高壓電纜附件的電場(chǎng)及界面壓力設(shè)計(jì)

王佩龍

(泰科電子有限公司，上海200233)

0 引言

高壓電纜及其附件的故障可能源自設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、使用不當(dāng)(包括外力破壞)等多方面的原因，但是產(chǎn)品設(shè)計(jì)是最基本環(huán)節(jié)。嚴(yán)格地講，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能將生產(chǎn)、安裝和使用中可能發(fā)生的問(wèn)題降低到最小。

當(dāng)今，國(guó)內(nèi)外超高壓交聯(lián)電纜基本上是采用預(yù)模型橡膠應(yīng)力錐電纜附件，它們的結(jié)構(gòu)大同小異，十分相似［1］。隨著橡膠加工設(shè)備和工藝的日趨成熟和材料供應(yīng)的專(zhuān)業(yè)化，模仿制作一些電纜附件并不十分困難。但是，一個(gè)沒(méi)有經(jīng)過(guò)周密、精確設(shè)計(jì)的高壓電纜附件，即使能通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式試驗(yàn)，還是一個(gè)含有隱患的產(chǎn)品:表現(xiàn)在絕緣裕度不高，壽命不長(zhǎng)，同一品種的各種規(guī)格產(chǎn)品的絕緣水平不一致，或者各批次產(chǎn)品質(zhì)量不一致等。周密、精確的設(shè)計(jì)是保證高壓電纜附件性能的基本環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)單的模仿不是開(kāi)發(fā)高壓交聯(lián)電纜附件的正確途徑。

高壓交聯(lián)電纜附件的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)涉及電氣、機(jī)械和熱力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程。簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式不足以滿(mǎn)足現(xiàn)代高壓交聯(lián)電纜附件的設(shè)計(jì)要求，必須用計(jì)算機(jī)軟件輔以必要的模擬試驗(yàn)才能完成優(yōu)化和系列化的高壓電纜附件的設(shè)計(jì)。

本文論述了電場(chǎng)控制和界面的壓力設(shè)計(jì)的基本理念、計(jì)算方法和結(jié)果處理。筆者已經(jīng)用這些方法成功地開(kāi)發(fā)出110～220 kV成套電纜附件［2］。

1 關(guān)于電場(chǎng)調(diào)整

電纜附件內(nèi)外的電場(chǎng)分布是通過(guò)調(diào)節(jié)電極形狀和電極間相互位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。需多次計(jì)算、驗(yàn)證和比較，不斷優(yōu)化才能完成一個(gè)好的電場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)。

電極形狀的設(shè)計(jì)主要是應(yīng)力錐曲線(xiàn)的確定。目前國(guó)內(nèi)一些制造廠(chǎng)商是參照文獻(xiàn)［3］、［4］推薦的方法計(jì)算的。這一方法的基本原則是控制沿電纜絕緣與橡膠應(yīng)力錐的交界面上的切向電場(chǎng)Et，使它盡可能地均勻，并導(dǎo)出一個(gè)用集中參數(shù)表達(dá)的公式。事實(shí)證明，此公式對(duì)初步確定應(yīng)力錐形狀是有效的。

電極形狀和位置初步確定后，可以用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)高壓電纜附件內(nèi)外電場(chǎng)分布進(jìn)行精確計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)今二維和三維電場(chǎng)的計(jì)算技術(shù)已趨成熟。本文圖1列出的電場(chǎng)分布圖表已經(jīng)是計(jì)算機(jī)直接輸出的計(jì)算結(jié)果。

以中間接頭為例說(shuō)明高壓電纜附件電場(chǎng)設(shè)計(jì)的程序。首先可以用等電位線(xiàn)分布的計(jì)算對(duì)所設(shè)計(jì)的電纜附件的整體電場(chǎng)分布進(jìn)行評(píng)估，之后還必須對(duì)各關(guān)鍵部位的電場(chǎng)強(qiáng)度作精確計(jì)算。圖1～圖4示出一個(gè)中間接頭設(shè)計(jì)的電場(chǎng)分析結(jié)果例。

圖1 中間接頭的等電位線(xiàn)分布

圖1 是對(duì)一個(gè)中間接頭等電位線(xiàn)分布的計(jì)算結(jié)果。圖1中共有20條等電位線(xiàn)，每2條等電位線(xiàn)的電位差為5%。由圖1可見(jiàn)，它的等電位線(xiàn)分布是比較均勻的，可以評(píng)定所設(shè)計(jì)的電纜附件的整體電場(chǎng)布局是合理的。

影響中間頭電氣性能的最關(guān)鍵的位置是:高壓屏蔽電極表面的場(chǎng)強(qiáng)E1，高壓屏蔽電極端部的場(chǎng)強(qiáng)E2，電纜絕緣與接頭絕緣界面的場(chǎng)強(qiáng)E3和應(yīng)力錐根部的場(chǎng)強(qiáng)E4?？刂坪肊1～E4這些敏感部位的電場(chǎng)是至關(guān)重要的。圖2是對(duì)上述關(guān)鍵部位的電場(chǎng)強(qiáng)度(E1～E4)精確計(jì)算的結(jié)果。

由圖2a可見(jiàn)沿電纜絕緣和接頭絕緣的界面的電場(chǎng)E3的分布，其最大場(chǎng)強(qiáng)E3max在應(yīng)力錐的根部，小于設(shè)計(jì)允許值。E3場(chǎng)強(qiáng)的切向分量很小。圖2b是高壓屏蔽表面的電場(chǎng)E1和E2的分布，最大強(qiáng)度E1max和E2max在高壓屏蔽電極的端部，其值都小于設(shè)計(jì)允許值。在圖2b中還可以看到，在端部區(qū)域的電場(chǎng)呈現(xiàn)有“毛刺”，說(shuō)明這一部分的電場(chǎng)還可以進(jìn)一步改善。圖2c顯示了沿應(yīng)力錐表面上的電場(chǎng)E4的分布，可以證明應(yīng)力錐曲線(xiàn)的形狀和位置的設(shè)計(jì)都是合適的。

用同樣方法可以分析計(jì)算戶(hù)外終端或GIS終端的的電場(chǎng)，這里就不再贅述。

圖2 中間接頭的電場(chǎng)分析計(jì)算結(jié)果

2 于絕緣界面的壓力

高壓電纜附件內(nèi)存在不少由不同絕緣介質(zhì)構(gòu)成的界面，例如電纜絕緣和橡膠應(yīng)力錐的交接面等。界面的強(qiáng)度與界面壓力有直接關(guān)系。圖3示出一組硅橡膠交界面上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖3可見(jiàn)，絕緣介質(zhì)界面壓力越大，界面的介質(zhì)強(qiáng)度越高。在界面壓力等于零的時(shí)候，界面的介質(zhì)強(qiáng)度僅等于該介質(zhì)表面沿面的電氣強(qiáng)度;在界面壓力增大到一定程度后，界面的介質(zhì)強(qiáng)度可以接近于該介質(zhì)本體的電氣強(qiáng)度;之后，界面壓力再增大，界面的介質(zhì)強(qiáng)度不再有明顯增長(zhǎng)。

圖3 界面壓力與界面擊穿強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

界面的介質(zhì)強(qiáng)度還與材料表面的粗糙程度和材料的硬度有關(guān)。材料表面越精細(xì)(光滑)，界面的強(qiáng)度越高。不同的介質(zhì)組成的界面(例如:橡膠-橡膠，橡膠-XLPE，橡膠-環(huán)氧樹(shù)脂等)的電氣強(qiáng)度變化數(shù)值會(huì)有較大差異，但趨勢(shì)基本一致。對(duì)電纜附件設(shè)計(jì)來(lái)講，界面應(yīng)力的電氣強(qiáng)度是十分重要的參數(shù)。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)者應(yīng)該通過(guò)測(cè)試確定適合所選用材料的參數(shù)。

圖4 示意一種測(cè)試電纜與應(yīng)力錐接觸界面在不同界面壓力下介電強(qiáng)度的試驗(yàn)方法。當(dāng)然，如果沒(méi)有條件做試驗(yàn)，用手冊(cè)上的數(shù)據(jù)放一些余量進(jìn)行估算，也不失為一個(gè)彌補(bǔ)的方法。

圖4 應(yīng)力錐界面壓力與介電強(qiáng)度的測(cè)試方法例

正確設(shè)計(jì)界面壓力是電纜附件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。壓力太小，界面的電氣強(qiáng)度達(dá)不到要求;壓力過(guò)大不僅無(wú)助于界面的電氣強(qiáng)度，也造成安裝困難(太緊)。此外，橡膠件壓緊力過(guò)大，還會(huì)在電纜負(fù)荷循環(huán)后造成“竹節(jié)”現(xiàn)象損壞電纜絕緣(見(jiàn)圖5)。

圖5 應(yīng)力錐壓力造成電纜絕緣的“竹節(jié)”現(xiàn)象

一般來(lái)說(shuō)，界面的最小壓力是電氣強(qiáng)度決定。對(duì)硬度為A 30～A 40的硅橡膠來(lái)說(shuō)，最小壓力大約為0.10 MPa;對(duì)硬度為A 80左右的乙丙橡膠，最小壓力在0.16 MPa左右。界面的最大壓力以不損壞電纜絕緣(造成“竹節(jié)”現(xiàn)象)為原則。從安裝角度考慮，界面的最大壓力不希望超過(guò)0.30 MPa。界面壓力取決于橡膠件的擴(kuò)張率和材料的彈性模量，可以通過(guò)計(jì)算或用模擬試驗(yàn)求取材料的擴(kuò)張率與界面壓力得到關(guān)系。圖6示意某些材料的擴(kuò)張率與界面壓力的關(guān)系。

圖6 某些橡膠的擴(kuò)張率與界面壓力的關(guān)系

圖6 展示了圖1所示的中間接頭界面壓力校核計(jì)算的結(jié)果。圖6中上面曲線(xiàn)表示接頭本體在最大擴(kuò)張(接頭安裝在最大規(guī)格的電纜上)范圍時(shí)的界面壓力分布;下面曲線(xiàn)是在接頭本體最小擴(kuò)張(接頭安裝在最小規(guī)格的電纜上)范圍時(shí)的界面壓力分布。橫坐標(biāo)表示距離，對(duì)應(yīng)接頭體各點(diǎn)的位置。

由圖7可見(jiàn)，在應(yīng)用范圍內(nèi)，界面上的壓力分布在0.1～0.3 MPa之間。界面的最小壓力(0.1 MPa)可以保證電氣強(qiáng)度的要求，界面的最大壓力(0.3 MPa)不會(huì)損壞電纜絕緣(造成“竹節(jié)”現(xiàn)象)，也不會(huì)對(duì)安裝造成困難。這是較理想的設(shè)計(jì)。

圖7 圖1的中間接頭界面壓力的計(jì)算結(jié)果

界面壓力計(jì)算可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。計(jì)算時(shí)輸入模型的結(jié)構(gòu)尺寸、外界條件(外作用力，溫度變化等)、材料的性能(硬度，彈性模量等)、界面材料間的摩擦系數(shù)等。一些非常數(shù)型參數(shù)，例如彈性模量是隨擴(kuò)張率變化的參數(shù)，可以把變數(shù)輸入。

圖8 是以GIS終端為設(shè)計(jì)例說(shuō)明建立界面壓力的計(jì)算模型所需考慮的主要因素。圖8的主要分析對(duì)象應(yīng)該是界面A(橡膠應(yīng)力錐與環(huán)氧樹(shù)脂套管之間的界面)和界面B(電纜絕緣和橡膠應(yīng)力錐之間的界面)。參與分析的主要變數(shù)是從彈簧裝置傳遞來(lái)的壓力P、電纜絕緣尺寸(使用范圍)的變化和溫度(－40～80℃)變化引起材料熱漲冷縮對(duì)界面壓力的影響。

圖8 GIS終端界面壓力的計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算，可得到各種變數(shù)下界面A和界面B的界面上的壓力變化曲線(xiàn)，從而判斷設(shè)計(jì)的合理性。

3 關(guān)于老化因素的考慮

國(guó)內(nèi)超高壓交聯(lián)電纜附件采用的主要原材料是乙丙橡膠(EPR)、高溫硫化橡膠(HTV)或液態(tài)硅橡膠(LSR)。這些都是有機(jī)材料，在電纜附件的壽命期(20～30年)內(nèi)，其電氣和機(jī)械性能不可避免會(huì)下降，因此高壓電纜附件的設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮絕緣材料和接觸面的老化因素，可用壽命長(zhǎng)度法則來(lái)描述:

式中，E為絕緣電場(chǎng);t為電場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間;N為壽命指數(shù)。

對(duì)上式取對(duì)數(shù)，就可以得到圖9的曲線(xiàn)。由圖9曲線(xiàn)可見(jiàn)，N值越大，材料的老化性能越好。

圖9 老化時(shí)間曲線(xiàn)

絕緣界面上分子的平均距離比絕緣主體部分的分子距離大，導(dǎo)致分子鏈的高能量和分解更快。而且，高壓電纜附件內(nèi)主要的界面是在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)生成的(例如:電纜絕緣與應(yīng)力錐的界面)，界面層的污染是在所難免的。界面層的污染將明顯增加局部電場(chǎng)，從而加速老化。所以絕緣界面的老化性能比絕緣主體部分更差些。

事實(shí)上，在電纜附件的設(shè)計(jì)中對(duì)上述老化因素進(jìn)行精確設(shè)計(jì)是不可能的。通常采取的方法之一是適度提高設(shè)計(jì)電壓。設(shè)計(jì)電壓的選定尚沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可遵循，下列方式是一個(gè)較為合理的例子。

(1)交流設(shè)計(jì)電壓的選定

式中，VAC為交流設(shè)計(jì)電壓;Um為附件使用的最高電壓(kV);K1為AC電壓溫度系數(shù)，通常取1.1;K2為AC電壓老化系數(shù)，根據(jù)材料的E-t特征曲線(xiàn)計(jì)算，K2=(30年 ×365天 ×24 h/試驗(yàn)時(shí)間(h))1/n，n為壽命指數(shù);K3為不確定因素或安全系數(shù)。

以220 kV附件產(chǎn)品為例，交流設(shè)計(jì)電壓為:

K2=(30年×356天×24 h/試驗(yàn)時(shí)間(h))1/n=2.83，設(shè)壽命指數(shù) n= 12

(2)沖擊設(shè)計(jì)電壓的選定

式中，BIL為基準(zhǔn)沖擊電壓(kV);K1為沖擊電壓溫度系數(shù)，通常取1.1;K2為沖擊電壓老化系數(shù);K3為不確定因素或安全系數(shù)。

以220 kV附件產(chǎn)品為例，沖擊設(shè)計(jì)電壓為:

4 系列設(shè)計(jì)的原則

一個(gè)高壓電纜附件產(chǎn)品往往有多種不同的規(guī)格，而每一個(gè)規(guī)格的電纜附件往往又覆蓋了若干個(gè)電纜尺寸。做型式試驗(yàn)和預(yù)鑒定試驗(yàn)的只有其中一個(gè)規(guī)格附件安裝在某一個(gè)尺寸的電纜上(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)都薦選用最大規(guī)格的電纜和附件)。嚴(yán)格地講，試驗(yàn)的結(jié)果只表明這一個(gè)特定規(guī)格的樣品的設(shè)計(jì)和質(zhì)量信息。因?yàn)槭聦?shí)上每一個(gè)規(guī)格的電纜附件使用在不同尺寸電纜上的時(shí)候，它的電場(chǎng)和界面壓力情況都有所不同，特別是界面壓力變化會(huì)有較大變化，如圖7所示。

因此，在產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該校核每一個(gè)規(guī)格使用在不同截面電纜時(shí)的電氣和界面壓力的變化情況，確保在所有情況下系列產(chǎn)品都具有不低于通過(guò)型式試驗(yàn)和預(yù)鑒定試驗(yàn)的產(chǎn)品性能?？雌饋?lái)有點(diǎn)繁瑣，但這是系列設(shè)計(jì)的重要原則。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代高壓交聯(lián)電纜附件的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)涉及電氣、機(jī)械和熱力學(xué)的復(fù)雜又相互牽制的過(guò)程。簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)不足以完成一個(gè)優(yōu)良設(shè)計(jì)，必須用計(jì)算機(jī)軟件輔以必要的模擬試驗(yàn)才能完成最優(yōu)化和系列化的設(shè)計(jì)。

電場(chǎng)分布和組合絕緣的界面上的壓力調(diào)整是現(xiàn)代高壓交聯(lián)電纜附件設(shè)計(jì)中兩個(gè)基本設(shè)計(jì)內(nèi)容。目前市場(chǎng)上還少有針對(duì)高壓交聯(lián)電纜附件設(shè)計(jì)的專(zhuān)用軟件，設(shè)計(jì)者只能根據(jù)電纜附件產(chǎn)品的特點(diǎn)，用一些通用軟件進(jìn)行計(jì)算。

［1］王佩龍，車(chē)年堅(jiān).高壓交聯(lián)電力電纜附件選型的若干問(wèn)題［J］.電力設(shè)備，2004，5(8):18-22.

［2］Wang Peilong，Yao Justin.Development of 126 kV flexible，dry tType outdoor cable termination［C］.Tyco Electronics Technical Conference 2009.

［3］應(yīng)啟良，王佩龍，魏 東，等.城市電網(wǎng)地下輸電用高壓電纜附件的發(fā)展［C］∥1996年亞洲線(xiàn)纜會(huì)議文集，上海，1996:51-61.

［4］應(yīng)啟良，魏 東，高小慶，等.我國(guó)高壓及超高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的應(yīng)用與發(fā)展［J］.電線(xiàn)電纜，2001(3):3-9.