基于数值仿真的可分离连接器电场分析和结构优化

张无波

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

在35 kV城市配电系统中,35 kV屏蔽型可分离连接器主要用于35 kV电压等级气体绝缘封闭组合电器(GIS)开关柜、户外电缆分支箱、户外箱式小型化变电站,以及城市架空线入地改造工程。可分离连接器使电缆与设备套管之间的电气连接无裸露金属件,连接器主绝缘的内外均有半导电屏蔽层,解决了导体连接处电场畸变、电缆绝缘轴向收缩等问题。连接器在安装后存在沿导体线芯轴向的电力线,使电场分布极不均匀,易产生较为明显的电场集中现象,由此成为高压电缆输电线路的薄弱环节和运行故障的典型部位。

对国内近十年电缆本体、附件故障的统计表明,电缆连接器质量故障占63%,连接器故障中73%源自界面放电[1-2]。

近年来,很多科研和工程技术人员在电缆设备的数值仿真和优化方面做了大量工作。韩云[3]针对40.5 kV带开关电缆分支箱结构特点,应用ANSYS软件对电缆分支箱进行电场分析,根据分析结果进行结构设计。牛会[4]利用Unigraphics软件分别建立了电力变压器绕组、引出线、高压套管区域的模型,并导入Ansoft软件进行电场分析,通过反复调整模型的结构尺寸和分析计算,最终达到绝缘要求。蒋志敏[5]围绕12 kV RX3型外置环网柜接地刀开关及其绝缘附件伞裙套管进行仿真分析和结构设计改进,通过仿真分析和测试,提出降低外置接地刀开关空气域和伞裙套管电场峰值的改进方案,使电场分布更加均匀,绝缘性能更强。

目前,电场数值仿真及优化技术的应用已经比较成熟,但针对可分离连接器电场仿真及优化的研究还比较少。笔者应用ANSYS有限元软件对35 kV屏蔽型可分离连接器的电场进行分析与优化,在减小连接器原始模型材料用量的基础上,获得能够满足电缆附件绝缘性能要求的结构尺寸与电场强度,为产品的设计改良提供数据支撑。35 kV屏蔽型可分离连接器如图1所示。

图1 35 kV屏蔽型可分离连接器

2 电场分析原理

根据静电场的性质可对麦克斯韦方程组进行简化,并引入标量电势函数φ,推导出各向同性、线性、均匀介质中电势函数满足泊松方程[6-8]:

2φ=-ρ/ε

(1)

场量在不同介质分界线面上满足边界条件:

(2)

式中:ε1、ε2为交界面处两种不同介质的介电常数;φ1、φ2为交界面处两种不同介质的电势函数。

第一类边界条件是给定边界上的值,第二类边界条件是给定边界上法向导数的值[9-10]。

(3)

式中:Ω为φ的定义域;Γ为定义域的闭合边界。

整个计算域内的变分问题可累加表示为:

(4)

令式(4)中F(φ)对φ的导数等于0,可得到线性代数方程组:

Kφ=0

(5)

式中:K为系数矩阵,又称刚度矩阵。

利用边界条件,可以求出每个节点的电位。然后由电位求出电场强度、电荷密度、电流密度等其它物理量。通过建立二维或三维电场计算模型,由有限元计算软件可方便实现上述计算过程,得出需要的计算结果。

3 可分离连接器电场分析与优化

可分离连接器与电缆进行安装配合的一端主要包含应力锥组件、高压屏蔽管与主绝缘等结构。应力锥与电缆绝缘界面、高压屏蔽管端部、安装电缆端拐角处等位置均能够引起等位线梯度改变,从而引起较为明显的电场集中。连接器使用过程中,安装电缆端是出现故障、破坏最多的位置,也是对连接器进行优化设计时最为关注的部位。对可分离连接器安装400 mm2截面电缆时的电场进行分析,如图2所示,位置1、位置2,以及高压屏蔽管端部倒角存在电场集中,连接器的增强绝缘厚度、内爬距与屏蔽管长度均能够影响连接器本体的电场强度及分布,优化设计中应考虑上述几个因素对连接器绝缘性能的影响。

图2 可分离连接器安装电缆端电场分布

3.1 安装电缆端拐角处优化

图2中位置1安装电缆端拐角处的电场强度为3 277 V/mm,电场云图如图3所示。虽然相比电缆附件,连接器本体场强要求具有较大安全裕度,但是由于位置较为特殊,因此对连接器安装电缆端拐角处进行优化,可以降低场强,防止附件在运行过程中外屏蔽老化产生局部放电。

可分离连接器安装电缆端的外轮廓线与接线端子端外轮廓线夹角为锐角,对拐角处的倒角半径进行优化时,将外轮廓线改变为垂直相交。采用这样的处理方法,虽然局部增大了材料用量,但是对工艺、使用性能方面而言均有所改善。同时,考虑到拐角处的倒角必须与两条外轮廓线相切,最大半径不能大于14 mm。逐渐增大拐角处的倒角半径,对电场进行计算,当倒角半径为12 mm时,最大场强已经下降到2 810 V/mm,降幅近14%,在较大程度上缓解了拐角处的电场集中,满足电气绝缘设计的要求。

图3 安装电缆端拐角处电场云图

3.2 应力锥曲线优化

预制式附件在工厂整体加工成型,附件的绝缘部件采用真空注塑一次成型,内部结构致密,不存在绝缘界面,但附件安装好后,与电缆绝缘面接合处存在一个绝缘界面。只要将该界面的切向电场控制在安全范围内,就能确保附件安全可靠。经研究发现,应力锥区域集中在附件上的场强大小主要取决于应力锥曲线的线形,因此对连接器应力锥长度基本不做改变,而是不断调整应力锥曲线线形,并验算电场强度。经过逐步调整,获得的优化前后连接器应力锥曲线如图4所示。

优化后应力锥沿面场强满足小于4.5 kV/mm的要求,且较优化前相同位置的场强大幅度降低,提高了设计的安全裕度。优化前应力锥根部的场强为3 717 V/mm,经过优化,同一位置场强均在2 600 V/mm以下,大大减小了该处的场强集中,同时可以缓解对应位置电缆绝缘上的场强,提高附件运行的安全性。

3.3 安装电缆端高压屏蔽管长度优化

可分离连接器安装电缆端的高压屏蔽管长度为110 mm,经过验算,虽然高压屏蔽管的长度对端部场强影响较小,但是高压屏蔽管对电缆导体与连接器接线管的安装有直接影响。连接器接线管一般通过压接的方式与电缆导体进行连接,安装时为了连接牢固,通常压四道卡,每道卡之间相距25 mm,加之两边各留5 mm间隙,因此屏蔽管长度设计为110 mm。经过与电力公司专家交流,确定连接器接线管与电缆导体安装时压接三道卡即可满足强度要求,并由企业方进行压接强度试验验证。基于上述原因,将高压屏蔽管的长度优化为80 mm,可以在较大程度上减小连接器安装所需空间及材料用量。

图4 可分离连接器应力锥曲线

4 结束语

笔者采用ANSYS软件进行电场仿真,完成了35 kV屏蔽型可分离连接器安装电缆端拐角处、应力锥曲线与高压屏蔽管长度的优化。

安装电缆端拐角处优化后,电场强度降幅近14%,在较大程度上缓解了该位置的电场集中,满足电气绝缘设计的要求。

应力锥曲线优化后大大减小了应力锥处的场强集中,同时可以缓解对应位置电缆绝缘上的场强,提高附件运行的安全性。

安装电缆端高压屏蔽管长度优化后,可以在较大程度上减小连接器安装所需空间及材料用量。

实践表明,应用ANSYS软件对可分离连接器进行电场分析和结构优化,是一种有效且节约成本的方法,可以广泛应用于同类产品的设计与研发中。