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(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜從20世紀(jì)60年代開始被應(yīng)用至今［1］，以其優(yōu)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(tǒng)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(fù)雜，事故發(fā)生率高［2］。

目前，國內(nèi)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(fù)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(yù)制接頭電性能設(shè)計理論介紹較少，本工作對影響整體預(yù)制接頭電場分布的關(guān)鍵部位設(shè)計和消除材料老化、溫度影響的電壓設(shè)計分別進(jìn)行理論闡述。

1 整體預(yù)制接頭結(jié)構(gòu)

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

整體預(yù)制接頭結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 整體預(yù)制接頭結(jié)構(gòu)

由圖1可知：整體預(yù)制接頭由四部分組成。內(nèi)部電極由半導(dǎo)電橡膠材料制造而成，起屏蔽兩端電纜導(dǎo)體連接部的作用；應(yīng)力錐由半導(dǎo)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(dǎo)電層由半導(dǎo)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(nèi)整體成型。

2 整體預(yù)制接頭電場設(shè)計

2.1 影響電場分布的關(guān)鍵部位設(shè)計

整體預(yù)制接頭電場設(shè)計時，考察了4個部位的電場：內(nèi)部電極正上方電場（E1）、內(nèi)部電極前端電場（E2）、接頭與電纜絕緣界面電場（E3）和應(yīng)力錐起錐點電場（E4），整體預(yù)制結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位電場強度見圖2。在接頭結(jié)構(gòu)中影響電場強度和分布的3個關(guān)鍵部位：絕緣厚度、內(nèi)部電極、接頭／電纜絕緣界面。

圖2 整體預(yù)制結(jié)構(gòu)關(guān)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(nèi)部電極的平坦部的截面是圓柱形，因此，可以根據(jù)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(shè)計目標(biāo)電壓（kV）；Do為接頭外徑（mm）；do為內(nèi)部電極外徑（mm）。

（2）內(nèi)部電極

內(nèi)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(nèi)部電極厚度增大，直接導(dǎo)致接頭外徑變大。在不增加內(nèi)部電極厚度的情況下，將內(nèi)部電極前端圓弧設(shè)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(nèi)部電極長度設(shè)計時需綜合考慮3個方面：導(dǎo)體連接部的屏蔽效果、電纜導(dǎo)體壓接伸長量和導(dǎo)體露出長度。為了保證屏蔽效果，內(nèi)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(xiàn)在應(yīng)力錐起錐點附近。通過增大應(yīng)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(dǎo)致橡膠體長度增大。通過增大內(nèi)部電極的內(nèi)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(dǎo)致E1和E2增大。

界面電場強度與界面壓力有關(guān)，界面壓力設(shè)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］。

登高遠(yuǎn)眺，心中涌起一種難以形容的感覺，豪邁而暢快，心中又有一種在大自然面前的敬畏之感。我問正在最高的山石上做展翅狀的朋友：“什么感覺？”我原本以為，他一定會說“會當(dāng)凌絕頂，一覽眾山小”之類的感受，沒想到他很慎重地吐出了三個字：“渺小感！”

因此，整體預(yù)制接頭電場分布設(shè)計時應(yīng)整體優(yōu)化以上關(guān)鍵部位的尺寸和形狀，保證電場分布均勻。

2.2 優(yōu)化后電場分布

在220 kV整體預(yù)制接頭關(guān)鍵部位尺寸和形狀確定后，用有限元分析軟件進(jìn)行電場分析并優(yōu)化。優(yōu)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(guān)鍵部位電場數(shù)值見圖4。

圖3 整體預(yù)制接頭電場分析結(jié)果

圖4 關(guān)鍵部位電場數(shù)值

由圖4（a）可以看出：內(nèi)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(xiàn)在內(nèi)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(yīng)力錐附近，E3＝4 kV／mm；由圖4（c）可以看出：應(yīng)力錐起到了緩和電纜外屏蔽末端處電場的作用。

3 電壓設(shè)計

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

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

對材料老化和溫度的影響進(jìn)行精確設(shè)計的難度比較大，接頭設(shè)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(shè)計時在國標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗電壓的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的系數(shù)，具體如下：

（1）雷電沖擊耐受電壓

式中：UIMP為設(shè)計雷電沖擊耐受電壓（kV）；LIWV為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雷電沖擊試驗電壓（kV）；k1為老化系數(shù)，通常取1.1；k2為溫度系數(shù)，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(shè)計交流耐受電壓（kV）；Um為運行時設(shè)備最高電壓（kV）；為老化系數(shù)；為溫度系數(shù)，通常取1.2；為裕度，通常取1.1。

其中老化系數(shù)根據(jù)材料的V－t特性曲線計算：

式中：n為壽命指數(shù)，對于橡膠材料，n通常取15以上。

4 結(jié) 論

整體預(yù)制接頭電性能設(shè)計時應(yīng)重點考慮以下兩個方面：

（1）根據(jù)整體預(yù)制接頭的結(jié)構(gòu)明確關(guān)鍵部位對電場分布的影響，設(shè)計時應(yīng)整體優(yōu)化關(guān)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(yù)制接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

（2）設(shè)計過程中可適當(dāng)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。