CN109388831A - 多应力锥电缆终端接头的计算分析方法 - Google Patents

多应力锥电缆终端接头的计算分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多应力锥电缆终端接头的计算分析方法，其特征在于：绝缘体和绝缘外表面均可看成电阻和电容并联的等效电路，该发明采用有限元理论分析和有限元方法对电缆终端接头的电场进行了仿真计算,对比仿真结果与实际测量结果,验证了电场分析方法的正确性和有效性；而且仿真得到了电缆终端接头的电位和电场分布,通过分析仿真结果表明:电缆终端头电场最大处在金属屏蔽层切口处附近,并随着应力锥弧度距离的增大,电场值逐渐衰减,到一定远处后,电场非常微小；有限元法调节电场分布并能优化应力锥结构尺寸效果非常明显，这些结论为进一步消除和研究电场奠定了基础。

Description

多应力锥电缆终端接头的计算分析方法
技术领域
本发明将从电缆终端应力分析，电缆接头的选材、仿真及模型物理实验设计几方面入手,对电缆接头裝置的设计和优化设计进行较为深入的研究。
技术背景
高压电缆接头是电缆和外部其他电气设备之间相互连接的端口,也是电缆冷却介质和制冷设备的连接端口。电缆中间接头是连接电缆与电缆的导体、屏蔽层和绝缘保护层的装置，电缆与电缆之间的连接，从电气角度可以视为是两个电缆终端的连接。有限元法（FEA，Finite Element Analysis）作为一种需要对整个区域进行剖分的数值方法，起源于20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。目前在电磁场分析中，有限元法是较先进的方法之一，它分析电场的基本原理是将所处理的对象首先划分成有限个单元(含若干节点),再根据标量电势求解一定边界和初始条件下每个节点处的电势,继而进一步求解其他相关量,该法可直观地了解应力锥内部每个点的电场分布情况,通过调整应力锥曲线形状和其轴向长度来调整其内部电场分布,还可通过调整应力锥端曲率改善其内部电场分布。
电缆终端接头是电缆线路的薄弱点. 在电力电缆发生故障的统计中，电缆附件的故障率大约为70%。为了改善电缆终端的电场分布，降低电缆屏蔽层边缘处的电场强度，采用了多种减少电场畸变的电缆终端处理措施，如:在电缆绝缘层上施加新的绝缘层,可以增大等效绝缘半径；在电缆屏蔽层边缘的绝缘表面涂以半导电漆，可以减少沿表面的阻抗和屏蔽层附近的电位梯度；在屏蔽层附近加装屏蔽接地环，增大曲率半径；釆用应力锥，强迫电场均匀分布等。目前国内外常用的产品结构型式主要有应力管和应力锥，材料均以室温液体硅橡胶和固体硅橡胶为主，根据产品的运行经验，这两种结构型式的产品短时间内能满足实际使用要求，考虑到产品在长期运行中的机械性能和稳定性能，选用了进口高温硫化液体硅橡胶（LSR）材料和半导电材料制作的应力锥结构型式产品，再加入高介电常数的填料等。LSR和半导电为同种基材，粘接牢靠，能保持长期稳定运行的可靠性和端部密封的最佳效果。
发明内容
多应力锥电缆终端接头的计算分析方法，其特征在于：绝缘体和绝缘外表面均可看成电阻和电容并联的等效电路，通过这样的等效方法，在电缆终端采用电容和电阻的集中参数将电缆终端处切向场强表达式的表示如下：
其中，代表电缆绝缘层单位长度的体积复导纳，代表电缆绝缘层单位长度的表面复导纳, x表示绝缘表面距原点的距离，负号表示绝缘界面的切向电场和x方向相反；表示电缆金属屏蔽层切断处与导线线芯裸露处之间的绝缘长度；的分布和x有关,当x=0时,,双曲余切函数当自变量为x=0时取得极大值,电缆屏蔽层边缘处电场强度最大,即最大电场发生在金属屏蔽截止点。
附图说明
图1为模型图；
图2有限元计算模型；
图3为电场强度云图；
图4为电场曲线分布图。
具体实施方式
高压电缆线路在远离电力电缆终端的区域，高压电缆每一相线芯外均有一接地的（铜）屏蔽层，导电线芯与屏蔽层之间形成径向分布的电场。正常电缆的电场只有从（铜）导线沿半径向（铜）屏蔽层的电力线，没有芯线轴向的电场（电力线），屏蔽和电缆导体之间相当于一个均匀的电容极板，其电场分布也均匀。如果在电缆的终端剥去一定尺寸的外护层和屏蔽层后，无论截止点距绝缘端点距离多长, 改变了电缆原有的电场分布，产生了电场畸变，产生了对绝缘极为不利的切向电场，在电缆外屏蔽切断处电力线较为集中。在忽略电感、电阻而主要考虑电容作用时,其等效电容可简化为由体积电容和表面电容组成的电容链。电容电流由高电位流向低电位,这样在金属屏蔽层附近所汇集的电容电流最大。由于电缆长度方向阻抗大致相同的情况下,金属屏蔽层附近的压降也就越大,因而场强最大。绝缘体和绝缘外表面均可看成电阻和电容并联的等效电路，通过这样的等效方法，在电缆终端采用电容和电阻的集中参数将电缆终端处切向场强表达式的表示如下：
（1）
其中，代表电缆绝缘层单位长度的体积复导纳，代表电缆绝缘层单位长度的表面复导纳, x表示绝缘表面距原点(金属屏蔽层切断口处)的距离，负号表示绝缘界面的切向电场和x方向相反。表示电缆金属屏蔽层切断处与导线线芯裸露处之间的绝缘长度。的分布和x有关,当x=0时,,双曲余切函数当自变量为x=0时取得极大值,电缆屏蔽层边缘处电场强度最大,即最大电场发生在金属屏蔽截止点。
电缆中的场强一般分为两类,即工频工作场强和冲击耐压场强。电缆主绝缘设计时需要同时考虑这两类场强,应力锥的设计只需要考虑绝缘的工频工作场强即可。传统方法是用计算公式通过经验值来计算应力锥锥面的曲线形状及应力锥轴向长度,再根据计算结果设计应力锥形状。由于电缆终端应力锥部件或电缆终端的整体结构属于轴对称结构，按照二维轴对称结构对电缆终端头和应力锥部件进行建模，设计半导电应力锥部件的整体结构形状尺寸，如图1所示。
——应力锥的增绕绝缘层的厚度为；Lk——应力锥轴向长度为
——电缆本体绝缘相对介电常数；——电缆增绕绝缘的相对介电常数；
U1——电缆承受电压，根据不同标准取设计电压UAC ；
rc——导体层外半径；R——本体绝缘外半径；Rn——增绕绝缘层外半径。
——切向场强；——法向场强
（2）
（3）
（4）
（5）
锥面方程为对数曲线，则有：
（6）
其中，
常用的传统方法是通过上述计算公式设计整体结构形状尺寸。实际上,由机床成形的对数曲线存在加工上的困难,一般用折线来取代锥面方程的理想曲线，常用的用一根直线或用两根或者两根以上直线来代替理想曲线，这里用多段圆弧来设计双应力锥曲线，沿此曲面各点的轴向场强不再满足曲面方程（6），场强不为常数而是随y值的变化而变化。用多段圆弧来设计的双应力锥曲面来替代理想的对数曲面，已接近理想曲线的应力锥效果要求，这里以设计的双应力锥曲面来进行分析。
电缆终端的电场分布是一个轴对称场，由于导体外没有自由电荷分布，满足拉普拉斯方程 ，按静态二维场结构进行分析，同时考虑有限元法作为一种需要对整个区域进行剖分的数值方法，在求解有界问题时是十分有效的，然而在实际工程中，往往存在许多无界电磁场问题，对于无界问题，则不能够直接利用有限元法进行计算，在实际工程应用中，常在远离中心场域处设一人工边界，并设该边界上的电位或磁位衰减为零。采用这种方法，计算精度和计算效率取决于边界范围取值的大小，当边界范围取值较大时，计算精度高，所需的计算机内存大，计算时间长，计算效率较低。反之，当边界范围取值较小时，计算精度则差。该发明以35kV的终端接头为例，按国家标准“GB/11017--2002额定电压U kV(Um=(1+10%)U交联聚乙稀绝缘电力电缆及其附件第3部分”,对于U kV电缆,试验电压U0=U/kV工频耐压试验电UAC =4.5U0 kV（取设计电压为UAC kV）,耐受时间5分钟。35kV属于中低压电压等级，UAC=117Kv,边界范围取值设为500mm,电缆终端绝缘层长度取70mm, 终端接头含有硅橡胶、交联聚乙烯和空气3（设置介电常数为1）种材料。建立有限元计算模型如图2所示。
设定和计算的相关参数如下：
通过调节电压等相关参数得出应力锥内的电场分布图形，如图3所示。以电缆终端S点为起始点，应力锥内曲线为映射路径得出电场模、电场X方向、电场Y方向曲线分布图，如图4所示。
节点数据表如下：
S E EX EY
0.0000 16051. -463.09 -16044.
1.4991 16342. -930.86 -16316.
2.9981 15762. -1119.7 -15722.
4.4972 15185. -1308.5 -15129.
5.9962 15410. -1468.2 -15339.
7.4953 15635. -1627.9 -15550.
8.8250 15236. -2410.0 -15044.
10.155 14884. -3192.1 -14537.
11.484 14081. -3633.6 -13604.
12.814 13310. -4075.1 -12671.
13.190 12969. -4132.2 -12293.
13.565 12630. -4189.3 -11915.
13.941 12120. -4163.7 -11383.
14.317 11613. -4138.1 -10851.
14.910 11097. -3658.5 -10477.
15.502 10591. -3178.9 -10103.
16.095 10354. -2821.2 -9962.7
16.688 10127. -2463.5 -9822.4
17.319 9983.2 -2133.3 -9752.6
17.951 9849.3 -1803.2 -9682.8
18.582 9871.2 -1493.4 -9757.5
19.213 9903.2 -1183.7 -9832.2
19.812 10035. -916.17 -9993.1
20.411 10175. -648.63 -10154.
21.009 10748. -433.90 -10739.
21.608 11327. -219.17 -11325.
22.298 11822. -1015.4 -11779.
22.987 12366. -1811.6 -12233.
23.677 11965. -2352.0 -11731.
24.366 11596. -2892.4 -11230.
24.745 11539. -2829.3 -11186.
25.123 11481. -2766.3 -11143.
25.501 11488. -2773.6 -11148.
25.879 11495. -2780.9 -11153.
26.139 11540. -2790.9 -11198.
26.398 11586. -2800.8 -11242.
26.658 11707. -2831.0 -11359.
26.917 11827. -2861.3 -11476.
27.220 12070. -2929.8 -11709.
27.522 12313. -2998.2 -11943.
27.824 12997. -3228.6 -12590.
28.127 13682. -3459.0 -13237.
28.343 14296. -4446.0 -13587.
28.559 14958. -5433.0 -13937.
28.776 15144. -6340.6 -13752.
28.992 15383. -7248.3 -13568.
29.209 15451. -8097.8 -13159.
29.425 15576. -8947.3 -12750.
29.641 15498. -9686.7 -12097.
29.858 15482. -10426. -11444.
30.074 15328. -11007. -10667.
30.291 15235. -11589. -9890.1
30.507 15008. -11973. -9049.0
30.724 14835. -12357. -8207.9
30.940 14591. -12612. -7337.8
31.156 14401. -12867. -6467.6
31.373 14101. -12963. -5549.2
31.589 13857. -13060. -4630.8
31.806 13549. -13024. -3733.7
32.022 13295. -12989. -2836.6
32.238 12956. -12800. -2005.5
32.455 12666. -12611. -1174.3
32.673 12338. -12331. -418.49
32.891 12056. -12051. 337.33
33.109 11694. -11648. 1033.4
33.326 11377. -11245. 1729.4
33.546 11011. -10760. 2339.2
33.766 10690. -10275. 2948.9
33.985 10328. -9735.2 3448.1
34.205 10007. -9195.5 3947.2
34.426 9645.5 -8616.1 4335.8
34.647 9322.3 -8036.6 4724.3
34.868 8965.5 -7439.9 5002.8
35.090 8644.2 -6843.3 5281.2
35.313 8289.3 -6242.2 5454.1
35.536 7967.7 -5641.1 5626.9
35.759 7620.2 -5058.6 5698.9
35.981 7303.4 -4476.2 5770.9
36.206 6961.1 -3923.7 5749.9
36.431 6647.3 -3371.3 5728.9
36.655 6312.7 -2867.0 5624.1
36.880 6003.8 -2362.7 5519.3
37.056 5744.8 -2005.2 5383.4
37.233 5500.2 -1647.7 5247.6
37.409 5242.0 -1330.0 5070.5
37.585 4997.0 -1012.4 4893.4
37.763 4727.6 -736.17 4669.9
37.942 4470.1 -459.97 4446.4
38.120 4154.0 -247.36 4146.7
38.298 3847.1 -34.756 3846.9
此时端部最大电场强度15576V/mm远小于25kV/mm(常规设计硅橡胶外表面的最大切向电场强度控制值)，硅橡胶与交联聚乙烯界面场强16342V/mm远小于25kV/mm (常规设计控制值)，硅橡胶外表面的最大切向电场强度小于25kV/mm,远小于硅橡胶表面闪络电场强度。
试验数据与与技术指标标准如下：
该发明采用有限元理论分析和有限元方法对电缆终端接头的电场进行了仿真计算,对比仿真结果与实际测量结果,验证了电场分析方法的正确性和有效性。而且仿真得到了电缆终端接头的电位和电场分布,通过分析仿真结果表明:电缆终端头电场最大处在金属屏蔽层切口处附近,并随着应力锥弧度距离的增大,电场值逐渐衰减,到一定远处后,电场非常微小。有限元法调节电场分布并能优化应力锥结构尺寸效果非常明显。这些结论为进一步消除和研究电场奠定了基础。

Claims (1)

1.多应力锥电缆终端接头的计算分析方法，其特征在于：绝缘体和绝缘外表面均可看成电阻和电容并联的等效电路，通过这样的等效方法，在电缆终端采用电容和电阻的集中参数将电缆终端处切向场强表达式的表示如下：
其中YV代表电缆绝缘层单位长度的体积复导纳，YS代表电缆绝缘层单位长度的表面复导纳,x表示绝缘表面距原点的距离，负号表示绝缘界面的切向电场和x方向相反；l表示电缆金属屏蔽层切断处与导线线芯裸露处之间的绝缘长度；Ε的分布和x有关,当x＝0时,双曲余切函数当自变量为x＝0时取得极大值,电缆屏蔽层边缘处电场强度最大,即最大电场发生在金属屏蔽截止点。
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