CN103259240B

CN103259240B - 一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体

Info

Publication number: CN103259240B
Application number: CN201310175462.2A
Authority: CN
Inventors: 李忠华; 韩宝忠; 陈宇; 李长明
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: CN103259240A

Abstract

一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体。它涉及一种电缆接头用应力控制体。本发明是要解决现有的塑料绝缘直流电缆预制接头结构难以满足160kV以上塑料绝缘高压直流电缆连接要求，目前尚无成熟的160kV以上塑料绝缘高压直流电缆预制接头设计方案的问题。本发明的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体是160kV～500kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，它由高压屏蔽层、增强绝缘体、应力锥和外屏蔽层组成，所述的增强绝缘体的两侧端口为梯形。本发明的应力控制体可有效减弱预制接头内的电场畸变，减小预制接头直径，便于安装，并提高其散热性，可应用于设计160kV以上的塑料绝缘高压直流电缆预制接头。

Description

一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体

技术领域

本发明涉及一种电缆接头用应力控制体。

背景技术

高压直流电缆在海岛供电、大城市供电增容、风力发电输送、海上石油和天然气平台供电、独立电网连接等方面与交流电缆相比优点明显。国外塑料绝缘高压直流电缆已大量应用，而国内尚无塑料绝缘高压直流电缆线路运行，国内因未有应用而对塑料绝缘高压直流电缆接头的研究起步很晚，且缺少参考经验，对其电场分布研究不深入。塑料绝缘高压直流电缆接头包括软接头和预制接头两种，国内有30kV塑料绝缘直流电缆预制接头的研究报道及专利，但未见160kV以上塑料绝缘高压直流电缆预制接头设计的相关报道。

在电缆预制接头中采用带有应力锥的应力控制体是解决电缆接头内电场集中的有效方法之一。在交流情况下，塑料绝缘电缆接头内的电场分布与各材料的介电常数有关，接头中各材料的介电常数在电缆接头的允许工作温度范围内没有显著变化。现有公开报道的交流电缆接头结构设计和电场分布计算都是在假定各材料的电阻率和介电常数不变的情况下进行。计算结果表明，在高压交流电缆接头无缺陷的理想状况下，接头内的最大电场强度位于电缆交联聚乙烯绝缘的内表面。但在直流条件下，电场分布主要取决于各材料的电导率，而接头中材料的电导率可能随温度和电场强度的改变而明显变化，因此在高压直流电缆接头结构设计和电场分布计算中必须充分考虑温度和电场强度对材料电导的影响。此外，直流电缆接头与交流电缆接头还有一个显著差异，空间电荷对电场分布有显著影响，在极性反转情况下，空间电荷可使最大电场强度增加70％。因此，无法通过数学手段推导出塑料绝缘高压直流电缆接头内的电场分布计算公式，目前较好的方法是利用多物理场耦合软件通过模拟仿真优化设计塑料绝缘高压直流电缆预制接头用应力控制体结构。研究结果表明，塑料绝缘高压直流电缆接头内的最大电场强度位置受诸多因素影响，不一定位于电缆交联聚乙烯绝缘的内表面。目前未见充分考虑以上所提各因素的160kV以上塑料绝缘高压直流电缆预制终端用应力控制体设计方案公开报道。

文章《HVDC,theNextGenerationofTransmissionHighlightswithFocusonExtrudedCableSystems》报道在高压直流电缆接头内的的电缆绝缘与橡胶增强绝缘间添加电导非线性材料有助于改善接头内的电场分布，但文中没有介绍该电导非线性材料的其它性能。现有的研究结果表明，为使复合材料具有较大的电导非线性系数，通常需要添加大量的功能填料，这导致复合材料的击穿强度不高，难以应用于高压场合。另外，按照文中设计的结构，如果电缆绝缘、非线性材料和橡胶增强绝缘的电导率相差较大，彼此界面间容易产生空间电荷，引起电场畸变，这在文中也没有讨论。因此，该文章只能表现出一定的理论研究意义，但考虑因素尚不全面，难以指导设计塑料绝缘高压直流电缆预制接头。

申请号为：201010190809.7，名称为《一种500kV及500kV以上电力电缆整体预制型接头》的发明专利公开了一种高压交流电缆附件，然而交流电缆附件和直流电缆附件内的电场分布存在着本质上的差别，在交流电缆附件内电场的分布主要取决于各绝缘材料的相对介电常数，而各绝缘材料的相对介电常数在电缆附件的工作电场强度和温度范围内几乎不发生明显变化，通过优化应力锥的结构即可获得交流电缆附件内理想的电场分布。

韩宝忠等人发表的名称为“碳化硅/硅橡胶复合材料的非线性电导特性”的文章中公开了一种碳化硅/硅橡胶复合材料，然而该文只为说明纳米碳化硅/硅橡胶复合材料的电导特性，并未介绍该复合材料的其它性能。

申请号为201010593866.X，名称为“一种高压直流交联聚乙烯预制型接头”发明专利公开了一种高压直流电缆接头，但它仅适用于30kV直流电缆，由于该电压等级下电缆绝缘和接头绝缘的平均电场强度低，因电缆接头内各绝缘材料电导特性差异所引起的电场畸变不会导致电缆附件的破坏。

发明内容

本发明的目的是要解决现有的塑料绝缘直流电缆预制接头结构难以满足160kV以上塑料绝缘高压直流电缆连接要求，目前尚无成熟的160kV以上塑料绝缘高压直流电缆预制接头设计方案的问题，而提供一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体。

本发明的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体是160kV～500kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，所述的160kV～500kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体由高压屏蔽层、增强绝缘体、应力锥和外屏蔽层组成，所述的增强绝缘体的两侧端口为梯形，所述的增强绝缘体由电导非线性绝缘材料制成；所述的电导非线性绝缘材料为液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料、混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料或三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料；

所述的液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份液体硅橡胶和10～20份非线性功能填料制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成；其中液体硅橡胶为聚合度100～2000的双组分液体硅橡胶，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，且所述的碳纳米管直径为5nm～80nm和管长为1μm～15μm，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm；

所述的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶、10～20份非线性功能填料、5～20份气相法白炭黑、0.5～3份纳米三氧化二铁、0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成；其中混炼硅橡胶为热硫化混炼型硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米三氧化二铁的粒径为10nm～100nm，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，且所述的碳纳米管直径为5nm～80nm和管长为1μm～15μm，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm。

所述的三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份三元乙丙橡胶、10～20份非线性功能填料、5～40份气相法白炭黑、2.5～2.8份过氧化二异丙苯、0.2～0.4份硫磺和0.4～0.6份二苯甲酰对醌二肟制成，其中非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成；其中气相法白炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，且所述的碳纳米管直径为5nm～80nm和管长为1μm～15μm，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm。

本发明采用高性能电导非线性硅橡胶或电导非线性乙丙橡胶设计应用于160kV以上的塑料绝缘高压直流电缆预制接头用应力控制体优点如下：(1)本发明采用的橡胶基电导非线性绝缘材料在10kV/mm及以下电场中体积电阻率几乎不随电场强度变化，电阻率为10¹⁵Ω·m～10¹³Ω·m数量级，与高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料的体积电阻率相近，二者的介电常数比与电导率比近似相等，有利于减小界面空间电荷；该材料在10kV/mm以上电场中电导非线性系数大于8，当接头内电缆交联聚乙烯绝缘与应力控制体界面附近因存在缺陷或空间电荷引起电场畸变时，该材料的电导能随电场强度的增大而明显增大，具有优异的均化电场分布的能力；160kV以上塑料绝缘高压直流电缆的平均场强约为12-15kV/mm，接头内的平均场强设计为4-5kV/mm，改变电缆极性时电场强度会增加50～70％，空间电荷甚至可能导致局部电场达到正常工作场强的7～8倍，该材料具有较高的直流击穿强度，不小于60kV/mm，能够满足要求；(2)本发明是在实验获得塑料绝缘高压直流电缆预制接头中所用聚乙烯、交联聚乙烯、硅橡胶、乙丙橡胶等的电导特性后，充分考虑各因素对电场分布的影响，通过利用多物理场耦合软件进行模拟仿真而优化设计出；(3)仿真结果表明，在应力控制体和预制接头形状相同的情况下，当因外部因素塑料绝缘高压直流电缆接头内电缆交联聚乙烯绝缘与应力控制体界面附近电场强度超过10kV/mm时，采用以上述橡胶基电导非线性绝缘材料所制应力控制体的预制接头内的最大电场强度明显小于采用现有技术所制预制接头内的最大电场强度；(4)由于应力控制体的电导非线性增强绝缘具有较强的均化电场分布的能力，可以有效减弱预制接头内的电场畸变，因此采用本发明应力控制体可减小预制接头的直径，减小预制接头体积，便于预制接头安装，并提高其散热性。

附图说明

图1为本发明塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体的剖面图；其中h为外屏蔽层；g为高压屏蔽层；a为应力锥；f为增强绝缘；j为应力控制体内孔；

图2为应用本发明塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体的交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头的结构示意图；其中a为应力锥；b为电缆外屏蔽层；c为电缆绝缘；d为电缆线芯；e为电缆内屏蔽层；f为增强绝缘；g为高压屏蔽层；h为外屏蔽层；i为金属连接件；

图3为图2中应力锥处局部放大图；其中a为应力锥；b为电缆外屏蔽层；c为电缆绝缘；d为电缆线芯；e为电缆内屏蔽层；

图4为应用试验1制备的应力控制体时电缆接头内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图5为试验1应用普通液体硅橡胶制作应力控制体时电缆接头内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图6为应用试验2制备的应力控制体时电缆接头内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图7为试验2应用普通混炼硅橡胶制作应力控制体时电缆接头内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图8为应用试验3制备的应力控制体时电缆接头内的最大电场强度点附近处电场分布云图；

图9为试验3应用普通三元乙丙橡胶制作应力控制体时电缆接头内的最大电场强度点附近处电场分布云图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体是160kV～500kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，所述的160kV～500kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体由高压屏蔽层、增强绝缘体、应力锥和外屏蔽层组成，所述的增强绝缘体的两侧端口为梯形，所述的增强绝缘体由电导非线性绝缘材料制成；所述的电导非线性绝缘材料为液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料、混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料或三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料；

本实施方式的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体按以下步骤制备而成：

一、将半导电橡胶放入应力锥模具、高压屏蔽层模具和外屏蔽层模具中，经成型和硫化制得应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层；

二、采用真空搅拌机将液体硅橡胶和非线性功能填料在40℃下混合均匀并排除气泡，得到混合材料；或者采用密炼机将混炼硅橡胶或三元乙丙橡胶与填料在50℃下混合均匀，得到混合材料；

三、将步骤一制得的应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层放入电缆接头用应力控制体模具中，再将步骤二得到的混合材料放入电缆接头用应力控制体模具中，经成型和硫化制得电缆接头用应力控制体。

本实施方式的高压直流电缆接头用应力控制体使用时扩径后套设在电缆接头外。

本实施方式采用高性能电导非线性硅橡胶或电导非线性乙丙橡胶设计应用于160kV以上的塑料绝缘高压直流电缆预制接头用应力控制体优点如下：(1)本实施方式采用的橡胶基电导非线性绝缘材料在10kV/mm及以下电场中体积电阻率几乎不随电场强度变化，电阻率为10¹⁵Ω·m～10¹³Ω·m数量级，与高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料的体积电阻率相近，二者的介电常数比与电导率比近似相等，有利于减小界面空间电荷；该材料在10kV/mm以上电场中电导非线性系数大于8，当接头内电缆交联聚乙烯绝缘与应力控制体界面附近因存在缺陷或空间电荷引起电场畸变时，该材料的电导能随电场强度的增大而明显增大，具有优异的均化电场分布的能力；160kV以上塑料绝缘高压直流电缆的平均场强约为12-15kV/mm，接头内的平均场强设计为4-5kV/mm，改变电缆极性时电场强度会增加50～70％，空间电荷甚至可能导致局部电场达到正常工作场强的7～8倍，该材料具有较高的直流击穿强度，不小于60kV/mm，能够满足要求；(2)本实施方式是在实验获得塑料绝缘高压直流电缆预制接头中所用聚乙烯、交联聚乙烯、硅橡胶、乙丙橡胶等的电导特性后，充分考虑各因素对电场分布的影响，通过利用多物理场耦合软件进行模拟仿真而优化设计出；(3)仿真结果表明，在应力控制体和预制接头形状相同的情况下，当因外部因素塑料绝缘高压直流电缆接头内电缆交联聚乙烯绝缘与应力控制体界面附近电场强度超过10kV/mm时，采用以上述橡胶基电导非线性绝缘材料所制应力控制体的预制接头内的最大电场强度明显小于采用现有技术所制预制接头内的最大电场强度；(4)由于应力控制体的电导非线性增强绝缘具有较强的均化电场分布的能力，可以有效减弱预制接头内的电场畸变，因此采用本实施方式应力控制体可减小预制接头的直径，减小预制接头体积，便于预制接头安装，并提高其散热性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的有机过氧化物为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯或2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份液体硅橡胶、10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成，其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料中的纳米氧化锌的粒径为40nm～60nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～70nm，纳米碳化硅的粒径为40nm～60nm，碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，且所述的碳纳米管直径为5nm～20nm和管长为1μm～10μm，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为20nm～40nm、片径为1μm～2μm，其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，19.5份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、6份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成，其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料中的气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米三氧化二铁的粒径为50nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为多壁碳纳米管，且所述的多壁碳纳米管直径为10nm～20nm和管长为5μm～15μm，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm，其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份三元乙丙橡胶、19.5份非线性功能填料、5～40份气相法白炭黑、2.5～2.8份过氧化二异丙苯、0.2～0.4份硫磺和0.4～0.6份二苯甲酰对醌二肟制成，非线性功能填料由12份纳米氧化锌、1份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成，其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料中气相法白炭黑的粒径为30nm～60nm，纳米氧化锌的粒径为20nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为单臂碳纳米管，且所述的单臂碳纳米管直径为5nm～10nm和管长为5μm～15μm，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm，其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：增强绝缘体的厚度为电缆绝缘厚度的2.5～3倍，其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层由半导电橡胶制成，且应力锥、高压屏蔽层、外屏蔽层和增强绝缘体是一体的，其它与具体实施方式一至九之一相同。

用以下试验验证本发明的有益效果

试验一：结合图2和图3，一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，该塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体扩径后套设在电缆接头外，其特征在于该塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体是200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，所述的200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体由高压屏蔽层、增强绝缘体、应力锥和外屏蔽层组成，所述的高压屏蔽层套设在直流电缆外，所述的增强绝缘体套设在高压屏蔽层外，增强绝缘体的两侧端口为梯形，所述的应力锥设置在增强绝缘体的两侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，所述的外屏蔽层套设在增强绝缘体外；其中所述的增强绝缘体由液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料制成，应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层由半导电橡胶制成，所述的高压屏蔽层厚度为5mm，高压屏蔽层与直流电缆交联聚乙烯绝缘搭盖长度为15mm，所述的增强绝缘体的厚度为电缆绝缘厚度的3倍，所述的外屏蔽层厚度为3mm。

其中所述的液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份液体硅橡胶、10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成；

其中液体硅橡胶为平均聚合度为1500的双组分液体硅橡胶，纳米氧化锌的粒径为40nm～60nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～70nm，纳米碳化硅的粒径为40nm～60nm，碳纳米管为直径5nm～20nm、管长5μm～10μm的单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为20nm～40nm、片径为1μm～2μm。

本试验的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体按以下步骤制备而成：

一、将半导电液体硅橡胶真空注入应力锥模具、高压屏蔽层模具和外屏蔽层模具中，经成型和硫化制得应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层；

二、采用真空搅拌机将液体硅橡胶、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨在40℃下混合均匀并排除气泡，得到混合材料；

三、将步骤一制得的应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层放入电缆接头用应力控制体模具中，再将步骤二得到的混合材料真空注入电缆接头用应力控制体模具中，经成型和硫化制得电缆接头用应力控制体。

应用本发明应力控制体设计一个标称截面为1000mm²、绝缘层厚度为16.5mm的200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头，其结构示意图见图2，应力锥处局部放大图见图3。

利用有限元法仿真计算得到电缆接头内的最大电场强度点位于电缆绝缘内，值为12.573kV/mm，接近于电缆绝缘内的平均电场强度，其附近处电场分布云图见图4。应用普通液体硅橡胶制作应力控制体时，图2所示结构电缆接头内的最大电场强度点位于应力控制体内应力锥喇叭口与电缆绝缘表面相切处附近，值为56.07kV/mm，电场分布云图见图5。

对比以上结果可见，采用液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料制作应力控制体能明显改善高压直流电缆接头内的电场分布，避免接头内电场严重畸变，因此采用本试验的应力控制体可减小预制接头的直径，减小预制接头体积，便于预制接头安装，并提高其散热性。

试验二：结合图2和图3，一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，该塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体扩径后套设在电缆接头外，其特征在于该塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体是200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，所述的200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体由高压屏蔽层、增强绝缘体、应力锥和外屏蔽层组成，所述的高压屏蔽层套设在直流电缆外，所述的增强绝缘体套设在高压屏蔽层外，增强绝缘体的两侧端口为梯形，所述的应力锥设置在增强绝缘体的两侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，所述的外屏蔽层套设在增强绝缘体外；其中所述的增强绝缘体由混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材制成，应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层由半导电橡胶制成，所述的高压屏蔽层厚度为5mm，高压屏蔽层与直流电缆交联聚乙烯绝缘搭盖长度为15mm，所述的增强绝缘体的厚度为电缆绝缘厚度的3倍，所述的外屏蔽层厚度为3mm。

其中所述的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，19.5份非线性功能填料，20份气相法白炭黑，1.5份纳米三氧化二铁，3份二苯基硅二醇和1份2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷制成，非线性功能填料由10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、6份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成。

其中混炼硅橡胶为分子量为(60～80)×10⁴的甲基乙烯基硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米三氧化二铁的粒径为50nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径10nm～20nm、管长5μm～15μm的多臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。

一、将半导电混炼橡胶放入应力锥模具、高压屏蔽层模具和外屏蔽层模具中，经成型和硫化制得应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层；

二、采用密炼机将混炼硅橡胶、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑、纳米石墨、气相法白炭黑、纳米三氧化二铁、二苯基硅二醇和2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷在50℃下混合均匀，得到混合材料；

应用本发明应力控制体设计一个将两根标称截面为1600mm²、绝缘层厚度为16.5mm的200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆相连的接头，其结构示意图见图2，应力锥处局部放大图见图3。

利用有限元法仿真计算得到电缆接头内的最大电场强度点位于电缆绝缘内，值为12.536kV/mm，接近于电缆绝缘内的平均电场强度，其附近处电场分布云图见图6。应用普通混炼硅橡胶制作应力控制体时，图2所示结构电缆终端内的最大电场强度点位于应力控制体内应力锥喇叭口与电缆绝缘表面相切处附近，值为58.419kV/mm，电场分布云图见图7。

对比以上结果可见，采用混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料制作应力控制体能明显改善高压直流电缆接头内的电场分布，避免接头应力控制体内电场严重畸变，因此采用本试验应力控制体可减小预制接头的直径，减小预制接头体积，便于预制接头安装，并提高其散热性。

试验三：结合图2和图3，一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，该塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体扩径后套设在电缆接头外，其特征在于该塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体是200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，所述的200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体由高压屏蔽层、增强绝缘体、应力锥和外屏蔽层组成，所述的高压屏蔽层套设在直流电缆外，所述的增强绝缘体套设在高压屏蔽层外，增强绝缘体的两侧端口为梯形，所述的应力锥设置在增强绝缘体的两侧端口处，应力锥为喇叭状，应力锥的内锥面曲线为三次贝塞尔曲线，所述的外屏蔽层套设在增强绝缘体外；其中所述的增强绝缘体由三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料制成，应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层由半导电橡胶制成，所述的高压屏蔽层厚度为5mm，高压屏蔽层与直流电缆交联聚乙烯绝缘搭盖长度为15mm，所述的增强绝缘体的厚度为电缆绝缘厚度的3倍，所述的外屏蔽层厚度为3mm。

其中所述的三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份三元乙丙橡胶、19.5份非线性功能填料、12份气相法白炭黑、2.5份过氧化二异丙苯、0.4份硫磺和0.4份二苯甲酰对醌二肟制成，非线性功能填料由12份纳米氧化锌、1份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成。

其中三元乙丙橡胶为1,1-亚乙基降冰片烯型三元乙丙橡胶，气相法白炭黑的粒径为30nm～60nm，纳米氧化锌的粒径为20nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为直径5nm～10nm、管长5μm～15μm的单臂碳纳米管，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。

一、将半导电三元乙丙橡胶放入应力锥模具、高压屏蔽层模具和外屏蔽层模具中，经成型和硫化制得应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层；

二、采用密炼机将三元乙丙橡胶、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑、纳米石墨、气相法白炭黑、过氧化二异丙苯、硫磺和二苯甲酰对醌二肟在50℃下混合均匀，得到混合材料；

应用本发明应力控制体设计一个将两根标称截面为1000mm²、绝缘层厚度为14mm的200kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆相连的接头，其结构示意图见图2，应力锥处局部放大图见图3。

利用有限元法仿真计算得到电缆接头内的最大电场强度点位于电缆绝缘内，值为14.787kV/mm，接近于电缆绝缘内的平均电场强度，其附近处电场分布云图见图8。应用普通三元乙丙橡胶制作应力控制体时，图2所示结构电缆接头内的最大电场强度点位于应力控制体内应力锥喇叭口与电缆绝缘表面相切处附近，值为70.903kV/mm，电场分布云图见图9。

对比以上结果可见，采用三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料制作应力控制体能明显改善高压直流电缆接头内的电场分布，避免接头内电场严重畸变，因此采用本试验应力控制体可减小预制接头的直径，减小预制接头体积，便于预制接头安装，并提高其散热性。

Claims

1.一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于该塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体是160kV～500kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，所述的160kV～500kV交联聚乙烯绝缘高压直流电缆接头用应力控制体由高压屏蔽层、增强绝缘体、应力锥和外屏蔽层组成，所述的增强绝缘体的两侧端口为梯形，所述的增强绝缘体由电导非线性绝缘材料制成；所述的电导非线性绝缘材料为液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料、混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料或三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料；

所述的混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶、10～20份非线性功能填料、5～20份气相法白炭黑、0.5～3份纳米三氧化二铁、0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由纳米氧化锌、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、碳纳米管、导电炭黑和纳米石墨组成；其中混炼硅橡胶为热硫化混炼型硅橡胶，气相法白炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米三氧化二铁的粒径为10nm～100nm，纳米氧化锌的粒径为10nm～100nm，纳米二氧化钛的粒径为10nm～100nm，纳米碳化硅的粒径为10nm～100nm，碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，且所述的碳纳米管直径为5nm～80nm和管长为1μm～15μm，导电炭黑的粒径为10nm～100nm，纳米石墨的片厚为10nm～100nm、片径为1μm～2μm；

2.根据权利要求1所述的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于所述的有机过氧化物为过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯或2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷。

3.根据权利要求1或2所述的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份液体硅橡胶、10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成。

4.根据权利要求3所述的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于液体硅橡胶基电导非线性绝缘材料中的纳米氧化锌的粒径为40nm～60nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～70nm，纳米碳化硅的粒径为40nm～60nm，碳纳米管为单臂碳纳米管、双臂碳纳米管或多壁碳纳米管，且所述的碳纳米管直径为5nm～20nm和管长为1μm～10μm，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为20nm～40nm、片径为1μm～2μm。

5.根据权利要求3所述的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份混炼硅橡胶，19.5份非线性功能填料，5～20份气相法白炭黑，0.5～3份纳米三氧化二铁，0.5～5份二苯基硅二醇和0.5～1.5份有机过氧化物制成，非线性功能填料由10份纳米氧化锌、2份纳米二氧化钛、6份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成。

6.根据权利要求3所述的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于混炼硅橡胶基电导非线性绝缘材料中的气相法白炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米三氧化二铁的粒径为50nm～70nm，纳米氧化锌的粒径为30nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为多壁碳纳米管，且所述的多壁碳纳米管直径为10nm～20nm和管长为5μm～15μm，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。

7.根据权利要求3所述的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料按重量份数由100份三元乙丙橡胶、19.5份非线性功能填料、5～40份气相法白炭黑、2.5～2.8份过氧化二异丙苯、0.2～0.4份硫磺和0.4～0.6份二苯甲酰对醌二肟制成，非线性功能填料由12份纳米氧化锌、1份纳米二氧化钛、5份纳米碳化硅、0.5份碳纳米管、0.5份导电炭黑和0.5份纳米石墨制成。

8.根据权利要求3所述的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于三元乙丙橡胶基电导非线性绝缘材料中气相法白炭黑的粒径为30nm～60nm，纳米氧化锌的粒径为20nm～50nm，纳米二氧化钛的粒径为40nm～60nm，纳米碳化硅的粒径为30nm～60nm，碳纳米管为单臂碳纳米管，且所述的单臂碳纳米管直径为5nm～10nm和管长为5μm～15μm，导电炭黑的粒径为20nm～40nm，纳米石墨的片厚为40nm～60nm、片径为1μm～2μm。

9.根据权利要求3所述的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于增强绝缘体的厚度为电缆绝缘厚度的2.5～3倍。

10.根据权利要求3所述的一种塑料绝缘高压直流电缆接头用应力控制体，其特征在于所述的应力锥、高压屏蔽层和外屏蔽层由半导电橡胶制成，且应力锥、高压屏蔽层、外屏蔽层和增强绝缘体是一体的。