高壓電纜附件的電場及界面壓力設計

王佩龍

(泰科電子有限公司，上海200233)

0 引言

高壓電纜及其附件的故障可能源自設計、生產、安裝、使用不當(包括外力破壞)等多方面的原因，但是產品設計是最基本環節。嚴格地講，產品設計應該盡可能將生產、安裝和使用中可能發生的問題降低到最小。

當今，國內外超高壓交聯電纜基本上是采用預模型橡膠應力錐電纜附件，它們的結構大同小異，十分相似［1］。隨著橡膠加工設備和工藝的日趨成熟和材料供應的專業化，模仿制作一些電纜附件并不十分困難。但是，一個沒有經過周密、精確設計的高壓電纜附件，即使能通過國家標準規定的型式試驗，還是一個含有隱患的產品:表現在絕緣裕度不高，壽命不長，同一品種的各種規格產品的絕緣水平不一致，或者各批次產品質量不一致等。周密、精確的設計是保證高壓電纜附件性能的基本環節，簡單的模仿不是開發高壓交聯電纜附件的正確途徑。

高壓交聯電纜附件的設計是一項涉及電氣、機械和熱力學的復雜過程。簡單的經驗公式不足以滿足現代高壓交聯電纜附件的設計要求，必須用計算機軟件輔以必要的模擬試驗才能完成優化和系列化的高壓電纜附件的設計。

本文論述了電場控制和界面的壓力設計的基本理念、計算方法和結果處理。筆者已經用這些方法成功地開發出110～220 kV成套電纜附件［2］。

1 關于電場調整

電纜附件內外的電場分布是通過調節電極形狀和電極間相互位置來實現的。需多次計算、驗證和比較，不斷優化才能完成一個好的電場分布結構。

電極形狀的設計主要是應力錐曲線的確定。目前國內一些制造廠商是參照文獻［3］、［4］推薦的方法計算的。這一方法的基本原則是控制沿電纜絕緣與橡膠應力錐的交界面上的切向電場Et，使它盡可能地均勻，并導出一個用集中參數表達的公式。事實證明，此公式對初步確定應力錐形狀是有效的。

電極形狀和位置初步確定后，可以用計算機軟件對高壓電纜附件內外電場分布進行精確計算。隨著計算機硬件和軟技術的進步，當今二維和三維電場的計算技術已趨成熟。本文圖1列出的電場分布圖表已經是計算機直接輸出的計算結果。

以中間接頭為例說明高壓電纜附件電場設計的程序。首先可以用等電位線分布的計算對所設計的電纜附件的整體電場分布進行評估，之后還必須對各關鍵部位的電場強度作精確計算。圖1～圖4示出一個中間接頭設計的電場分析結果例。

圖1 中間接頭的等電位線分布

圖1 是對一個中間接頭等電位線分布的計算結果。圖1中共有20條等電位線，每2條等電位線的電位差為5%。由圖1可見，它的等電位線分布是比較均勻的，可以評定所設計的電纜附件的整體電場布局是合理的。

影響中間頭電氣性能的最關鍵的位置是:高壓屏蔽電極表面的場強E1，高壓屏蔽電極端部的場強E2，電纜絕緣與接頭絕緣界面的場強E3和應力錐根部的場強E4。控制好E1～E4這些敏感部位的電場是至關重要的。圖2是對上述關鍵部位的電場強度(E1～E4)精確計算的結果。

由圖2a可見沿電纜絕緣和接頭絕緣的界面的電場E3的分布，其最大場強E3max在應力錐的根部，小于設計允許值。E3場強的切向分量很小。圖2b是高壓屏蔽表面的電場E1和E2的分布，最大強度E1max和E2max在高壓屏蔽電極的端部，其值都小于設計允許值。在圖2b中還可以看到，在端部區域的電場呈現有“毛刺”，說明這一部分的電場還可以進一步改善。圖2c顯示了沿應力錐表面上的電場E4的分布，可以證明應力錐曲線的形狀和位置的設計都是合適的。

用同樣方法可以分析計算戶外終端或GIS終端的的電場，這里就不再贅述。

圖2 中間接頭的電場分析計算結果

2 于絕緣界面的壓力

高壓電纜附件內存在不少由不同絕緣介質構成的界面，例如電纜絕緣和橡膠應力錐的交接面等。界面的強度與界面壓力有直接關系。圖3示出一組硅橡膠交界面上的實驗結果。由圖3可見，絕緣介質界面壓力越大，界面的介質強度越高。在界面壓力等于零的時候，界面的介質強度僅等于該介質表面沿面的電氣強度;在界面壓力增大到一定程度后，界面的介質強度可以接近于該介質本體的電氣強度;之后，界面壓力再增大，界面的介質強度不再有明顯增長。

圖3 界面壓力與界面擊穿強度的實驗結果

界面的介質強度還與材料表面的粗糙程度和材料的硬度有關。材料表面越精細(光滑)，界面的強度越高。不同的介質組成的界面(例如:橡膠-橡膠，橡膠-XLPE，橡膠-環氧樹脂等)的電氣強度變化數值會有較大差異，但趨勢基本一致。對電纜附件設計來講，界面應力的電氣強度是十分重要的參數。嚴格地講，設計者應該通過測試確定適合所選用材料的參數。

圖4 示意一種測試電纜與應力錐接觸界面在不同界面壓力下介電強度的試驗方法。當然，如果沒有條件做試驗，用手冊上的數據放一些余量進行估算，也不失為一個彌補的方法。

圖4 應力錐界面壓力與介電強度的測試方法例

正確設計界面壓力是電纜附件設計的重要內容。壓力太小，界面的電氣強度達不到要求;壓力過大不僅無助于界面的電氣強度，也造成安裝困難(太緊)。此外，橡膠件壓緊力過大，還會在電纜負荷循環后造成“竹節”現象損壞電纜絕緣(見圖5)。

圖5 應力錐壓力造成電纜絕緣的“竹節”現象

一般來說，界面的最小壓力是電氣強度決定。對硬度為A 30～A 40的硅橡膠來說，最小壓力大約為0.10 MPa;對硬度為A 80左右的乙丙橡膠，最小壓力在0.16 MPa左右。界面的最大壓力以不損壞電纜絕緣(造成“竹節”現象)為原則。從安裝角度考慮，界面的最大壓力不希望超過0.30 MPa。界面壓力取決于橡膠件的擴張率和材料的彈性模量，可以通過計算或用模擬試驗求取材料的擴張率與界面壓力得到關系。圖6示意某些材料的擴張率與界面壓力的關系。

圖6 某些橡膠的擴張率與界面壓力的關系

圖6 展示了圖1所示的中間接頭界面壓力校核計算的結果。圖6中上面曲線表示接頭本體在最大擴張(接頭安裝在最大規格的電纜上)范圍時的界面壓力分布;下面曲線是在接頭本體最小擴張(接頭安裝在最小規格的電纜上)范圍時的界面壓力分布。橫坐標表示距離，對應接頭體各點的位置。

由圖7可見，在應用范圍內，界面上的壓力分布在0.1～0.3 MPa之間。界面的最小壓力(0.1 MPa)可以保證電氣強度的要求，界面的最大壓力(0.3 MPa)不會損壞電纜絕緣(造成“竹節”現象)，也不會對安裝造成困難。這是較理想的設計。

圖7 圖1的中間接頭界面壓力的計算結果

界面壓力計算可以通過計算機軟件實現。計算時輸入模型的結構尺寸、外界條件(外作用力，溫度變化等)、材料的性能(硬度，彈性模量等)、界面材料間的摩擦系數等。一些非常數型參數，例如彈性模量是隨擴張率變化的參數，可以把變數輸入。

圖8 是以GIS終端為設計例說明建立界面壓力的計算模型所需考慮的主要因素。圖8的主要分析對象應該是界面A(橡膠應力錐與環氧樹脂套管之間的界面)和界面B(電纜絕緣和橡膠應力錐之間的界面)。參與分析的主要變數是從彈簧裝置傳遞來的壓力P、電纜絕緣尺寸(使用范圍)的變化和溫度(－40～80℃)變化引起材料熱漲冷縮對界面壓力的影響。

圖8 GIS終端界面壓力的計算模型

經計算，可得到各種變數下界面A和界面B的界面上的壓力變化曲線，從而判斷設計的合理性。

3 關于老化因素的考慮

國內超高壓交聯電纜附件采用的主要原材料是乙丙橡膠(EPR)、高溫硫化橡膠(HTV)或液態硅橡膠(LSR)。這些都是有機材料，在電纜附件的壽命期(20～30年)內，其電氣和機械性能不可避免會下降，因此高壓電纜附件的設計時必須考慮絕緣材料和接觸面的老化因素，可用壽命長度法則來描述:

式中，E為絕緣電場;t為電場應用時間;N為壽命指數。

對上式取對數，就可以得到圖9的曲線。由圖9曲線可見，N值越大，材料的老化性能越好。

圖9 老化時間曲線

絕緣界面上分子的平均距離比絕緣主體部分的分子距離大，導致分子鏈的高能量和分解更快。而且，高壓電纜附件內主要的界面是在現場安裝時生成的(例如:電纜絕緣與應力錐的界面)，界面層的污染是在所難免的。界面層的污染將明顯增加局部電場，從而加速老化。所以絕緣界面的老化性能比絕緣主體部分更差些。

事實上，在電纜附件的設計中對上述老化因素進行精確設計是不可能的。通常采取的方法之一是適度提高設計電壓。設計電壓的選定尚沒有標準可遵循，下列方式是一個較為合理的例子。

(1)交流設計電壓的選定

式中，VAC為交流設計電壓;Um為附件使用的最高電壓(kV);K1為AC電壓溫度系數，通常取1.1;K2為AC電壓老化系數，根據材料的E-t特征曲線計算，K2=(30年 ×365天 ×24 h/試驗時間(h))1/n，n為壽命指數;K3為不確定因素或安全系數。

以220 kV附件產品為例，交流設計電壓為:

K2=(30年×356天×24 h/試驗時間(h))1/n=2.83，設壽命指數 n= 12

(2)沖擊設計電壓的選定

式中，BIL為基準沖擊電壓(kV);K1為沖擊電壓溫度系數，通常取1.1;K2為沖擊電壓老化系數;K3為不確定因素或安全系數。

以220 kV附件產品為例，沖擊設計電壓為:

4 系列設計的原則

一個高壓電纜附件產品往往有多種不同的規格，而每一個規格的電纜附件往往又覆蓋了若干個電纜尺寸。做型式試驗和預鑒定試驗的只有其中一個規格附件安裝在某一個尺寸的電纜上(國家標準和IEC標準都薦選用最大規格的電纜和附件)。嚴格地講，試驗的結果只表明這一個特定規格的樣品的設計和質量信息。因為事實上每一個規格的電纜附件使用在不同尺寸電纜上的時候，它的電場和界面壓力情況都有所不同，特別是界面壓力變化會有較大變化，如圖7所示。

因此，在產品系列設計時，應該校核每一個規格使用在不同截面電纜時的電氣和界面壓力的變化情況，確保在所有情況下系列產品都具有不低于通過型式試驗和預鑒定試驗的產品性能。看起來有點繁瑣，但這是系列設計的重要原則。

5 結束語

現代高壓交聯電纜附件的設計是一項涉及電氣、機械和熱力學的復雜又相互牽制的過程。簡單的經驗公式已經不足以完成一個優良設計，必須用計算機軟件輔以必要的模擬試驗才能完成最優化和系列化的設計。

電場分布和組合絕緣的界面上的壓力調整是現代高壓交聯電纜附件設計中兩個基本設計內容。目前市場上還少有針對高壓交聯電纜附件設計的專用軟件，設計者只能根據電纜附件產品的特點，用一些通用軟件進行計算。

［1］王佩龍，車年堅.高壓交聯電力電纜附件選型的若干問題［J］.電力設備，2004，5(8):18-22.

［2］Wang Peilong，Yao Justin.Development of 126 kV flexible，dry tType outdoor cable termination［C］.Tyco Electronics Technical Conference 2009.

［3］應啟良，王佩龍，魏 東，等.城市電網地下輸電用高壓電纜附件的發展［C］∥1996年亞洲線纜會議文集，上海，1996:51-61.

［4］應啟良，魏 東，高小慶，等.我國高壓及超高壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜的應用與發展［J］.電線電纜，2001(3):3-9.