交联聚乙烯电力电缆附件电场分布特性分析

摘要：本文基于Ansoft Maxwell有限元分析软件对交联聚乙烯电力电缆附件的电场分布进行了数值仿真计算，得到了电缆附件的电位分布及电场强度分布规律，确定出电缆附件中最大电场强度出现的位置，并提出降低电场强度的相应措施，为电缆附件的设计及安全运行提供理论依据。

关键词：电力电缆 附件 有限元法 电场分布

1.引言

电缆中间接头和终端是交联聚乙烯（XLPE）电力电缆中的重要附件，其作用是实现电缆的连续和驳接，分散电缆外屏蔽切断处的电场，保护电缆不被击穿以及防水等。在电缆线路中，60%以上的事故是由电缆附件引起的，所以，电缆附件的设计和制作对整个输变电系统的安全可靠起着十分重要的作用[1-4]。

在电缆附件设计中，对其电场分布进行分析计算十分关键。由于电缆附件结构相对电缆本体结构复杂，其电场分布也相对复杂，若设计不当，电缆附件某些位置出现的最大场强会超过绝缘材料的最大击穿场强，导致局部放电，甚至绝缘击穿[5]。

本文将针对电缆中间接头和电缆终端两类电缆附件，分别建立其有限元数值计算模型，得到其电场分布，确定最大电场强度出现的位置，并提出降低电场强度的措施，改善电场分布，为电缆附件的设计及安全运行提供理论依据。

2.电缆中间接头的电场分布

中间接头的作用是将两根制造长度的电缆连接起来，以满足实际工程长度的需要。连接的原则是保证导电线芯电连接良好，绝缘部分电气性能完好，以及金属屏蔽处电场分布均匀。中间接头的绝缘薄弱点是在不同部件构成的界面，因此在一定的外形尺寸限制下，调整内部界面形状，能使电场分布尽量均匀，保证电力电缆的安全运行。

图1所示为10kVXLPE电力电缆用预制式中间接头结构示意图，内电极与线芯相连，为高电压；应力锥和外屏蔽接地。电缆中间接头电应力控制采用介电常数大于20的应力控制材料制成，该材料的介电常数、介电强度、绝缘电阻和介质损耗因数保持长期稳定，通过此种应力控制方法，可将终端表面的高电场强度降至安全范围内，高电位移向接头末端，而不是集中在电缆屏蔽切断处附近，从而使中间接头外绝缘电场分布趋于发散、均匀。中间接头不仅轴线对称，而且也关于其中点对称，因此进行其电场仿真计算时只要取四分之一区域进行分析计算。图2为中间接头有限元计算模型，图3为中间接头电位分布图， 图4为中间接头的电场强度分布云图。

从图3和图4中可以看到，应力管和应力锥显著改善了电缆切断处的电场分布，能够降低此处的电场强度。中间接头的电场强度最大值出现在观测点a、b以及c处。实践证明，保持电缆中间接头处介质分界面的压力（一般0.1～0.4MPa）能有效地降低观测点处的电场强度。此外，通过保持观测点a和b处介质光滑，在c点缠绕高介电常数的电应力控制泥也能适当降低观测点处的电场强度。应力管的形状显著影响着应力管附近的场强，因此必须对应力管的形状进行优化设计。为了减小应力锥的切向应力，设计时应当使得应力锥附近的切向场强较低。

3.电缆终端的电场分布

电缆终端的作用是连接电缆和其它输变电设备如架空线、变压器等。其结构形式根据电缆类型、电压等级以及用途的不同而有所区别。电缆终端经剥离金属护套和屏蔽后的场强分布如图5所示。从图中看出，电场分布在线芯和金属屏蔽层处比较集中，而且靠近金属屏蔽层边缘处电场强度最大。沿绝缘表面有电场的法向分量和切向分量的作用。

为了有效降低金属屏蔽边缘处的场强，工程上采用诸多措施，如：增大绝缘等效半径 、采用高介电常数的电应力控制材料来分散终端处的电场强度、采用应力锥减小电缆终端处的电场强度等。尤其，理论和试验均表明，应力锥能显著地降低电缆屏蔽层和半导电层切断处的电场强度，分散比较集中的轴向应力。应力锥通过将绝缘屏蔽层的切断处进行延伸，使零电位形成喇叭状，改善了绝缘屏蔽层的电场分布，降低了电晕产生的可能性，减少了绝缘的破坏，保证了电缆的运行寿命。从图6可以看出，应力锥的弧形设计使绝缘屏蔽层切断处的电场分布加以改善，电场强度分布相对均匀，避免了电场集中。

电缆终端设计时，对应力锥的设计一般采用解析公式结合经验值来得到应力锥锥面的曲线形状及应力锥轴向长度，该法无法了解应力锥附近电场分布的情况，不能通过调整应力锥端部曲率半径来改善其内部电场分布。为了更加直观准确地确定电缆终端电场分布是否均匀，并以此为依据对其设计方案进行修改和调整，常采用有限元法对其电场分布进行数值分析。

根据电缆终端的结构，其电场仍为轴对称场分布，仍以10kVXLPE电力电缆终端为例，如图6所示为其有限元计算模型，图7为其电位分布图， 图8为其电场强度分布云图。其中，图6还示出了观测点a及观测线CB、ED。

由于应力锥的存在，改善了电缆终端的等位线分布，使得终端屏蔽切断处电场强度降低，提高了工频闪络电压，最大场强出现在导体和XLPE主绝缘处。

终端电场强度沿径向分布减小，最大电场强度出现在导体线芯和XLPE绝缘界面上，在主绝缘和增绕绝缘的分解面上电场强度发生“跳跃”；沿ED曲线电场强度在应力锥附近达到最大。根据仿真计算得到的结果，可以对电缆终端的设计参数进行修改和调整，也可以根据最大电场强度出现的位置以及最大电场强度数值，判定电缆终端是否可能出现局部放电现象、是否能够安全运行等。

4.结论

本文以10kVXLPE电力电缆附件为研究对象，提出采用有限元数值法对其电场分布进行仿真分析，为电缆附件设计及安全运行提供理论依据。研究表明，中间接头的最大场强出现在导体与应力管分界面处，必须对应力管进行特殊处理，保证应力管表面光滑且介质均匀无气泡，以减少局部放电，保证电缆中间接头的安全运行。电力电缆终端绝缘的最大场强出现在导体与XLPE主绝缘表面、应力锥附近，为了保证电力电缆安全运行，应力锥的设计要合理。

参考文献：

[1]卓金玉. 电力电缆设计原理. 机械工业出版社， 1994.

[2]刘子玉， 王惠明. 电力电缆结构设计原理. 西安交通大学出版社， 1995..

[3]罗俊华， 邱毓昌， 杨黎明. 10kV及以上电力电缆运行故障统计分析. 高电压技术，2003，29（6）：14-16.

[4]孔德武， 周明扬， 徐玮， 赵毅. 电缆附件的电场数值计算和优化设计. 电力电缆1997，（3）：7-10.

[5]侯晓东 电力电缆终端电场分布及改善措施 内蒙古科技与经济 2012年9月 第18期