趙海軍， 周長城

（沈陽古河電纜有限公司，遼寧 沈陽110115）

0 引 言

交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜從20世紀(jì)60年代開始被應(yīng)用至今［1］，以其優(yōu)異的性能被廣泛用于輸電線路，然而電纜制作長度一般在1 000 m以下，需要電纜接頭連接兩段電纜。電纜接頭是電纜系統(tǒng)的重要組成部分，其絕緣空間小，承受電場強(qiáng)度大，制造工藝復(fù)雜，事故發(fā)生率高［2］。

目前，國內(nèi)文章報(bào)道多集中在：電纜接頭故障原因分析［3］，接頭故障后修復(fù)方案研究［4-5］，接頭電場、界面壓力、各種缺陷的仿真分析［6-8］，接頭出廠電氣試驗(yàn)方法［9］等。對于整體預(yù)制接頭電性能設(shè)計(jì)理論介紹較少，本工作對影響整體預(yù)制接頭電場分布的關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)和消除材料老化、溫度影響的電壓設(shè)計(jì)分別進(jìn)行理論闡述。

1 整體預(yù)制接頭結(jié)構(gòu)

目前，電纜接頭主要有組合預(yù)制接頭和整體預(yù)制接頭2種，組合預(yù)制接頭在工廠環(huán)境下成型多個(gè)預(yù)制部件，現(xiàn)場組合安裝相對繁瑣，絕緣界面多；整體預(yù)制接頭在工廠環(huán)境下整體成型，現(xiàn)場安裝過程相對容易，絕緣界面少，便于質(zhì)量控制，實(shí)際工程應(yīng)用較多［10-12］。

整體預(yù)制接頭結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 整體預(yù)制接頭結(jié)構(gòu)

由圖1可知：整體預(yù)制接頭由四部分組成。內(nèi)部電極由半導(dǎo)電橡膠材料制造而成，起屏蔽兩端電纜導(dǎo)體連接部的作用；應(yīng)力錐由半導(dǎo)電橡膠材料制造而成，通過增大等效半徑緩和電纜外屏蔽末端處電場；絕緣層由絕緣橡膠制造而成，起增強(qiáng)絕緣的作用；外導(dǎo)電層由半導(dǎo)電橡膠制造而成，是絕緣層外部的屏蔽層。這四部分在工廠凈化車間內(nèi)整體成型。

2 整體預(yù)制接頭電場設(shè)計(jì)

2.1 影響電場分布的關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

整體預(yù)制接頭電場設(shè)計(jì)時(shí)，考察了4個(gè)部位的電場：內(nèi)部電極正上方電場（E1）、內(nèi)部電極前端電場（E2）、接頭與電纜絕緣界面電場（E3）和應(yīng)力錐起錐點(diǎn)電場（E4），整體預(yù)制結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位電場強(qiáng)度見圖2。在接頭結(jié)構(gòu)中影響電場強(qiáng)度和分布的3個(gè)關(guān)鍵部位：絕緣厚度、內(nèi)部電極、接頭／電纜絕緣界面。

圖2 整體預(yù)制結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位電場強(qiáng)度

（1）絕緣厚度

接頭的絕緣厚度直接影響E1的大小。由于內(nèi)部電極的平坦部的截面是圓柱形，因此，可以根據(jù)單芯電纜絕緣層中的電場分布確定所需的絕緣厚度。

式中：t為絕緣厚度（mm）；E為橡膠材料擊穿試驗(yàn)獲得的擊穿電場強(qiáng)度（kV／mm）；U為接頭設(shè)計(jì)目標(biāo)電壓（kV）；Do為接頭外徑（mm）；do為內(nèi)部電極外徑（mm）。

（2）內(nèi)部電極

內(nèi)部電極前端圓弧直接影響E2的大小，其曲率半徑增大，會使E2降低，這樣會使內(nèi)部電極厚度增大，直接導(dǎo)致接頭外徑變大。在不增加內(nèi)部電極厚度的情況下，將內(nèi)部電極前端圓弧設(shè)計(jì)成由2個(gè)或2個(gè)以上曲率半徑組合的形狀，可以使E2降低。

內(nèi)部電極長度設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮3個(gè)方面：導(dǎo)體連接部的屏蔽效果、電纜導(dǎo)體壓接伸長量和導(dǎo)體露出長度。為了保證屏蔽效果，內(nèi)部電極與電纜絕緣搭接長度不小于30 mm。

（3）接頭／電纜絕緣界面

界面電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在應(yīng)力錐起錐點(diǎn)附近。通過增大應(yīng)力錐曲率部位的長度L1可以使界面長度增大，降低界面部位電場E3，但將導(dǎo)致橡膠體長度增大。通過增大內(nèi)部電極的內(nèi)徑d i，可以降低界面部位電場，但是在不改變接頭外徑的情況下會導(dǎo)致E1和E2增大。

界面電場強(qiáng)度與界面壓力有關(guān)，界面壓力設(shè)計(jì)過小，會造成界面的沿面放電［13］，界面壓力增大到一定程度后，界面電場強(qiáng)度接近絕緣橡膠電場強(qiáng)度［14］。

登高遠(yuǎn)眺，心中涌起一種難以形容的感覺，豪邁而暢快，心中又有一種在大自然面前的敬畏之感。我問正在最高的山石上做展翅狀的朋友：“什么感覺？”我原本以為，他一定會說“會當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小”之類的感受，沒想到他很慎重地吐出了三個(gè)字：“渺小感！”

因此，整體預(yù)制接頭電場分布設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)整體優(yōu)化以上關(guān)鍵部位的尺寸和形狀，保證電場分布均勻。

2.2 優(yōu)化后電場分布

在220 kV整體預(yù)制接頭關(guān)鍵部位尺寸和形狀確定后，用有限元分析軟件進(jìn)行電場分析并優(yōu)化。優(yōu)化后的等位線和電場分布云圖見圖3，在運(yùn)行電壓127 kV下各關(guān)鍵部位電場數(shù)值見圖4。

圖3 整體預(yù)制接頭電場分析結(jié)果

圖4 關(guān)鍵部位電場數(shù)值

由圖4（a）可以看出：內(nèi)部電極直線段電場E1分布均勻，在與圓弧接近位置電場均勻上升，最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在內(nèi)部電極前端，E2＝4.73 kV／mm；由圖4（b）可以看出：界面最大電場強(qiáng)度在應(yīng)力錐附近，E3＝4 kV／mm；由圖4（c）可以看出：應(yīng)力錐起到了緩和電纜外屏蔽末端處電場的作用。

3 電壓設(shè)計(jì)

由于整體預(yù)制接頭主要原材料是橡膠，在接頭壽命30 a內(nèi)橡膠材料的電氣和機(jī)械性能會下降，因

此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮材料老化的影響。電纜運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體溫度為90℃，接頭運(yùn)行時(shí)受導(dǎo)體溫度和外部環(huán)境溫度影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮溫度的影響。

對材料老化和溫度的影響進(jìn)行精確設(shè)計(jì)的難度比較大，接頭設(shè)計(jì)時(shí)可以通過提高耐受電壓以降低材料老化和溫度對接頭運(yùn)行的影響。

接頭耐受電壓試驗(yàn)包括雷電沖擊耐壓試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)在國標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)電壓的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的系數(shù)，具體如下：

（1）雷電沖擊耐受電壓

式中：UIMP為設(shè)計(jì)雷電沖擊耐受電壓（kV）；LIWV為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雷電沖擊試驗(yàn)電壓（kV）；k1為老化系數(shù)，通常取1.1；k2為溫度系數(shù)，通常取1.2；k3為裕度，通常取1.1。

（2）交流耐受電壓

式中：UAC為設(shè)計(jì)交流耐受電壓（kV）；Um為運(yùn)行時(shí)設(shè)備最高電壓（kV）；為老化系數(shù)；為溫度系數(shù)，通常取1.2；為裕度，通常取1.1。

其中老化系數(shù)根據(jù)材料的V－t特性曲線計(jì)算：

式中：n為壽命指數(shù)，對于橡膠材料，n通常取15以上。

4 結(jié) 論

整體預(yù)制接頭電性能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下兩個(gè)方面：

（1）根據(jù)整體預(yù)制接頭的結(jié)構(gòu)明確關(guān)鍵部位對電場分布的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)整體優(yōu)化關(guān)鍵部位的尺寸和形狀，保證電場分布均勻。利用有限元分析軟件對220 kV整體預(yù)制接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）設(shè)計(jì)過程中可適當(dāng)提高接頭耐受電壓以消除材料老化和溫度對接頭運(yùn)行的影響。