

電纜附件用的橡膠部件是軸對(duì)稱幾何形狀的彈性體，擴(kuò)張時(shí)的非線性變形會(huì)改變絕緣厚度和電極形狀，從而影響電氣強(qiáng)度。

對(duì)于500 kV超高壓電纜附件的設(shè)計(jì)，可以先按照實(shí)際運(yùn)行時(shí)的擴(kuò)張狀態(tài)進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)，然后通過計(jì)算，取得橡膠件在安裝前的松弛狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)尺寸，作為加工尺寸。這樣可以確保附件在擴(kuò)張安裝后的形狀處于最佳電氣狀態(tài)。

［1］ 鐘海杰，王錦明，王佩龍，等.500 kV交聯(lián)聚乙烯電纜及附件的試制［C］∥2015年全國輸配電技術(shù)協(xié)作網(wǎng)會(huì)議，北京. 2015.

［2］ 王霞，柳松，吳鍇，等.一種新型高壓電纜附件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，47（12）：102-109.

［3］ 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.

Nonlinear Elastic Deformation of Cable Accessories during Expansion and Their Solutions

WANG Pei-long，WANG Jin-ming，LIZhi-wen，LUO Ji-hui，XU Ming-liang
（Chang Yuan Group Electric Co.，Ltd.，Zhuhai519085，China）

Nonlinear deformation will occurs，resulting in thinning of insulation thickness，shortening of the length，shape of stress cone and HV shield tube is changed when the rubber componentof cable accessory expansion.For the large cross-section 500 kV cable accessories design，the nonlinear deformation expansion is an important factor and cannot be ignored.This paper presents the nonlinear elastic deformation of cable accessories during expansion and their solutions during the design of 500 kV 3 500 mm2cable accessories

XLPE cable accessory；pre-molded rubber part；expansion；nonlinear elastic deformation

TM203

：A

：1672-6901（2016）06-0001-03

2016-08-28

王佩龍（1940-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師.

作者地址：廣東珠海市金峰北路89號(hào)［519085］.