超高壓交聯聚乙烯絕緣電纜連接盒的優化設計

呂庚民

(沈陽古河電纜有限公司，遼寧沈陽110115)

0 引言

隨著城市化進程的快速發展，用電量需求的不斷增加，大長度超高壓電纜線路的使用數量也在不斷增加。電纜連接盒的用量也大幅增加。連接盒是電纜附件中絕緣空間最小、絕緣介質承受電場強度最高的電纜附件，也是制造工藝最復雜、事故率最高的電纜附件。在運行電壓下，它所承受的最大電場強度與相同電壓等級的戶外終端或GIS終端相比，要高30%～50%。提高電纜連接盒的絕緣裕度，使其運行更加安全可靠;縮小預制橡膠絕緣體的體積，降低制造成本，使現場安裝更加方便是本次優化設計的主要目的。

1 電纜連接盒整體預制橡膠絕緣體的結構

整體預制橡膠絕緣體結構的電纜連接盒由于其體積小、安裝方便的優勢，已取代了繞包式絕緣體和組合預制式絕緣體的電纜連接盒而被廣泛使用。它將連接盒兩端電纜絕緣的應力錐、導體連接管的高壓屏蔽電極全部預制在一個部件內，形成一個整體絕緣結構(見圖1)。

圖1 整體預制絕緣體

該絕緣結構中，高壓屏蔽電極設計為圓筒狀，端部采用圓弧過渡，圓弧的半徑為圓筒的壁厚。電場強度最高點為高壓屏蔽電極兩端圓弧面的最高點。圓弧半徑增大，可以降低其表面電場強度。但圓弧半徑增大，會使圓筒狀電極的外徑增大，整個絕緣體的體積增大。一般工程設計中圓筒狀電極的厚度為25～35 mm。下面以220kV連接盒的橡膠絕緣體結構為例進行電場強度計算。結果如圖2、圖3所示(計算電壓U0=127 kV)。

圖2 橡膠絕緣體的電位線分布圖

圖3 橡膠絕緣體電場分布圖

從圖2中可以看出，高電位線從電纜導體表面過渡到高壓屏蔽電極的表面;零電位線從電纜絕緣屏蔽表面過渡到橡膠絕緣體外表面。在高壓屏蔽電極端部表面電位線分布最密集。空氣動力學中氣流密度高的地方氣流速度最大［1］。絕緣結構中電位線最密集的電極端部表面電場強度最高(Emax=6.345 kV/mm)。

2 結構改進設計

橡膠絕緣體內的電位線分布形狀很像氣流流過高速行駛在隧道中的動車機車前部的輪廓。為了提高速度，高速鐵路機車的前部設計為空氣阻力更小的流線型。增加列車流線型頭部的長度，可以有效地改善列車空氣動力性能［2］。同理，增加過渡圓弧的長度，將高壓屏蔽電極的端部設計為由多個曲率半徑組成的流線型。電極端部的曲率半徑最小，最高點曲率半徑最大，是否也可以降低其表面電場強度。基于此想法，在不加大筒狀電極厚度的前提下，對高壓屏蔽電極端部進行流線型結構設計。經過多次設計、計算后，最終確定電極表面電場最小的電極端部的最佳形狀、尺寸。電場計算結果如圖4、圖5所示(計算電壓U0=127 kV)。

圖4 改進設計后橡膠絕緣體的電位線分布圖

圖5 改進設計后橡膠絕緣體的電場分布圖

從圖4可以看出，高壓屏蔽電極端部表面的電位線分布相對于圖2相同部位要均勻，電場強度也低很多，見圖5(Emax=5.095 kV/mm)。下降比率約20%。此方法也適用于其他電纜附件高壓屏蔽電極端部形狀的設計。

3 結構優化設計

橡膠絕緣體結構經過改進設計后，高壓屏蔽電極端部的最大電場強度降低約20%。電纜連接盒在初期結構設計時已留有安全裕度(一般為20%)。在此基礎上再增加10%的裕度就足以滿足安全運行的要求。將剩余的10%用作降低制造成本，縮小橡膠絕緣體的體積，減少材料用量(見圖6)。

圖6 結構優化后的整體預制絕緣體

圖6中外虛線輪廓為原設計結構，優化后的橡膠絕緣體的體積比原設計縮小20%。結構優化后的電場強度計算結果如圖7、圖8所示(計算電壓U0=127 kV)。

圖7 優化設計后橡膠絕緣體的電位線分布圖

圖8 優化設計后橡膠絕緣體的電場分布圖

從圖7可以看出，優化設計后橡膠絕緣體內的電位線比原設計分布更均勻。圖8顯示的優化設計后高壓屏蔽電極表面最大電場強度為Emax=5.374 kV/mm，比原設計的最大電場強度(Emax=6.345 kV/mm)低15%。

4 結束語

通過對XLPE電纜整體預制連接盒橡膠絕緣體的優化設計，在理論上實現了提高安全裕度、降低制造成本的目的，下一步將進行樣品試制工作。樣品試制完成后，將按照GB/T 18890.3—2002《額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及附件》進行型式試驗和預鑒定試驗。試驗全部通過后，即可投入電網運行。這將會帶來很大的經濟效益和社會效益。

［1］許建民，易際明，趙 軍，等.流線型轎車外流場的數字模擬［J］.陜西科技大學學報，2011(5):61-64.

［2］田紅旗，周 丹，許 平.列車空氣動力性能與流線型頭部外形［J］.中國鐵道科學，2006(3):36-39.