高压XLPE电缆整体预制接头电性能设计

赵海军， 周长城

（沈阳古河电缆有限公司，辽宁 沈阳110115）

0 引 言

交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆从20世纪60年代开始被应用至今［1］，以其优异的性能被广泛用于输电线路，然而电缆制作长度一般在1 000 m以下，需要电缆接头连接两段电缆。电缆接头是电缆系统的重要组成部分，其绝缘空间小，承受电场强度大，制造工艺复杂，事故发生率高［2］。

目前，国内文章报道多集中在：电缆接头故障原因分析［3］，接头故障后修复方案研究［4-5］，接头电场、界面压力、各种缺陷的仿真分析［6-8］，接头出厂电气试验方法［9］等。对于整体预制接头电性能设计理论介绍较少，本工作对影响整体预制接头电场分布的关键部位设计和消除材料老化、温度影响的电压设计分别进行理论阐述。

1 整体预制接头结构

目前，电缆接头主要有组合预制接头和整体预制接头2种，组合预制接头在工厂环境下成型多个预制部件，现场组合安装相对繁琐，绝缘界面多；整体预制接头在工厂环境下整体成型，现场安装过程相对容易，绝缘界面少，便于质量控制，实际工程应用较多［10-12］。

整体预制接头结构示意图见图1。

图1 整体预制接头结构

由图1可知：整体预制接头由四部分组成。内部电极由半导电橡胶材料制造而成，起屏蔽两端电缆导体连接部的作用；应力锥由半导电橡胶材料制造而成，通过增大等效半径缓和电缆外屏蔽末端处电场；绝缘层由绝缘橡胶制造而成，起增强绝缘的作用；外导电层由半导电橡胶制造而成，是绝缘层外部的屏蔽层。这四部分在工厂净化车间内整体成型。

2 整体预制接头电场设计

2.1 影响电场分布的关键部位设计

整体预制接头电场设计时，考察了4个部位的电场：内部电极正上方电场（E1）、内部电极前端电场（E2）、接头与电缆绝缘界面电场（E3）和应力锥起锥点电场（E4），整体预制结构关键部位电场强度见图2。在接头结构中影响电场强度和分布的3个关键部位：绝缘厚度、内部电极、接头／电缆绝缘界面。

图2 整体预制结构关键部位电场强度

（1）绝缘厚度

接头的绝缘厚度直接影响E1的大小。由于内部电极的平坦部的截面是圆柱形，因此，可以根据单芯电缆绝缘层中的电场分布确定所需的绝缘厚度。

式中：t为绝缘厚度（mm）；E为橡胶材料击穿试验获得的击穿电场强度（kV／mm）；U为接头设计目标电压（kV）；Do为接头外径（mm）；do为内部电极外径（mm）。

（2）内部电极

内部电极前端圆弧直接影响E2的大小，其曲率半径增大，会使E2降低，这样会使内部电极厚度增大，直接导致接头外径变大。在不增加内部电极厚度的情况下，将内部电极前端圆弧设计成由2个或2个以上曲率半径组合的形状，可以使E2降低。

内部电极长度设计时需综合考虑3个方面：导体连接部的屏蔽效果、电缆导体压接伸长量和导体露出长度。为了保证屏蔽效果，内部电极与电缆绝缘搭接长度不小于30 mm。

（3）接头／电缆绝缘界面

界面电场强度最大值出现在应力锥起锥点附近。通过增大应力锥曲率部位的长度L1可以使界面长度增大，降低界面部位电场E3，但将导致橡胶体长度增大。通过增大内部电极的内径d i，可以降低界面部位电场，但是在不改变接头外径的情况下会导致E1和E2增大。

界面电场强度与界面压力有关，界面压力设计过小，会造成界面的沿面放电［13］，界面压力增大到一定程度后，界面电场强度接近绝缘橡胶电场强度［14］。

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因此，整体预制接头电场分布设计时应整体优化以上关键部位的尺寸和形状，保证电场分布均匀。

2.2 优化后电场分布

在220 kV整体预制接头关键部位尺寸和形状确定后，用有限元分析软件进行电场分析并优化。优化后的等位线和电场分布云图见图3，在运行电压127 kV下各关键部位电场数值见图4。

图3 整体预制接头电场分析结果

图4 关键部位电场数值

由图4（a）可以看出：内部电极直线段电场E1分布均匀，在与圆弧接近位置电场均匀上升，最大电场强度出现在内部电极前端，E2＝4.73 kV／mm；由图4（b）可以看出：界面最大电场强度在应力锥附近，E3＝4 kV／mm；由图4（c）可以看出：应力锥起到了缓和电缆外屏蔽末端处电场的作用。

3 电压设计

由于整体预制接头主要原材料是橡胶，在接头寿命30 a内橡胶材料的电气和机械性能会下降，因

此在设计时需要考虑材料老化的影响。电缆运行时导体温度为90℃，接头运行时受导体温度和外部环境温度影响，因此在设计时需要考虑温度的影响。

对材料老化和温度的影响进行精确设计的难度比较大，接头设计时可以通过提高耐受电压以降低材料老化和温度对接头运行的影响。

接头耐受电压试验包括雷电冲击耐压试验和交流耐压试验，设计时在国标和IEC标准规定的试验电压的基础上乘以相应的系数，具体如下：

（1）雷电冲击耐受电压

式中：UIMP为设计雷电冲击耐受电压（kV）；LIWV为标准规定的雷电冲击试验电压（kV）；k1为老化系数，通常取1.1；k2为温度系数，通常取1.2；k3为裕度，通常取1.1。

（2）交流耐受电压

式中：UAC为设计交流耐受电压（kV）；Um为运行时设备最高电压（kV）；为老化系数；为温度系数，通常取1.2；为裕度，通常取1.1。

其中老化系数根据材料的V－t特性曲线计算：

式中：n为寿命指数，对于橡胶材料，n通常取15以上。

4 结 论

整体预制接头电性能设计时应重点考虑以下两个方面：

（1）根据整体预制接头的结构明确关键部位对电场分布的影响，设计时应整体优化关键部位的尺寸和形状，保证电场分布均匀。利用有限元分析软件对220 kV整体预制接头进行优化设计。

（2）设计过程中可适当提高接头耐受电压以消除材料老化和温度对接头运行的影响。