電纜附件非線性擴張變形及其對策

王佩龍，王錦明，李智文，羅繼輝，徐明良

（長園電力技術有限公司，廣東珠海519085）

電纜附件非線性擴張變形及其對策

王佩龍，王錦明，李智文，羅繼輝，徐明良

（長園電力技術有限公司，廣東珠海519085）

電纜附件的橡膠部件擴張時會發生非線性變形，導致絕緣厚度減薄、長度變短，使應力錐和高壓屏蔽管的局部形狀發生變化。在500 kV超大截面電纜附件設計中，非線性擴張變形是一個不容忽略的重要因素。概述在設計國產500 kV、3 500 mm2XLPE絕緣電纜用電纜附件時，對橡膠件的非線性擴張變形影響分析和處置方法。

交聯聚乙烯絕緣電纜附件；橡膠預制件；擴張；非線性變形

0 引 言

電纜附件用的橡膠部件，例如中間接頭、終端應力錐等，是軸對稱幾何形狀的彈性體，擴張時會發生非線性變形。

電纜附件橡膠件擴張引發的非線性變形是電纜附件設計時應考慮的因素之一。在110 kV及以下電壓等級的電纜附件設計時，由于產品的絕緣裕度較大，為了簡化設計程序，通常忽略一些影響電場變化的次要因素。然而，對500 kV交聯電纜附件，各項設計參數已接近極限，電氣的安全裕度很小［1］，必須盡可能地把各種影響產品性能的因素都考慮進去，求取最佳的設計。本文將概述在設計國產500 kV、3 500 mm2XLPE絕緣電纜用電纜附件時，橡膠件的非線性擴張變形的影響和處置方法。

1 電纜附件橡膠件擴張引發的非線性變形

為了檢驗電纜附件的橡膠件擴張引起的非線性變形情況，將一個110 kV、1 000 mm2中間接頭，安裝在相同規格的電纜絕緣上進行擴張。徑向切開后，在橫截面上測量各主要部件的徑向尺寸（直徑），觀察擴張前、后各徑向尺寸的變化，如圖1和表1所示。圖1中，d為接頭內徑；D1為高壓屏蔽的外徑；D2為接頭絕緣外徑；T1、T2為接頭體的絕緣厚度。

圖1 110 kV、1 000 mm2接頭橡膠體

表1 110 kV、1 000 mm2預制式接頭擴張前后徑向尺寸比較 （單位：mm）

表1為對圖1接頭橡膠體在擴張前、后各部件徑向尺寸變化的測量。不難看出橡膠接頭體擴張后，絕緣層從內側到外側的擴張變形量的非線性降低，絕緣層厚度減薄。由此可以推斷：應力錐角度和形狀，高壓屏蔽厚度和端部形狀均會有不同程度的改變。

軸對稱幾何形狀的彈性體的擴張形變，可以通過彈性力學原理進行分析、計算。文獻［2］用極坐標對厚壁圓筒模型的擴張形變進行分析，得出了基本方程及相應的邊界條件如下。

平衡方程：

幾何方程：

本構方程：

式中：E為彈性模量；γ為泊松比；σr為徑向應力；σθ為切向應力；σz為軸向應力；εr為徑向應變；εθ為切向應變；εz為軸向應變；μ為位移。

邊界條件為：

對上述方程組的計算，可以根據擴張前的半徑計算出擴張后的半徑，也可以根據擴張后的半徑，計算得到擴張前的半徑。

用上述方程組進行變形計算比較復雜，如果忽略橡膠體擴張引起的軸向收縮變形，在實際電纜附件設計時，也可以采用式（5）進行近似計算。

式中：D為橡膠體擴張前外徑；D1為橡膠體擴張后外徑；d為橡膠體擴張前內徑；d1為橡膠體擴張后內徑。

式（5）的計算結果比實際值略小，因為橡膠體的軸向收縮會使它的徑向厚度略有增加。式（5）的計算結果，與表1的實測結果基本相符。說明所采用的計算方法是正確的，可以用于電纜附件的設計。

2 橡膠件擴張變形對電纜附件性能的影響

橡膠件的非線性變形至少在下列兩方面影響電纜附件的電氣性能。

2.1 對電氣性能的影響

500 kV、3 500 mm2接頭設計是在橡膠體擴張到電纜絕緣上的實際工作狀態下進行仿真計算的。通過對絕緣厚度、電極形狀及位置的調整，使接頭絕緣內部各關鍵部位的場強得到合理的控制，讓電場分布處于良好狀態，如圖2所示。

圖2 500 kV、3 500 mm2接頭等電位線的分布及其關鍵部位的場強分布

如果不考慮橡膠體的非線性變形，簡單地將上述工作狀態的絕緣厚度、電極形狀及其布置作為加工尺寸，這樣生產出來的橡膠件再次擴張到電纜絕緣上，電場分布狀況會發生明顯的變化。計算結果表明，高壓屏蔽電極端部的最大電場由7.01 kV/mm增加到9.86 kV/mm，提高了40%；高壓屏蔽電極的中間部位由5.30 kV/mm增加到5.75 kV/mm，提高了8%；應力錐端部的最大電場由2.13 kV/mm增加到2.55 kV/mm，提高了近20%；在電纜絕緣界面上，近高壓屏蔽電極端部處的電場，由2.5 kV/mm增加到2.63 kV/mm，提高了5.2%。

上述計算結果表明，忽略非線性變形后，對接頭內部的電場有明顯的影響，尤其是在高壓屏蔽電極端部和應力錐端部等電極形狀變形較大的部位，電場變化也較大。

2.2 界面壓力發生變化

電纜附件橡膠件擴張的非線性變形會使界面壓力發生變化，造成界面電氣強度降低。這一點在GIS終端的環氧樹脂套管內壁與橡膠應力錐的接觸界面（見圖3）尤為敏感。

圖3 GIS終端界面壓力分析示意圖

在圖3的界面設計中，按設計的要求應該將橡膠應力錐的外錐面與環氧套管內錐面完全貼合（角度一樣），以保證全部界面上的電氣強度等強。然而，應力錐擴張的非線性變形后，使應力錐的角度變小，即應力錐靠近前端的變形量大于后端的變形量。在彈簧壓力P的作用下，前端界面壓力增大，后端壓力減小。盡管這兩端的界面壓力的差異不大，但對界面電氣強度的影響還是不容忽視的。特別是在界面壓力較低的情況下，界面電氣強度受界面壓力的影響十分敏感。例如，硬度為A30～A40的硅橡膠，界面壓力從0 MPa到0.1 MPa變化時，界面工頻擊穿強度相差4倍［3］。

3 考慮橡膠件擴張變形的500 kV電纜附件設計

上述計算分析表明，對于超高壓、大截面電纜附件的設計，忽略橡膠件非線性擴張變形是不合適的。500 kV電纜附件的電性能設計必須考慮橡膠件擴張前后電極形狀、位置和絕緣厚度非線性變化的因素。

以500 kV、3 500 mm2中間接頭橡膠體的設計為例，正確的設計程序應該首先按附件的實際工況（即附件已正確地安裝在電纜絕緣上）進行絕緣設計，確定電極形狀、位置及絕緣厚度等結構尺寸；然后，再從實際工況下的設計推算到橡膠件在松弛狀態下（安裝前）的結構尺寸，作為工廠加工尺寸。圖4為設計程序的框圖。

圖4 500 kV、3 500 mm2的中間接頭橡膠體設計程序

4 結束語

電纜附件用的橡膠部件是軸對稱幾何形狀的彈性體，擴張時的非線性變形會改變絕緣厚度和電極形狀，從而影響電氣強度。

對于500 kV超高壓電纜附件的設計，可以先按照實際運行時的擴張狀態進行絕緣設計，然后通過計算，取得橡膠件在安裝前的松弛狀態下的結構尺寸，作為加工尺寸。這樣可以確保附件在擴張安裝后的形狀處于最佳電氣狀態。

［1］ 鐘海杰，王錦明，王佩龍，等.500 kV交聯聚乙烯電纜及附件的試制［C］∥2015年全國輸配電技術協作網會議，北京. 2015.

［2］ 王霞，柳松，吳鍇，等.一種新型高壓電纜附件優化設計方法［J］.西安交通大學學報，2013，47（12）：102-109.

［3］ 王佩龍.高壓電纜附件的電場及界面壓力設計［J］.電線電纜，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

王佩龍（1940-），男，教授級高級工程師.

作者地址：廣東珠海市金峰北路89號［519085］.