25kV預(yù)制式高壓T形連接器電場仿真分析與試驗(yàn)研究

張東遠(yuǎn)，姜贊，徐俊，呂玉春，楊建明，孫毅

(1.北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司，北京 100176；2.廣東吉熙安電纜附件有限公司，廣東 佛山 528200)

1 引言

25kV高壓電纜總成是電力機(jī)車及動(dòng)車組的重要組成部分，用于高壓電器產(chǎn)品之間的電氣連接。高壓電纜總成主要包括電纜本體和T形連接器、戶外終端及戶內(nèi)終端等電纜附件，通過T形連接器與牽引變壓器上的C型套管(A端子)連接，將高壓部分完全密封地連接起來，實(shí)現(xiàn)了全屏蔽、全絕緣、全密閉、免維護(hù)，保證供電的可靠性和安全性[1]。

T形連接器作為電力機(jī)車及動(dòng)車組25kV高壓電纜總成的關(guān)鍵附件，長期以來一直依賴國外公司進(jìn)口，技術(shù)和產(chǎn)品均處于國外壟斷狀態(tài)，且當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)國外公司不再單獨(dú)銷售T形連接器配件以試圖更大范圍壟斷25kV高壓電纜產(chǎn)品市場的狀況。此外，國外進(jìn)口的T形連接器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)電纜絕緣層與半導(dǎo)電層結(jié)合位置的應(yīng)力控制采用的是適配管，適配管與電纜和T形外套均為過盈配合，即T形連接器存在兩層界面。

鑒于上述情況，自主設(shè)計(jì)了25kV預(yù)制式結(jié)構(gòu)的T形連接器，打破國外產(chǎn)品壟斷的同時(shí)，將電纜絕緣層與半導(dǎo)電層結(jié)合位置的應(yīng)力控制采用與T形外套一體成型的應(yīng)力錐形式，減少界面，提高絕緣安全性。本文對(duì)預(yù)制式T形連接器進(jìn)行典型位置的電場仿真研究和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，并提出后續(xù)研究和考核建議。

2 T形連接器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2.1 基本結(jié)構(gòu)

預(yù)制式T形連接器主要包括應(yīng)力錐、高壓屏蔽、表層屏蔽、絕緣層、絕緣塞、后蓋及雙頭螺栓等，與電纜和變壓器C型套管(A端子)組裝后如圖1所示。

圖1 預(yù)制式T形連接器組裝后基本結(jié)構(gòu)

圖1中T形連接器的絕緣層、高壓屏蔽、表層屏蔽及應(yīng)力錐均為硅橡膠材質(zhì)，且通過后壓注工藝一體成型，將壓接完接線端子的電纜直接插裝至T形連接器的內(nèi)腔即可完成產(chǎn)品裝配。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

當(dāng)前，國內(nèi)電力機(jī)車和動(dòng)車組對(duì)于T形連接器的要求存在差異，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不同，電力機(jī)車要求的工頻耐壓、沖擊電壓和局部放電技術(shù)指標(biāo)較低，如表1所示[2-3]。

表1 電力機(jī)車與動(dòng)車組T形連接器要求差異

在預(yù)制式T形連接器自主化開發(fā)過程中同時(shí)兼顧了在電力機(jī)車及動(dòng)車組上的通用性，按動(dòng)車組技術(shù)要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并覆蓋了軌道交通常用的電纜截面規(guī)格，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 預(yù)制式T形連接器主要技術(shù)參數(shù)

2.3 技術(shù)優(yōu)勢

(1)在結(jié)構(gòu)特征上，預(yù)制式T形連接器的一體化結(jié)構(gòu)能夠減少界面，故障點(diǎn)少，可靠性高；

(2)在技術(shù)參數(shù)上，預(yù)制式T形連接器按照GB/T 28427-2012設(shè)計(jì)開發(fā)，可通用于國內(nèi)電力機(jī)車及動(dòng)車組車型，相比較于進(jìn)口產(chǎn)品，關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)有明顯提升，絕緣余量更大；

(3)在安裝工藝上，預(yù)制式T形連接器的應(yīng)力錐為模具成型，組裝時(shí)能夠規(guī)避應(yīng)力錐發(fā)生位移或應(yīng)力錐與T形外套接觸面密封不良的問題。

3 電場仿真分析

為分析與評(píng)估預(yù)制式T形連接器在實(shí)際運(yùn)用工況下的電場設(shè)計(jì)合理性和絕緣安全性，建立其與電纜和C型套管組裝后的模型，對(duì)該模型進(jìn)行電場仿真計(jì)算，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)較高的典型部位，并提取場強(qiáng)分布情況[4-5]。

3.1 建立模型

根據(jù)預(yù)制式T形連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分X軸和Y軸兩個(gè)方向建立電場模型，X軸方向評(píng)估與牽引變壓器C型套管(A端子)的配合情況，Y軸方向評(píng)估與電纜的配合情況。由于X軸和Y軸兩個(gè)方向上的評(píng)估區(qū)域均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此采用二維模型進(jìn)行電場分析，如圖2～3所示。

圖2 X軸方向的電場模型

圖3 Y軸方向的電場模型

3.2 材料特性及邊界條件

3.2.1 材料特性

T形連接器的主要材料包括硅橡膠、環(huán)氧樹脂、半導(dǎo)電橡膠及電纜絕緣層EPDM等，材料特性根據(jù)推薦值如表1所示[6-7]。

表3 T形連接器的主要材料特性

3.2.2 邊界條件

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、丙烯酰胺、過硫酸銨，以上均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；G級(jí)油井水泥、硅粉，工業(yè)級(jí)，四川嘉華。

在X軸方向上，高壓屏蔽及C型套管導(dǎo)體部分為高壓端，表層屏蔽、后蓋及C型套管內(nèi)部屏蔽網(wǎng)為地，在高壓端按瞬時(shí)最高運(yùn)行電壓31kV加載，如圖4所示。

圖4 X軸方向電場仿真邊界條件

在Y軸方向上，高壓屏蔽及電纜導(dǎo)體部分為高壓端，表層屏蔽及應(yīng)力錐為地，在高壓端按瞬時(shí)最高運(yùn)行電壓31kV加載，如圖5所示。

圖5 Y軸方向電場仿真邊界條件

3.3 仿真計(jì)算結(jié)果

3.3.1 X軸方向結(jié)果

X軸方向上，選取界面處、高壓屏蔽和嵌件表面處以及氣隙處等五個(gè)典型部位進(jìn)行重點(diǎn)分析，典型部分示意如圖6所示，等位線及場強(qiáng)的分布如圖7所示，切向場強(qiáng)分布圖及最大值如圖8～12所示。

圖6 X軸方向典型部位分布圖

圖7 X軸方向等位線及場強(qiáng)分布圖

圖8 E1硅橡膠與C型套管界面的切向場強(qiáng)分布圖

圖9 E2硅橡膠與環(huán)氧堵蓋界面的切向場強(qiáng)分布圖

圖10 E3硅橡膠高壓屏蔽表面的場強(qiáng)分布圖

圖11 E4環(huán)氧堵蓋嵌件表面的場強(qiáng)分布圖

圖12 E5 C型套管臺(tái)階氣隙的場強(qiáng)分布圖

3.3.2 Y軸方向結(jié)果

Y軸方向上，選取界面處、高壓屏蔽和應(yīng)力錐表面處三個(gè)典型部位進(jìn)行重點(diǎn)分析，典型部分示意如圖13所示，等位線及場強(qiáng)的分布如圖14所示，切向場強(qiáng)分布圖及最大值如圖15～17所示。

圖13 X軸方向典型部位分布圖

圖14 Y軸方向等位線及場強(qiáng)分布圖

圖15 E6應(yīng)力錐表面的場強(qiáng)分布圖

圖16 E7硅橡膠高壓屏蔽表面的場強(qiáng)分布圖

圖17 E8硅橡膠與EPDM界面的切向場強(qiáng)分布圖

3.3.3 仿真計(jì)算數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)值比較

將X軸和Y軸兩個(gè)方向電場模型中典型部位的場強(qiáng)最大值與工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，并計(jì)算出各部位的安全裕度，如表4所示。

表4 電場仿真計(jì)算數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步評(píng)估預(yù)制式T形連接器的產(chǎn)品可靠性，委托國家智能電網(wǎng)輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)其進(jìn)行型式試驗(yàn)驗(yàn)證[3，8-9]。

試制7套25kV T形連接器及配合試驗(yàn)用電纜附件，安裝在7根(N)TMCGCHXOE 1×240 26/45kV 電纜上構(gòu)成 1＃、2＃、3＃、4＃、5＃、6＃和 7＃組合試樣。 被試的1＃和2＃，3＃和 4＃，5＃、6＃和 7＃組合試樣分別安裝在含配套的C型套管的裝滿變壓器油的電纜分接箱中，試樣安裝后分接箱外形類別如圖18～19所示。

圖18 試樣安裝在含配套的C型套管的裝滿變壓器油的電纜分接箱的外形1

圖19 試樣安裝在含配套的C型套管的裝滿變壓器油的電纜分接箱的外形2

1＃、2＃、3＃和 4＃組合試樣用于標(biāo)準(zhǔn) GB/T 28427-2012表22中程序 1的試驗(yàn)，5＃、6＃和 7＃組合試樣用于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28427-2012表22中程序2的試驗(yàn)，檢測項(xiàng)目及結(jié)果如表5所示。

表5 T形連接器試驗(yàn)檢測項(xiàng)目及結(jié)果

測量或觀察結(jié)果序號(hào) 檢測項(xiàng)目1＃ 2＃ 3＃ 4＃檢測結(jié)果7局部放電試驗(yàn)(在導(dǎo)體最高溫5℃ ～1 0℃下)試驗(yàn)前對(duì)電纜導(dǎo)體加熱至9 7℃，4 8 k V下小于3 p C(背景:小于2 p C)合格8 沖擊電壓試驗(yàn)(在環(huán)境溫度下)2 5 0 k V正負(fù)極性各1 0次，無擊穿、無閃絡(luò) 合格9 交流耐受電壓試驗(yàn)(干狀態(tài))6 9 k V下試驗(yàn) 1 5 m i n，無擊穿、無閃絡(luò) 合格1 0 附件檢驗(yàn) 外觀良好，沒有可見損傷 合格5＃ 6＃ 7＃1 1 交流耐受電壓試驗(yàn)(干狀態(tài))1 2 4 k V下試驗(yàn)5 m i n，無擊穿、無閃絡(luò) 合格1 2 短路動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)(導(dǎo)體)試驗(yàn)電流(峰值)1 0 6.9 k A，持續(xù)時(shí)間2 3.4 m s，無可見損傷 合格1 3 短路熱穩(wěn)定試驗(yàn)(導(dǎo)體)3 0.1 k A持續(xù)2.0 1 s進(jìn)行1次，2 9.9 k A持續(xù)2.0 2 s進(jìn)行1次，兩次試驗(yàn)后無可見損傷合格1 4 沖擊電壓試驗(yàn)(在環(huán)境溫度下)2 5 0 k V正負(fù)極性各1 0次，無擊穿、無閃絡(luò) 合格1 5 交流耐受電壓試驗(yàn)(干狀態(tài))6 9 k V下試驗(yàn) 1 5 m i n，無擊穿、無閃絡(luò) 合格1 6 附件檢驗(yàn) 外觀良好，沒有可見損傷 合格

5 結(jié)論與建議

通過對(duì)自主化25kV預(yù)制式高壓T形連接器進(jìn)行電場仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論與建議:

(1)預(yù)制式T形連接器的計(jì)算場強(qiáng)安全裕度滿足技術(shù)要求，電場設(shè)計(jì)合理，樣品通過型式試驗(yàn)檢測項(xiàng)目，自主化產(chǎn)品符合GB/T 28427-2012的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)建議在電力機(jī)車及動(dòng)車組上開展自主化預(yù)制式T形連接器的裝車運(yùn)用考核，結(jié)合實(shí)際運(yùn)用環(huán)境深入驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性。

(3)建議深度研究絕緣材料及后壓注成型工藝特征，提高產(chǎn)品電氣性能，同時(shí)，努力實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，為車內(nèi)安裝提供便利。