高壓及超高壓XLPE電纜戶外終端設(shè)計

趙海軍， 周長城

（沈陽古河電纜有限公司，遼寧 沈陽110115）

0 引 言

電纜戶外終端是電纜系統(tǒng)的重要組成部分，安裝在電纜的末端，以保證電纜系統(tǒng)與其他部分的電氣連接，是高壓及超高壓電纜投入電網(wǎng)運行時必不可少的附件。與電纜相比，電纜戶外終端是薄弱環(huán)節(jié)，其故障率高于電纜，因此電纜終端作為關(guān)鍵的連接裝置，將直接影響到電纜線路的安全運行。

目前，國內(nèi)文章多集中在電纜戶外終端運行擊穿故障的分析處理［1］，絕緣油老化和漏油缺陷原因分析［2-4］，應力錐與電纜絕緣在分界面處有缺陷時的電場分布［5］，預制橡膠應力錐在電纜終端中的應用、應力錐的錐面曲線設(shè)計方法和研究情況［6］，結(jié)構(gòu)形式和橡膠材料對220 kV交聯(lián)電纜終端應力錐應力分布的影響［7］的報道。對于戶外終端設(shè)計理論介紹較少，本文對影響戶外終端質(zhì)量的界面壓力、電場強度分布和機械力等3個方面進行理論闡述。

1 戶外終端結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)外多采用以下2種預制橡膠應力錐（以下簡稱應力錐）增強絕緣方式控制戶外終端電場分布，一種是在應力錐外部有環(huán)氧套管，用壓緊彈簧對應力錐施加壓力，保證界面壓力均勻，提高了終端的絕緣與電纜表面的放電水平，同時也增加了電纜表面的電場場強，如圖1（a）。另一種是無環(huán)氧套管和壓緊彈簧結(jié)構(gòu)，只靠應力錐自身的收縮力來滿足界面壓力的要求，如圖1（b）。

2 戶外終端理論設(shè)計

2.1 界面壓力設(shè)計

界面壓力主要指應力錐和電纜絕緣之間的壓力，由應力錐內(nèi)徑與電纜絕緣外徑的徑差來實現(xiàn)，較低的界面壓力容易造成沿界面擊穿。

有環(huán)氧套管和壓緊彈簧結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)彈簧提供的力來計算界面壓力的大小。

無環(huán)氧套管和壓緊彈簧結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)Roark公式計算界面壓力：

式中：P為界面壓力（MPa）；Dx為電纜絕緣外徑（mm）；D0為應力錐外徑（mm）；d為應力錐內(nèi)徑（mm）；E為材料的彈性模量（MPa）；ν為材料的泊松比。

由式（1）可以看出，界面壓力與應力錐材料特性和結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計有關(guān)。對于選定材料，根據(jù)式（1）計算出界面壓力與應力錐內(nèi)徑成反比，如圖2所示；界面壓力與應力錐外徑成正比，如圖3所示。由圖2和圖3可知，界面壓力與內(nèi)徑的斜率是外徑的26倍，內(nèi)徑對于界面壓力的影響遠大于外徑的影響，因此在設(shè)計應力錐結(jié)構(gòu)時應合理考慮內(nèi)、外徑尺寸關(guān)系。

圖1 戶外終端結(jié)構(gòu)

圖2 界面壓力與應力錐內(nèi)徑關(guān)系

圖3 界面壓力與應力錐外徑關(guān)系

界面壓力的設(shè)計與界面電場強度、應力錐的安裝和電纜的運行有關(guān)。為研究界面壓力與界面電場強度的關(guān)系，選用與應力錐和環(huán)氧絕緣體相同的材料制作試塊，施加一定的界面壓力P，試驗裝置示意圖如圖4所示。

圖4 試驗裝置示意圖

試驗前將試驗裝置在絕緣油中靜置一段時間，待氣泡消失后進行試驗。當界面壓力P為定值時，通過施加工頻電壓直至界面發(fā)生擊穿，記錄此刻的擊穿電壓。通過不同界面壓力進行試驗模擬，得到界面壓力與界面電場強度的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 界面壓力與界面電場強度的關(guān)系

由圖5可知，當界面壓力等于零時，界面電場強度略大于空氣的電場強度，隨著界面壓力增大，界面電場強度增大，當界面壓力增大到一定程度后，界面電場強度趨于穩(wěn)定［8］，接近絕緣橡膠電場強度［9］。

界面壓力設(shè)計過大，不利于應力錐的安裝，同時運行時易造成電纜“竹節(jié)”現(xiàn)象［10］。因此建議界面壓力控制在0.1～0.3 MPa范圍內(nèi)。

2.2 電場強度設(shè)計

在戶外終端安裝時，首先將電纜的外護層、金屬層和絕緣屏蔽剝?nèi)ィ瑢е铝似帘文┒颂幍碾妶鰪姸燃眲≡龃螅鐖D6所示，圖6中，左邊只剝?nèi)ソ饘偬祝疫呁瑫r剝?nèi)ソ饘偬缀碗娎|絕緣。

應力錐由半導電和增強絕緣兩部分組成，半導電和增強絕緣結(jié)合部設(shè)計成圓弧結(jié)構(gòu)，增大等效半徑、均化電纜絕緣屏蔽處的電場強度。圓弧起點電場強度根據(jù)圓形單芯電纜絕緣層中的電場分布［11］公式（2）計算。圓弧面和終端其他部位電場分布利用電場分析軟件ANSYS進行優(yōu)化。

圖6 電纜終端的電場分布

式中：E為電場強度（kV／mm）；U為施加電壓（kV）；Ri為絕緣半徑（mm）；rc為導體半徑（mm）。

由于戶外終端內(nèi)填充的絕緣油沒有經(jīng)過去氣處理，同時戶外終端上部預留空氣腔，導致內(nèi)絕緣耐受電場強度降低，因此應力錐在戶外終端內(nèi)的位置不能太高，否則會導致終端內(nèi)絕緣擊穿；應力錐在戶外終端內(nèi)的位置太低，會造成終端套管表面電場分布不均勻，易產(chǎn)生電暈放電。戶外終端內(nèi)絕緣油電場強度小于1.5 kV／mm（空氣擊穿強度的一半），套管表面電場強度小于電暈放電起始電場強度（0.45 kV／mm）［12］，按照此原則設(shè)計應力錐在戶外終端內(nèi)的位置。

2.3 機械力設(shè)計

戶外終端開發(fā)設(shè)計過程中，需要考慮運行中戶外終端耐受以地震力、風力、短路電磁力等3種機械力。

（1）地震力

地震力施加在戶外終端上的彎曲力矩MQ為：

式中：η為地震水平方向加速度；W1、W2、W3分別為套管質(zhì)量（kg）、上部金具質(zhì)量（kg）和絕緣油質(zhì)量（kg）；L1、L2、L3分別為套管底部到套管重心距離（mm）、到上部金具重心距離（mm）和到絕緣油重心距離（mm）；N為根據(jù)3次波模擬共振產(chǎn)生的應答倍率。

（2）風力

風力施加在戶外終端上的彎曲力矩Mb為：

式中：L為套管中心高度（mm）；P為風壓力（N）；ρ為15 ℃時的空氣密度（1.226 kg／m3）；V為風速（m／s）；C為風力系數(shù)；A為套管斷面積（mm2）；g為重力加速度。

（3）短路電磁力

短路電磁力在戶外終端上的彎曲力矩MI為：

式中：LP為套管高度（mm）；FI為作用于導體上的力（N／mm）；I為短路電流（kA）；S為相間距（mm）；g為重力加速度。

戶外終端運行時所承受的彎曲力矩總和M1＝MQ+Mb+MI，套管彎曲破壞試驗所承受的彎曲力矩M2，當M2／M1≥2.5 時，設(shè)計滿足戶外終端的運行要求［13］。

3 結(jié) 論

（1）界面壓力設(shè)計需綜合考慮其與應力錐的內(nèi)徑和外徑的比例、界面耐受電場強度、應力錐安裝和終端運行的關(guān)系，建議其設(shè)計值在0.1～0.3 MPa范圍內(nèi)。

（2）應按照絕緣油中電場強度小于1.5 kV／mm，套管表面電場強度小于0.45 kV／mm來設(shè)計應力錐在戶外終端內(nèi)的位置。

（3）當套管破壞彎曲力矩大于等于戶外終端運行時受的地震力、風力、短路電磁力等機械外力力矩和的2.5倍時，機械力滿足戶外終端的運行要求。