电缆附件非线性扩张变形及其对策

王佩龙，王锦明，李智文，罗继辉，徐明良

（长园电力技术有限公司，广东珠海519085）

电缆附件非线性扩张变形及其对策

王佩龙，王锦明，李智文，罗继辉，徐明良

（长园电力技术有限公司，广东珠海519085）

电缆附件的橡胶部件扩张时会发生非线性变形，导致绝缘厚度减薄、长度变短，使应力锥和高压屏蔽管的局部形状发生变化。在500 kV超大截面电缆附件设计中，非线性扩张变形是一个不容忽略的重要因素。概述在设计国产500 kV、3 500 mm2XLPE绝缘电缆用电缆附件时，对橡胶件的非线性扩张变形影响分析和处置方法。

交联聚乙烯绝缘电缆附件；橡胶预制件；扩张；非线性变形

0 引 言

电缆附件用的橡胶部件，例如中间接头、终端应力锥等，是轴对称几何形状的弹性体，扩张时会发生非线性变形。

电缆附件橡胶件扩张引发的非线性变形是电缆附件设计时应考虑的因素之一。在110 kV及以下电压等级的电缆附件设计时，由于产品的绝缘裕度较大，为了简化设计程序，通常忽略一些影响电场变化的次要因素。然而，对500 kV交联电缆附件，各项设计参数已接近极限，电气的安全裕度很小［1］，必须尽可能地把各种影响产品性能的因素都考虑进去，求取最佳的设计。本文将概述在设计国产500 kV、3 500 mm2XLPE绝缘电缆用电缆附件时，橡胶件的非线性扩张变形的影响和处置方法。

1 电缆附件橡胶件扩张引发的非线性变形

为了检验电缆附件的橡胶件扩张引起的非线性变形情况，将一个110 kV、1 000 mm2中间接头，安装在相同规格的电缆绝缘上进行扩张。径向切开后，在横截面上测量各主要部件的径向尺寸（直径），观察扩张前、后各径向尺寸的变化，如图1和表1所示。图1中，d为接头内径；D1为高压屏蔽的外径；D2为接头绝缘外径；T1、T2为接头体的绝缘厚度。

图1 110 kV、1 000 mm2接头橡胶体

表1 110 kV、1 000 mm2预制式接头扩张前后径向尺寸比较 （单位：mm）

表1为对图1接头橡胶体在扩张前、后各部件径向尺寸变化的测量。不难看出橡胶接头体扩张后，绝缘层从内侧到外侧的扩张变形量的非线性降低，绝缘层厚度减薄。由此可以推断：应力锥角度和形状，高压屏蔽厚度和端部形状均会有不同程度的改变。

轴对称几何形状的弹性体的扩张形变，可以通过弹性力学原理进行分析、计算。文献［2］用极坐标对厚壁圆筒模型的扩张形变进行分析，得出了基本方程及相应的边界条件如下。

平衡方程：

几何方程：

本构方程：

式中：E为弹性模量；γ为泊松比；σr为径向应力；σθ为切向应力；σz为轴向应力；εr为径向应变；εθ为切向应变；εz为轴向应变；μ为位移。

边界条件为：

对上述方程组的计算，可以根据扩张前的半径计算出扩张后的半径，也可以根据扩张后的半径，计算得到扩张前的半径。

用上述方程组进行变形计算比较复杂，如果忽略橡胶体扩张引起的轴向收缩变形，在实际电缆附件设计时，也可以采用式（5）进行近似计算。

式中：D为橡胶体扩张前外径；D1为橡胶体扩张后外径；d为橡胶体扩张前内径；d1为橡胶体扩张后内径。

式（5）的计算结果比实际值略小，因为橡胶体的轴向收缩会使它的径向厚度略有增加。式（5）的计算结果，与表1的实测结果基本相符。说明所采用的计算方法是正确的，可以用于电缆附件的设计。

2 橡胶件扩张变形对电缆附件性能的影响

橡胶件的非线性变形至少在下列两方面影响电缆附件的电气性能。

2.1 对电气性能的影响

500 kV、3 500 mm2接头设计是在橡胶体扩张到电缆绝缘上的实际工作状态下进行仿真计算的。通过对绝缘厚度、电极形状及位置的调整，使接头绝缘内部各关键部位的场强得到合理的控制，让电场分布处于良好状态，如图2所示。

图2 500 kV、3 500 mm2接头等电位线的分布及其关键部位的场强分布

如果不考虑橡胶体的非线性变形，简单地将上述工作状态的绝缘厚度、电极形状及其布置作为加工尺寸，这样生产出来的橡胶件再次扩张到电缆绝缘上，电场分布状况会发生明显的变化。计算结果表明，高压屏蔽电极端部的最大电场由7.01 kV/mm增加到9.86 kV/mm，提高了40%；高压屏蔽电极的中间部位由5.30 kV/mm增加到5.75 kV/mm，提高了8%；应力锥端部的最大电场由2.13 kV/mm增加到2.55 kV/mm，提高了近20%；在电缆绝缘界面上，近高压屏蔽电极端部处的电场，由2.5 kV/mm增加到2.63 kV/mm，提高了5.2%。

上述计算结果表明，忽略非线性变形后，对接头内部的电场有明显的影响，尤其是在高压屏蔽电极端部和应力锥端部等电极形状变形较大的部位，电场变化也较大。

2.2 界面压力发生变化

电缆附件橡胶件扩张的非线性变形会使界面压力发生变化，造成界面电气强度降低。这一点在GIS终端的环氧树脂套管内壁与橡胶应力锥的接触界面（见图3）尤为敏感。

图3 GIS终端界面压力分析示意图

在图3的界面设计中，按设计的要求应该将橡胶应力锥的外锥面与环氧套管内锥面完全贴合（角度一样），以保证全部界面上的电气强度等强。然而，应力锥扩张的非线性变形后，使应力锥的角度变小，即应力锥靠近前端的变形量大于后端的变形量。在弹簧压力P的作用下，前端界面压力增大，后端压力减小。尽管这两端的界面压力的差异不大，但对界面电气强度的影响还是不容忽视的。特别是在界面压力较低的情况下，界面电气强度受界面压力的影响十分敏感。例如，硬度为A30～A40的硅橡胶，界面压力从0 MPa到0.1 MPa变化时，界面工频击穿强度相差4倍［3］。

3 考虑橡胶件扩张变形的500 kV电缆附件设计

上述计算分析表明，对于超高压、大截面电缆附件的设计，忽略橡胶件非线性扩张变形是不合适的。500 kV电缆附件的电性能设计必须考虑橡胶件扩张前后电极形状、位置和绝缘厚度非线性变化的因素。

以500 kV、3 500 mm2中间接头橡胶体的设计为例，正确的设计程序应该首先按附件的实际工况（即附件已正确地安装在电缆绝缘上）进行绝缘设计，确定电极形状、位置及绝缘厚度等结构尺寸；然后，再从实际工况下的设计推算到橡胶件在松弛状态下（安装前）的结构尺寸，作为工厂加工尺寸。图4为设计程序的框图。

图4 500 kV、3 500 mm2的中间接头橡胶体设计程序

4 结束语

电缆附件用的橡胶部件是轴对称几何形状的弹性体，扩张时的非线性变形会改变绝缘厚度和电极形状，从而影响电气强度。

对于500 kV超高压电缆附件的设计，可以先按照实际运行时的扩张状态进行绝缘设计，然后通过计算，取得橡胶件在安装前的松弛状态下的结构尺寸，作为加工尺寸。这样可以确保附件在扩张安装后的形状处于最佳电气状态。

［1］ 钟海杰，王锦明，王佩龙，等.500 kV交联聚乙烯电缆及附件的试制［C］∥2015年全国输配电技术协作网会议，北京. 2015.

［2］ 王霞，柳松，吴锴，等.一种新型高压电缆附件优化设计方法［J］.西安交通大学学报，2013，47（12）：102-109.

［3］ 王佩龙.高压电缆附件的电场及界面压力设计［J］.电线电缆，2011（5）：1-4.

Nonlinear Elastic Deformation of Cable Accessories during Expansion and Their Solutions

WANG Pei-long，WANG Jin-ming，LIZhi-wen，LUO Ji-hui，XU Ming-liang
（Chang Yuan Group Electric Co.，Ltd.，Zhuhai519085，China）

Nonlinear deformation will occurs，resulting in thinning of insulation thickness，shortening of the length，shape of stress cone and HV shield tube is changed when the rubber componentof cable accessory expansion.For the large cross-section 500 kV cable accessories design，the nonlinear deformation expansion is an important factor and cannot be ignored.This paper presents the nonlinear elastic deformation of cable accessories during expansion and their solutions during the design of 500 kV 3 500 mm2cable accessories

XLPE cable accessory；pre-molded rubber part；expansion；nonlinear elastic deformation

TM203

：A

：1672-6901（2016）06-0001-03

2016-08-28

王佩龙（1940-），男，教授级高级工程师.

作者地址：广东珠海市金峰北路89号［519085］.