高壓及超高壓XLPE電纜戶外終端設(shè)計(jì)

趙海軍， 周長(zhǎng)城

（沈陽(yáng)古河電纜有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110115）

0 引 言

電纜戶外終端是電纜系統(tǒng)的重要組成部分，安裝在電纜的末端，以保證電纜系統(tǒng)與其他部分的電氣連接，是高壓及超高壓電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)必不可少的附件。與電纜相比，電纜戶外終端是薄弱環(huán)節(jié)，其故障率高于電纜，因此電纜終端作為關(guān)鍵的連接裝置，將直接影響到電纜線路的安全運(yùn)行。

目前，國(guó)內(nèi)文章多集中在電纜戶外終端運(yùn)行擊穿故障的分析處理［1］，絕緣油老化和漏油缺陷原因分析［2-4］，應(yīng)力錐與電纜絕緣在分界面處有缺陷時(shí)的電場(chǎng)分布［5］，預(yù)制橡膠應(yīng)力錐在電纜終端中的應(yīng)用、應(yīng)力錐的錐面曲線設(shè)計(jì)方法和研究情況［6］，結(jié)構(gòu)形式和橡膠材料對(duì)220 kV交聯(lián)電纜終端應(yīng)力錐應(yīng)力分布的影響［7］的報(bào)道。對(duì)于戶外終端設(shè)計(jì)理論介紹較少，本文對(duì)影響戶外終端質(zhì)量的界面壓力、電場(chǎng)強(qiáng)度分布和機(jī)械力等3個(gè)方面進(jìn)行理論闡述。

1 戶外終端結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)外多采用以下2種預(yù)制橡膠應(yīng)力錐（以下簡(jiǎn)稱應(yīng)力錐）增強(qiáng)絕緣方式控制戶外終端電場(chǎng)分布，一種是在應(yīng)力錐外部有環(huán)氧套管，用壓緊彈簧對(duì)應(yīng)力錐施加壓力，保證界面壓力均勻，提高了終端的絕緣與電纜表面的放電水平，同時(shí)也增加了電纜表面的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，如圖1（a）。另一種是無(wú)環(huán)氧套管和壓緊彈簧結(jié)構(gòu)，只靠應(yīng)力錐自身的收縮力來(lái)滿足界面壓力的要求，如圖1（b）。

2 戶外終端理論設(shè)計(jì)

2.1 界面壓力設(shè)計(jì)

界面壓力主要指應(yīng)力錐和電纜絕緣之間的壓力，由應(yīng)力錐內(nèi)徑與電纜絕緣外徑的徑差來(lái)實(shí)現(xiàn)，較低的界面壓力容易造成沿界面擊穿。

有環(huán)氧套管和壓緊彈簧結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)彈簧提供的力來(lái)計(jì)算界面壓力的大小。

無(wú)環(huán)氧套管和壓緊彈簧結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)Roark公式計(jì)算界面壓力：

式中：P為界面壓力（MPa）；Dx為電纜絕緣外徑（mm）；D0為應(yīng)力錐外徑（mm）；d為應(yīng)力錐內(nèi)徑（mm）；E為材料的彈性模量（MPa）；ν為材料的泊松比。

由式（1）可以看出，界面壓力與應(yīng)力錐材料特性和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)有關(guān)。對(duì)于選定材料，根據(jù)式（1）計(jì)算出界面壓力與應(yīng)力錐內(nèi)徑成反比，如圖2所示；界面壓力與應(yīng)力錐外徑成正比，如圖3所示。由圖2和圖3可知，界面壓力與內(nèi)徑的斜率是外徑的26倍，內(nèi)徑對(duì)于界面壓力的影響遠(yuǎn)大于外徑的影響，因此在設(shè)計(jì)應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)合理考慮內(nèi)、外徑尺寸關(guān)系。

圖1 戶外終端結(jié)構(gòu)

圖2 界面壓力與應(yīng)力錐內(nèi)徑關(guān)系

圖3 界面壓力與應(yīng)力錐外徑關(guān)系

界面壓力的設(shè)計(jì)與界面電場(chǎng)強(qiáng)度、應(yīng)力錐的安裝和電纜的運(yùn)行有關(guān)。為研究界面壓力與界面電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，選用與應(yīng)力錐和環(huán)氧絕緣體相同的材料制作試塊，施加一定的界面壓力P，試驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)前將試驗(yàn)裝置在絕緣油中靜置一段時(shí)間，待氣泡消失后進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)界面壓力P為定值時(shí)，通過施加工頻電壓直至界面發(fā)生擊穿，記錄此刻的擊穿電壓。通過不同界面壓力進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，得到界面壓力與界面電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 界面壓力與界面電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

由圖5可知，當(dāng)界面壓力等于零時(shí)，界面電場(chǎng)強(qiáng)度略大于空氣的電場(chǎng)強(qiáng)度，隨著界面壓力增大，界面電場(chǎng)強(qiáng)度增大，當(dāng)界面壓力增大到一定程度后，界面電場(chǎng)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定［8］，接近絕緣橡膠電場(chǎng)強(qiáng)度［9］。

界面壓力設(shè)計(jì)過大，不利于應(yīng)力錐的安裝，同時(shí)運(yùn)行時(shí)易造成電纜“竹節(jié)”現(xiàn)象［10］。因此建議界面壓力控制在0.1～0.3 MPa范圍內(nèi)。

2.2 電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

在戶外終端安裝時(shí)，首先將電纜的外護(hù)層、金屬層和絕緣屏蔽剝?nèi)?，?dǎo)致了屏蔽末端處的電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大，如圖6所示，圖6中，左邊只剝?nèi)ソ饘偬?，右邊同時(shí)剝?nèi)ソ饘偬缀碗娎|絕緣。

應(yīng)力錐由半導(dǎo)電和增強(qiáng)絕緣兩部分組成，半導(dǎo)電和增強(qiáng)絕緣結(jié)合部設(shè)計(jì)成圓弧結(jié)構(gòu)，增大等效半徑、均化電纜絕緣屏蔽處的電場(chǎng)強(qiáng)度。圓弧起點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)圓形單芯電纜絕緣層中的電場(chǎng)分布［11］公式（2）計(jì)算。圓弧面和終端其他部位電場(chǎng)分布利用電場(chǎng)分析軟件ANSYS進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 電纜終端的電場(chǎng)分布

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度（kV／mm）；U為施加電壓（kV）；Ri為絕緣半徑（mm）；rc為導(dǎo)體半徑（mm）。

由于戶外終端內(nèi)填充的絕緣油沒有經(jīng)過去氣處理，同時(shí)戶外終端上部預(yù)留空氣腔，導(dǎo)致內(nèi)絕緣耐受電場(chǎng)強(qiáng)度降低，因此應(yīng)力錐在戶外終端內(nèi)的位置不能太高，否則會(huì)導(dǎo)致終端內(nèi)絕緣擊穿；應(yīng)力錐在戶外終端內(nèi)的位置太低，會(huì)造成終端套管表面電場(chǎng)分布不均勻，易產(chǎn)生電暈放電。戶外終端內(nèi)絕緣油電場(chǎng)強(qiáng)度小于1.5 kV／mm（空氣擊穿強(qiáng)度的一半），套管表面電場(chǎng)強(qiáng)度小于電暈放電起始電場(chǎng)強(qiáng)度（0.45 kV／mm）［12］，按照此原則設(shè)計(jì)應(yīng)力錐在戶外終端內(nèi)的位置。

2.3 機(jī)械力設(shè)計(jì)

戶外終端開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，需要考慮運(yùn)行中戶外終端耐受以地震力、風(fēng)力、短路電磁力等3種機(jī)械力。

（1）地震力

地震力施加在戶外終端上的彎曲力矩MQ為：

式中：η為地震水平方向加速度；W1、W2、W3分別為套管質(zhì)量（kg）、上部金具質(zhì)量（kg）和絕緣油質(zhì)量（kg）；L1、L2、L3分別為套管底部到套管重心距離（mm）、到上部金具重心距離（mm）和到絕緣油重心距離（mm）；N為根據(jù)3次波模擬共振產(chǎn)生的應(yīng)答倍率。

（2）風(fēng)力

風(fēng)力施加在戶外終端上的彎曲力矩Mb為：

式中：L為套管中心高度（mm）；P為風(fēng)壓力（N）；ρ為15 ℃時(shí)的空氣密度（1.226 kg／m3）；V為風(fēng)速（m／s）；C為風(fēng)力系數(shù)；A為套管斷面積（mm2）；g為重力加速度。

（3）短路電磁力

短路電磁力在戶外終端上的彎曲力矩MI為：

式中：LP為套管高度（mm）；FI為作用于導(dǎo)體上的力（N／mm）；I為短路電流（kA）；S為相間距（mm）；g為重力加速度。

戶外終端運(yùn)行時(shí)所承受的彎曲力矩總和M1＝MQ+Mb+MI，套管彎曲破壞試驗(yàn)所承受的彎曲力矩M2，當(dāng)M2／M1≥2.5 時(shí)，設(shè)計(jì)滿足戶外終端的運(yùn)行要求［13］。

3 結(jié) 論

（1）界面壓力設(shè)計(jì)需綜合考慮其與應(yīng)力錐的內(nèi)徑和外徑的比例、界面耐受電場(chǎng)強(qiáng)度、應(yīng)力錐安裝和終端運(yùn)行的關(guān)系，建議其設(shè)計(jì)值在0.1～0.3 MPa范圍內(nèi)。

（2）應(yīng)按照絕緣油中電場(chǎng)強(qiáng)度小于1.5 kV／mm，套管表面電場(chǎng)強(qiáng)度小于0.45 kV／mm來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)力錐在戶外終端內(nèi)的位置。

（3）當(dāng)套管破壞彎曲力矩大于等于戶外終端運(yùn)行時(shí)受的地震力、風(fēng)力、短路電磁力等機(jī)械外力力矩和的2.5倍時(shí)，機(jī)械力滿足戶外終端的運(yùn)行要求。