高壓電纜接頭過盈量與面壓關(guān)系的仿真研究

柳 松， 彭嘉康， 陳守直， 王 霞， 鄭海良， 吳 鍇

(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)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049)

0 引言

運(yùn)行安全可靠且安裝方便的預(yù)制式電纜附件對于高壓交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜是非常重要的。硅橡膠因其優(yōu)良的耐候性、耐熱/寒性、絕緣性及耐電暈性而被廣泛用于電纜附件(如終端和接頭)中［1］。但是電纜附件內(nèi)部因存在復(fù)合界面和電場應(yīng)力集中現(xiàn)象［2，3］，而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。再加之附件往往是現(xiàn)場人工制作，制作工藝和人工經(jīng)驗(yàn)(界面的光滑、清潔、面壓、潤滑劑等)決定了電纜附件的質(zhì)量和壽命。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在電纜本體故障、電纜附件故障中，電纜附件故障率就占了約70%［4］。另外，電纜附件在制備和安裝過程中，電纜與橡膠應(yīng)力錐內(nèi)表面的接觸壓力直接影響整個(gè)終端/接頭的絕緣與電纜表面放電水平，保持一定水平壓力且均勻分布是電纜附件安全可靠運(yùn)行的重要因素。

已有研究表明: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，且不會造成安裝困難或電纜絕緣損壞［5］。但因國內(nèi)電纜主絕緣尺寸的制造偏差，握緊力難以保證易致界面放電。另外附件用橡膠材料國內(nèi)外各異，其機(jī)械性能與其配方有關(guān)，直接引用他人數(shù)據(jù)結(jié)果會造成較大偏差。

通常測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)變器測量鋁管外與橡膠件界面壓力［6］。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，測試初始安裝電纜終端內(nèi)部的界面應(yīng)力分布，并且對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［7］。但針對附件實(shí)際安裝和運(yùn)行情況，界面壓力直接測量存在一定的困難，如傳感器的植入、傳感器對界面的損傷等等。

因此，本文根據(jù)已知XLPE電纜絕緣和硅橡膠附件材料，通過實(shí)際測量其彈性模量，利用ANSYS軟件建立三維仿真模型，定量分析了電纜接頭過盈量與面壓之間的關(guān)系。該電纜附件與界面壓力的仿真方法，可用于指導(dǎo)電纜附件的選型與面壓設(shè)計(jì)。

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。硅橡膠料選用液體硅橡膠，在170℃的平板硫化機(jī)熱壓硫化制成硅橡膠片狀試樣，尺寸為100×100×2 mm3。在進(jìn)行測量前，XLPE試樣置于120℃真空烘箱內(nèi)熱處理8 h，硅橡膠試樣置于200℃真空烘箱內(nèi)熱處理24 h，以除去試樣在交聯(lián)過程中產(chǎn)生的揮發(fā)物。

1.2 彈性模量測量

當(dāng)電纜附件用硅橡膠材料與電纜主絕緣過盈配合時(shí)，硅橡膠的形變與產(chǎn)生的應(yīng)力不僅僅包括因硅橡膠撐開拉伸過程產(chǎn)生的沿附件截面的切向內(nèi)應(yīng)力，也包括硅橡膠徑向壓縮產(chǎn)生的徑向壓縮力。一般來講，對于各項(xiàng)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，對于硅橡膠材料及XLPE彈性模量的測量，本文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能測試，采用CMT系列微機(jī)控制電子萬能拉力試驗(yàn)機(jī)，將厚度為2 mm的XLPE、半導(dǎo)電料及硅橡膠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)，測定XLPE及硅橡膠在常溫下彈性形變范圍內(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 過盈量與面壓仿真

已知硅橡膠材料的泊松比約為0.5，因此在ANSYS仿真過程忽略硅橡膠絕緣在撐開過程中體積的變化。根據(jù)彈性模量測量結(jié)果，利用ANSYS有限元軟件對電纜和附件結(jié)構(gòu)三維建模，進(jìn)行過盈配合仿真，探討電纜附件過盈量與面壓間關(guān)系。

2 電纜接頭的三維建模

2.1 彈性模量測量結(jié)果

一般來講，XLPE屬于半結(jié)晶型聚合物，硬度較大，具有較高的彈性模量;而硅橡膠屬于無定形聚合物，具有高彈性，彈性模量較?。?］。表1所示為XLPE、電纜用半導(dǎo)電料及硅橡膠試片在常溫下的彈性模量值。由表1可見，XLPE彈性模量達(dá)150 MPa，半導(dǎo)電料的彈性模量值約為其1/5，硅橡膠的彈性模量值最低。

表1 XLPE、半導(dǎo)電料及硅橡膠的彈性模量

2.2 實(shí)際電纜接頭模型

實(shí)際運(yùn)行中電纜附件與電纜的連接方式如圖1所示。為保證一定的面壓，電纜附件以一定的過盈量與電纜套接。由圖1中可以看出，電纜與附件可靠套接并安全運(yùn)行的關(guān)鍵，除了傳統(tǒng)的應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)優(yōu)化［9，10］外，附件硅橡膠絕緣和 XLPE 絕緣間保證一定界面壓力以防沿面閃絡(luò)和擊穿更為重要［11］。因此，本文對電纜附件過盈量和面壓的仿真與計(jì)算對象選取硅橡膠與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和半導(dǎo)體材料彈性模量的測量結(jié)果(表1)，利用ANSYS軟件進(jìn)行電纜接頭三維結(jié)構(gòu)建模和面壓分析。因電纜與電纜附件的軸對稱性，選用solid186單元建立1/4三維實(shí)體模型，如圖2所示。

圖2 電纜接頭三維實(shí)體模型

代入已知彈性模量值，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。當(dāng)在附件絕緣內(nèi)側(cè)施加0.25 MPa壓力(圖3)時(shí)，從附件絕緣內(nèi)側(cè)到外側(cè)的位移場和內(nèi)應(yīng)力場如圖4、圖5所示。從圖中可見，附件絕緣從靠近電纜內(nèi)側(cè)到外側(cè)，形變量(位移場)、內(nèi)應(yīng)力場均逐漸減小。這也表明當(dāng)電纜附件以一定過盈量套接在電纜絕緣上時(shí)，附件從內(nèi)側(cè)到外側(cè)絕緣的形變量和產(chǎn)生的作用力與電纜上的壓力是不相同的。

圖3 界面壓力分布圖

圖4 位移場分布等值線圖

圖5 內(nèi)應(yīng)力場分布等值線圖

3 仿真結(jié)果及分析

本文選取10 kV交流XLPE電纜為例，電纜導(dǎo)體截面選為400 mm2，10 kV電纜絕緣厚度4.5 mm。研究絕緣厚度不同時(shí)，附件主絕緣厚度變化對界面壓力的影響及過盈量的選擇。

一般來講，電纜附件設(shè)計(jì)的初始面壓要求達(dá)到0.25 MPa。由圖6和圖7可見，對于10 kV XLPE電纜，當(dāng)保證界面壓力0.25 MPa不變，電纜附件主絕緣厚度從5 mm增加到10 mm時(shí)，對10 kV XLPE電纜附件過盈量從4.1 mm降低到3.9 mm。一般來講，電纜附件主絕緣厚度的合理選擇需考慮附件絕緣水平、電力系統(tǒng)過電壓等因素的影響［9］。因此在保證一定的面壓情況下，合理減薄附件絕緣厚度，降低生產(chǎn)成本。另外，附件主絕緣厚度變薄后其相應(yīng)的過盈量增加將增加硅橡膠絕緣的形變量。形變量越大，應(yīng)力松弛速度越快［8］。因此，為保證電纜接頭長期運(yùn)行過程中面壓的可靠性，應(yīng)適當(dāng)減少過盈量，增加絕緣厚度;但絕緣厚度的增加不僅增加了生產(chǎn)成本，而且會造成電纜接頭運(yùn)行過程中的發(fā)熱，加速電纜絕緣老化及附件絕緣應(yīng)力松弛［12］，并最終導(dǎo)致電纜接頭界面的沿面擊穿。

圖6 電纜附件面壓與單邊(半徑)過盈量的關(guān)系

圖7 電纜附件厚度與單邊(半徑)過盈量的關(guān)系

由上述分析可知，電纜附件絕緣厚度的合理選擇至關(guān)重要。而要合理選擇附件厚度，得先測量附件絕緣的介電性能及其機(jī)械應(yīng)力松弛特性，相關(guān)的研究工作正在進(jìn)行中。

4 結(jié)論

本文利用ANSYS軟件建立了10 kV電纜附件三維仿真模型，分析了電纜附件過盈量與面壓之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論:

(1)當(dāng)電纜附件以一定過盈量套接在電纜絕緣上時(shí)，附件絕緣的形變量和產(chǎn)生的作用力從內(nèi)側(cè)到外側(cè)逐漸降低;

(2)電纜附件過盈量越大，所產(chǎn)生的界面壓力越大;

(3)一定面壓下，附件厚度的增加有利于降低附件過盈量。

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