高压及超高压XLPE电缆户外终端设计

赵海军， 周长城

（沈阳古河电缆有限公司，辽宁 沈阳110115）

0 引 言

电缆户外终端是电缆系统的重要组成部分，安装在电缆的末端，以保证电缆系统与其他部分的电气连接，是高压及超高压电缆投入电网运行时必不可少的附件。与电缆相比，电缆户外终端是薄弱环节，其故障率高于电缆，因此电缆终端作为关键的连接装置，将直接影响到电缆线路的安全运行。

目前，国内文章多集中在电缆户外终端运行击穿故障的分析处理［1］，绝缘油老化和漏油缺陷原因分析［2-4］，应力锥与电缆绝缘在分界面处有缺陷时的电场分布［5］，预制橡胶应力锥在电缆终端中的应用、应力锥的锥面曲线设计方法和研究情况［6］，结构形式和橡胶材料对220 kV交联电缆终端应力锥应力分布的影响［7］的报道。对于户外终端设计理论介绍较少，本文对影响户外终端质量的界面压力、电场强度分布和机械力等3个方面进行理论阐述。

1 户外终端结构

目前，国内外多采用以下2种预制橡胶应力锥（以下简称应力锥）增强绝缘方式控制户外终端电场分布，一种是在应力锥外部有环氧套管，用压紧弹簧对应力锥施加压力，保证界面压力均匀，提高了终端的绝缘与电缆表面的放电水平，同时也增加了电缆表面的电场场强，如图1（a）。另一种是无环氧套管和压紧弹簧结构，只靠应力锥自身的收缩力来满足界面压力的要求，如图1（b）。

2 户外终端理论设计

2.1 界面压力设计

界面压力主要指应力锥和电缆绝缘之间的压力，由应力锥内径与电缆绝缘外径的径差来实现，较低的界面压力容易造成沿界面击穿。

有环氧套管和压紧弹簧结构，可以根据弹簧提供的力来计算界面压力的大小。

无环氧套管和压紧弹簧结构，需要根据Roark公式计算界面压力：

式中：P为界面压力（MPa）；Dx为电缆绝缘外径（mm）；D0为应力锥外径（mm）；d为应力锥内径（mm）；E为材料的弹性模量（MPa）；ν为材料的泊松比。

由式（1）可以看出，界面压力与应力锥材料特性和结构尺寸的设计有关。对于选定材料，根据式（1）计算出界面压力与应力锥内径成反比，如图2所示；界面压力与应力锥外径成正比，如图3所示。由图2和图3可知，界面压力与内径的斜率是外径的26倍，内径对于界面压力的影响远大于外径的影响，因此在设计应力锥结构时应合理考虑内、外径尺寸关系。

图1 户外终端结构

图2 界面压力与应力锥内径关系

图3 界面压力与应力锥外径关系

界面压力的设计与界面电场强度、应力锥的安装和电缆的运行有关。为研究界面压力与界面电场强度的关系，选用与应力锥和环氧绝缘体相同的材料制作试块，施加一定的界面压力P，试验装置示意图如图4所示。

图4 试验装置示意图

试验前将试验装置在绝缘油中静置一段时间，待气泡消失后进行试验。当界面压力P为定值时，通过施加工频电压直至界面发生击穿，记录此刻的击穿电压。通过不同界面压力进行试验模拟，得到界面压力与界面电场强度的关系曲线，如图5所示。

图5 界面压力与界面电场强度的关系

由图5可知，当界面压力等于零时，界面电场强度略大于空气的电场强度，随着界面压力增大，界面电场强度增大，当界面压力增大到一定程度后，界面电场强度趋于稳定［8］，接近绝缘橡胶电场强度［9］。

界面压力设计过大，不利于应力锥的安装，同时运行时易造成电缆“竹节”现象［10］。因此建议界面压力控制在0.1～0.3 MPa范围内。

2.2 电场强度设计

在户外终端安装时，首先将电缆的外护层、金属层和绝缘屏蔽剥去，导致了屏蔽末端处的电场强度急剧增大，如图6所示，图6中，左边只剥去金属套，右边同时剥去金属套和电缆绝缘。

应力锥由半导电和增强绝缘两部分组成，半导电和增强绝缘结合部设计成圆弧结构，增大等效半径、均化电缆绝缘屏蔽处的电场强度。圆弧起点电场强度根据圆形单芯电缆绝缘层中的电场分布［11］公式（2）计算。圆弧面和终端其他部位电场分布利用电场分析软件ANSYS进行优化。

图6 电缆终端的电场分布

式中：E为电场强度（kV／mm）；U为施加电压（kV）；Ri为绝缘半径（mm）；rc为导体半径（mm）。

由于户外终端内填充的绝缘油没有经过去气处理，同时户外终端上部预留空气腔，导致内绝缘耐受电场强度降低，因此应力锥在户外终端内的位置不能太高，否则会导致终端内绝缘击穿；应力锥在户外终端内的位置太低，会造成终端套管表面电场分布不均匀，易产生电晕放电。户外终端内绝缘油电场强度小于1.5 kV／mm（空气击穿强度的一半），套管表面电场强度小于电晕放电起始电场强度（0.45 kV／mm）［12］，按照此原则设计应力锥在户外终端内的位置。

2.3 机械力设计

户外终端开发设计过程中，需要考虑运行中户外终端耐受以地震力、风力、短路电磁力等3种机械力。

（1）地震力

地震力施加在户外终端上的弯曲力矩MQ为：

式中：η为地震水平方向加速度；W1、W2、W3分别为套管质量（kg）、上部金具质量（kg）和绝缘油质量（kg）；L1、L2、L3分别为套管底部到套管重心距离（mm）、到上部金具重心距离（mm）和到绝缘油重心距离（mm）；N为根据3次波模拟共振产生的应答倍率。

（2）风力

风力施加在户外终端上的弯曲力矩Mb为：

式中：L为套管中心高度（mm）；P为风压力（N）；ρ为15 ℃时的空气密度（1.226 kg／m3）；V为风速（m／s）；C为风力系数；A为套管断面积（mm2）；g为重力加速度。

（3）短路电磁力

短路电磁力在户外终端上的弯曲力矩MI为：

式中：LP为套管高度（mm）；FI为作用于导体上的力（N／mm）；I为短路电流（kA）；S为相间距（mm）；g为重力加速度。

户外终端运行时所承受的弯曲力矩总和M1＝MQ+Mb+MI，套管弯曲破坏试验所承受的弯曲力矩M2，当M2／M1≥2.5 时，设计满足户外终端的运行要求［13］。

3 结 论

（1）界面压力设计需综合考虑其与应力锥的内径和外径的比例、界面耐受电场强度、应力锥安装和终端运行的关系，建议其设计值在0.1～0.3 MPa范围内。

（2）应按照绝缘油中电场强度小于1.5 kV／mm，套管表面电场强度小于0.45 kV／mm来设计应力锥在户外终端内的位置。

（3）当套管破坏弯曲力矩大于等于户外终端运行时受的地震力、风力、短路电磁力等机械外力力矩和的2.5倍时，机械力满足户外终端的运行要求。