高壓XLPE電纜整體預制接頭電性能設計

趙海軍， 周長城

（沈陽古河電纜有限公司，遼寧 沈陽110115）

0 引 言

交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電纜從20世紀60年代開始被應用至今［1］，以其優異的性能被廣泛用于輸電線路，然而電纜制作長度一般在1 000 m以下，需要電纜接頭連接兩段電纜。電纜接頭是電纜系統的重要組成部分，其絕緣空間小，承受電場強度大，制造工藝復雜，事故發生率高［2］。

目前，國內文章報道多集中在：電纜接頭故障原因分析［3］，接頭故障后修復方案研究［4-5］，接頭電場、界面壓力、各種缺陷的仿真分析［6-8］，接頭出廠電氣試驗方法［9］等。對于整體預制接頭電性能設計理論介紹較少，本工作對影響整體預制接頭電場分布的關鍵部位設計和消除材料老化、溫度影響的電壓設計分別進行理論闡述。

1 整體預制接頭結構

目前，電纜接頭主要有組合預制接頭和整體預制接頭2種，組合預制接頭在工廠環境下成型多個預制部件，現場組合安裝相對繁瑣，絕緣界面多；整體預制接頭在工廠環境下整體成型，現場安裝過程相對容易，絕緣界面少，便于質量控制，實際工程應用較多［10-12］。

整體預制接頭結構示意圖見圖1。

圖1 整體預制接頭結構

由圖1可知：整體預制接頭由四部分組成。內部電極由半導電橡膠材料制造而成，起屏蔽兩端電纜導體連接部的作用；應力錐由半導電橡膠材料制造而成，通過增大等效半徑緩和電纜外屏蔽末端處電場；絕緣層由絕緣橡膠制造而成，起增強絕緣的作用；外導電層由半導電橡膠制造而成，是絕緣層外部的屏蔽層。這四部分在工廠凈化車間內整體成型。

2 整體預制接頭電場設計

2.1 影響電場分布的關鍵部位設計

整體預制接頭電場設計時，考察了4個部位的電場：內部電極正上方電場（E1）、內部電極前端電場（E2）、接頭與電纜絕緣界面電場（E3）和應力錐起錐點電場（E4），整體預制結構關鍵部位電場強度見圖2。在接頭結構中影響電場強度和分布的3個關鍵部位：絕緣厚度、內部電極、接頭／電纜絕緣界面。

圖2 整體預制結構關鍵部位電場強度

（1）絕緣厚度

接頭的絕緣厚度直接影響E1的大小。由于內部電極的平坦部的截面是圓柱形，因此，可以根據單芯電纜絕緣層中的電場分布確定所需的絕緣厚度。

式中：t為絕緣厚度（mm）；E為橡膠材料擊穿試驗獲得的擊穿電場強度（kV／mm）；U為接頭設計目標電壓（kV）；Do為接頭外徑（mm）；do為內部電極外徑（mm）。

（2）內部電極

內部電極前端圓弧直接影響E2的大小，其曲率半徑增大，會使E2降低，這樣會使內部電極厚度增大，直接導致接頭外徑變大。在不增加內部電極厚度的情況下，將內部電極前端圓弧設計成由2個或2個以上曲率半徑組合的形狀，可以使E2降低。

內部電極長度設計時需綜合考慮3個方面：導體連接部的屏蔽效果、電纜導體壓接伸長量和導體露出長度。為了保證屏蔽效果，內部電極與電纜絕緣搭接長度不小于30 mm。

（3）接頭／電纜絕緣界面

界面電場強度最大值出現在應力錐起錐點附近。通過增大應力錐曲率部位的長度L1可以使界面長度增大，降低界面部位電場E3，但將導致橡膠體長度增大。通過增大內部電極的內徑d i，可以降低界面部位電場，但是在不改變接頭外徑的情況下會導致E1和E2增大。

界面電場強度與界面壓力有關，界面壓力設計過小，會造成界面的沿面放電［13］，界面壓力增大到一定程度后，界面電場強度接近絕緣橡膠電場強度［14］。

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因此，整體預制接頭電場分布設計時應整體優化以上關鍵部位的尺寸和形狀，保證電場分布均勻。

2.2 優化后電場分布

在220 kV整體預制接頭關鍵部位尺寸和形狀確定后，用有限元分析軟件進行電場分析并優化。優化后的等位線和電場分布云圖見圖3，在運行電壓127 kV下各關鍵部位電場數值見圖4。

圖3 整體預制接頭電場分析結果

圖4 關鍵部位電場數值

由圖4（a）可以看出：內部電極直線段電場E1分布均勻，在與圓弧接近位置電場均勻上升，最大電場強度出現在內部電極前端，E2＝4.73 kV／mm；由圖4（b）可以看出：界面最大電場強度在應力錐附近，E3＝4 kV／mm；由圖4（c）可以看出：應力錐起到了緩和電纜外屏蔽末端處電場的作用。

3 電壓設計

由于整體預制接頭主要原材料是橡膠，在接頭壽命30 a內橡膠材料的電氣和機械性能會下降，因

此在設計時需要考慮材料老化的影響。電纜運行時導體溫度為90℃，接頭運行時受導體溫度和外部環境溫度影響，因此在設計時需要考慮溫度的影響。

對材料老化和溫度的影響進行精確設計的難度比較大，接頭設計時可以通過提高耐受電壓以降低材料老化和溫度對接頭運行的影響。

接頭耐受電壓試驗包括雷電沖擊耐壓試驗和交流耐壓試驗，設計時在國標和IEC標準規定的試驗電壓的基礎上乘以相應的系數，具體如下：

（1）雷電沖擊耐受電壓

式中：UIMP為設計雷電沖擊耐受電壓（kV）；LIWV為標準規定的雷電沖擊試驗電壓（kV）；k1為老化系數，通常取1.1；k2為溫度系數，通常取1.2；k3為裕度，通常取1.1。

（2）交流耐受電壓

式中：UAC為設計交流耐受電壓（kV）；Um為運行時設備最高電壓（kV）；為老化系數；為溫度系數，通常取1.2；為裕度，通常取1.1。

其中老化系數根據材料的V－t特性曲線計算：

式中：n為壽命指數，對于橡膠材料，n通常取15以上。

4 結 論

整體預制接頭電性能設計時應重點考慮以下兩個方面：

（1）根據整體預制接頭的結構明確關鍵部位對電場分布的影響，設計時應整體優化關鍵部位的尺寸和形狀，保證電場分布均勻。利用有限元分析軟件對220 kV整體預制接頭進行優化設計。

（2）設計過程中可適當提高接頭耐受電壓以消除材料老化和溫度對接頭運行的影響。