高压电缆附件的电场及界面压力设计

王佩龙

(泰科电子有限公司，上海200233)

0 引言

高压电缆及其附件的故障可能源自设计、生产、安装、使用不当(包括外力破坏)等多方面的原因，但是产品设计是最基本环节。严格地讲，产品设计应该尽可能将生产、安装和使用中可能发生的问题降低到最小。

当今，国内外超高压交联电缆基本上是采用预模型橡胶应力锥电缆附件，它们的结构大同小异，十分相似［1］。随着橡胶加工设备和工艺的日趋成熟和材料供应的专业化，模仿制作一些电缆附件并不十分困难。但是，一个没有经过周密、精确设计的高压电缆附件，即使能通过国家标准规定的型式试验，还是一个含有隐患的产品:表现在绝缘裕度不高，寿命不长，同一品种的各种规格产品的绝缘水平不一致，或者各批次产品质量不一致等。周密、精确的设计是保证高压电缆附件性能的基本环节，简单的模仿不是开发高压交联电缆附件的正确途径。

高压交联电缆附件的设计是一项涉及电气、机械和热力学的复杂过程。简单的经验公式不足以满足现代高压交联电缆附件的设计要求，必须用计算机软件辅以必要的模拟试验才能完成优化和系列化的高压电缆附件的设计。

本文论述了电场控制和界面的压力设计的基本理念、计算方法和结果处理。笔者已经用这些方法成功地开发出110～220 kV成套电缆附件［2］。

1 关于电场调整

电缆附件内外的电场分布是通过调节电极形状和电极间相互位置来实现的。需多次计算、验证和比较，不断优化才能完成一个好的电场分布结构。

电极形状的设计主要是应力锥曲线的确定。目前国内一些制造厂商是参照文献［3］、［4］推荐的方法计算的。这一方法的基本原则是控制沿电缆绝缘与橡胶应力锥的交界面上的切向电场Et，使它尽可能地均匀，并导出一个用集中参数表达的公式。事实证明，此公式对初步确定应力锥形状是有效的。

电极形状和位置初步确定后，可以用计算机软件对高压电缆附件内外电场分布进行精确计算。随着计算机硬件和软技术的进步，当今二维和三维电场的计算技术已趋成熟。本文图1列出的电场分布图表已经是计算机直接输出的计算结果。

以中间接头为例说明高压电缆附件电场设计的程序。首先可以用等电位线分布的计算对所设计的电缆附件的整体电场分布进行评估，之后还必须对各关键部位的电场强度作精确计算。图1～图4示出一个中间接头设计的电场分析结果例。

图1 中间接头的等电位线分布

图1 是对一个中间接头等电位线分布的计算结果。图1中共有20条等电位线，每2条等电位线的电位差为5%。由图1可见，它的等电位线分布是比较均匀的，可以评定所设计的电缆附件的整体电场布局是合理的。

影响中间头电气性能的最关键的位置是:高压屏蔽电极表面的场强E1，高压屏蔽电极端部的场强E2，电缆绝缘与接头绝缘界面的场强E3和应力锥根部的场强E4。控制好E1～E4这些敏感部位的电场是至关重要的。图2是对上述关键部位的电场强度(E1～E4)精确计算的结果。

由图2a可见沿电缆绝缘和接头绝缘的界面的电场E3的分布，其最大场强E3max在应力锥的根部，小于设计允许值。E3场强的切向分量很小。图2b是高压屏蔽表面的电场E1和E2的分布，最大强度E1max和E2max在高压屏蔽电极的端部，其值都小于设计允许值。在图2b中还可以看到，在端部区域的电场呈现有“毛刺”，说明这一部分的电场还可以进一步改善。图2c显示了沿应力锥表面上的电场E4的分布，可以证明应力锥曲线的形状和位置的设计都是合适的。

用同样方法可以分析计算户外终端或GIS终端的的电场，这里就不再赘述。

图2 中间接头的电场分析计算结果

2 于绝缘界面的压力

高压电缆附件内存在不少由不同绝缘介质构成的界面，例如电缆绝缘和橡胶应力锥的交接面等。界面的强度与界面压力有直接关系。图3示出一组硅橡胶交界面上的实验结果。由图3可见，绝缘介质界面压力越大，界面的介质强度越高。在界面压力等于零的时候，界面的介质强度仅等于该介质表面沿面的电气强度;在界面压力增大到一定程度后，界面的介质强度可以接近于该介质本体的电气强度;之后，界面压力再增大，界面的介质强度不再有明显增长。

图3 界面压力与界面击穿强度的实验结果

界面的介质强度还与材料表面的粗糙程度和材料的硬度有关。材料表面越精细(光滑)，界面的强度越高。不同的介质组成的界面(例如:橡胶-橡胶，橡胶-XLPE，橡胶-环氧树脂等)的电气强度变化数值会有较大差异，但趋势基本一致。对电缆附件设计来讲，界面应力的电气强度是十分重要的参数。严格地讲，设计者应该通过测试确定适合所选用材料的参数。

图4 示意一种测试电缆与应力锥接触界面在不同界面压力下介电强度的试验方法。当然，如果没有条件做试验，用手册上的数据放一些余量进行估算，也不失为一个弥补的方法。

图4 应力锥界面压力与介电强度的测试方法例

正确设计界面压力是电缆附件设计的重要内容。压力太小，界面的电气强度达不到要求;压力过大不仅无助于界面的电气强度，也造成安装困难(太紧)。此外，橡胶件压紧力过大，还会在电缆负荷循环后造成“竹节”现象损坏电缆绝缘(见图5)。

图5 应力锥压力造成电缆绝缘的“竹节”现象

一般来说，界面的最小压力是电气强度决定。对硬度为A 30～A 40的硅橡胶来说，最小压力大约为0.10 MPa;对硬度为A 80左右的乙丙橡胶，最小压力在0.16 MPa左右。界面的最大压力以不损坏电缆绝缘(造成“竹节”现象)为原则。从安装角度考虑，界面的最大压力不希望超过0.30 MPa。界面压力取决于橡胶件的扩张率和材料的弹性模量，可以通过计算或用模拟试验求取材料的扩张率与界面压力得到关系。图6示意某些材料的扩张率与界面压力的关系。

图6 某些橡胶的扩张率与界面压力的关系

图6 展示了图1所示的中间接头界面压力校核计算的结果。图6中上面曲线表示接头本体在最大扩张(接头安装在最大规格的电缆上)范围时的界面压力分布;下面曲线是在接头本体最小扩张(接头安装在最小规格的电缆上)范围时的界面压力分布。横坐标表示距离，对应接头体各点的位置。

由图7可见，在应用范围内，界面上的压力分布在0.1～0.3 MPa之间。界面的最小压力(0.1 MPa)可以保证电气强度的要求，界面的最大压力(0.3 MPa)不会损坏电缆绝缘(造成“竹节”现象)，也不会对安装造成困难。这是较理想的设计。

图7 图1的中间接头界面压力的计算结果

界面压力计算可以通过计算机软件实现。计算时输入模型的结构尺寸、外界条件(外作用力，温度变化等)、材料的性能(硬度，弹性模量等)、界面材料间的摩擦系数等。一些非常数型参数，例如弹性模量是随扩张率变化的参数，可以把变数输入。

图8 是以GIS终端为设计例说明建立界面压力的计算模型所需考虑的主要因素。图8的主要分析对象应该是界面A(橡胶应力锥与环氧树脂套管之间的界面)和界面B(电缆绝缘和橡胶应力锥之间的界面)。参与分析的主要变数是从弹簧装置传递来的压力P、电缆绝缘尺寸(使用范围)的变化和温度(－40～80℃)变化引起材料热涨冷缩对界面压力的影响。

图8 GIS终端界面压力的计算模型

经计算，可得到各种变数下界面A和界面B的界面上的压力变化曲线，从而判断设计的合理性。

3 关于老化因素的考虑

国内超高压交联电缆附件采用的主要原材料是乙丙橡胶(EPR)、高温硫化橡胶(HTV)或液态硅橡胶(LSR)。这些都是有机材料，在电缆附件的寿命期(20～30年)内，其电气和机械性能不可避免会下降，因此高压电缆附件的设计时必须考虑绝缘材料和接触面的老化因素，可用寿命长度法则来描述:

式中，E为绝缘电场;t为电场应用时间;N为寿命指数。

对上式取对数，就可以得到图9的曲线。由图9曲线可见，N值越大，材料的老化性能越好。

图9 老化时间曲线

绝缘界面上分子的平均距离比绝缘主体部分的分子距离大，导致分子链的高能量和分解更快。而且，高压电缆附件内主要的界面是在现场安装时生成的(例如:电缆绝缘与应力锥的界面)，界面层的污染是在所难免的。界面层的污染将明显增加局部电场，从而加速老化。所以绝缘界面的老化性能比绝缘主体部分更差些。

事实上，在电缆附件的设计中对上述老化因素进行精确设计是不可能的。通常采取的方法之一是适度提高设计电压。设计电压的选定尚没有标准可遵循，下列方式是一个较为合理的例子。

(1)交流设计电压的选定

式中，VAC为交流设计电压;Um为附件使用的最高电压(kV);K1为AC电压温度系数，通常取1.1;K2为AC电压老化系数，根据材料的E-t特征曲线计算，K2=(30年 ×365天 ×24 h/试验时间(h))1/n，n为寿命指数;K3为不确定因素或安全系数。

以220 kV附件产品为例，交流设计电压为:

K2=(30年×356天×24 h/试验时间(h))1/n=2.83，设寿命指数 n= 12

(2)冲击设计电压的选定

式中，BIL为基准冲击电压(kV);K1为冲击电压温度系数，通常取1.1;K2为冲击电压老化系数;K3为不确定因素或安全系数。

以220 kV附件产品为例，冲击设计电压为:

4 系列设计的原则

一个高压电缆附件产品往往有多种不同的规格，而每一个规格的电缆附件往往又覆盖了若干个电缆尺寸。做型式试验和预鉴定试验的只有其中一个规格附件安装在某一个尺寸的电缆上(国家标准和IEC标准都荐选用最大规格的电缆和附件)。严格地讲，试验的结果只表明这一个特定规格的样品的设计和质量信息。因为事实上每一个规格的电缆附件使用在不同尺寸电缆上的时候，它的电场和界面压力情况都有所不同，特别是界面压力变化会有较大变化，如图7所示。

因此，在产品系列设计时，应该校核每一个规格使用在不同截面电缆时的电气和界面压力的变化情况，确保在所有情况下系列产品都具有不低于通过型式试验和预鉴定试验的产品性能。看起来有点繁琐，但这是系列设计的重要原则。

5 结束语

现代高压交联电缆附件的设计是一项涉及电气、机械和热力学的复杂又相互牵制的过程。简单的经验公式已经不足以完成一个优良设计，必须用计算机软件辅以必要的模拟试验才能完成最优化和系列化的设计。

电场分布和组合绝缘的界面上的压力调整是现代高压交联电缆附件设计中两个基本设计内容。目前市场上还少有针对高压交联电缆附件设计的专用软件，设计者只能根据电缆附件产品的特点，用一些通用软件进行计算。

［1］王佩龙，车年坚.高压交联电力电缆附件选型的若干问题［J］.电力设备，2004，5(8):18-22.

［2］Wang Peilong，Yao Justin.Development of 126 kV flexible，dry tType outdoor cable termination［C］.Tyco Electronics Technical Conference 2009.

［3］应启良，王佩龙，魏 东，等.城市电网地下输电用高压电缆附件的发展［C］∥1996年亚洲线缆会议文集，上海，1996:51-61.

［4］应启良，魏 东，高小庆，等.我国高压及超高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的应用与发展［J］.电线电缆，2001(3):3-9.