超高压交联聚乙烯绝缘电缆连接盒的优化设计

吕庚民

(沈阳古河电缆有限公司，辽宁沈阳110115)

0 引言

随着城市化进程的快速发展，用电量需求的不断增加，大长度超高压电缆线路的使用数量也在不断增加。电缆连接盒的用量也大幅增加。连接盒是电缆附件中绝缘空间最小、绝缘介质承受电场强度最高的电缆附件，也是制造工艺最复杂、事故率最高的电缆附件。在运行电压下，它所承受的最大电场强度与相同电压等级的户外终端或GIS终端相比，要高30%～50%。提高电缆连接盒的绝缘裕度，使其运行更加安全可靠;缩小预制橡胶绝缘体的体积，降低制造成本，使现场安装更加方便是本次优化设计的主要目的。

1 电缆连接盒整体预制橡胶绝缘体的结构

整体预制橡胶绝缘体结构的电缆连接盒由于其体积小、安装方便的优势，已取代了绕包式绝缘体和组合预制式绝缘体的电缆连接盒而被广泛使用。它将连接盒两端电缆绝缘的应力锥、导体连接管的高压屏蔽电极全部预制在一个部件内，形成一个整体绝缘结构(见图1)。

图1 整体预制绝缘体

该绝缘结构中，高压屏蔽电极设计为圆筒状，端部采用圆弧过渡，圆弧的半径为圆筒的壁厚。电场强度最高点为高压屏蔽电极两端圆弧面的最高点。圆弧半径增大，可以降低其表面电场强度。但圆弧半径增大，会使圆筒状电极的外径增大，整个绝缘体的体积增大。一般工程设计中圆筒状电极的厚度为25～35 mm。下面以220kV连接盒的橡胶绝缘体结构为例进行电场强度计算。结果如图2、图3所示(计算电压U0=127 kV)。

图2 橡胶绝缘体的电位线分布图

图3 橡胶绝缘体电场分布图

从图2中可以看出，高电位线从电缆导体表面过渡到高压屏蔽电极的表面;零电位线从电缆绝缘屏蔽表面过渡到橡胶绝缘体外表面。在高压屏蔽电极端部表面电位线分布最密集。空气动力学中气流密度高的地方气流速度最大［1］。绝缘结构中电位线最密集的电极端部表面电场强度最高(Emax=6.345 kV/mm)。

2 结构改进设计

橡胶绝缘体内的电位线分布形状很像气流流过高速行驶在隧道中的动车机车前部的轮廓。为了提高速度，高速铁路机车的前部设计为空气阻力更小的流线型。增加列车流线型头部的长度，可以有效地改善列车空气动力性能［2］。同理，增加过渡圆弧的长度，将高压屏蔽电极的端部设计为由多个曲率半径组成的流线型。电极端部的曲率半径最小，最高点曲率半径最大，是否也可以降低其表面电场强度。基于此想法，在不加大筒状电极厚度的前提下，对高压屏蔽电极端部进行流线型结构设计。经过多次设计、计算后，最终确定电极表面电场最小的电极端部的最佳形状、尺寸。电场计算结果如图4、图5所示(计算电压U0=127 kV)。

图4 改进设计后橡胶绝缘体的电位线分布图

图5 改进设计后橡胶绝缘体的电场分布图

从图4可以看出，高压屏蔽电极端部表面的电位线分布相对于图2相同部位要均匀，电场强度也低很多，见图5(Emax=5.095 kV/mm)。下降比率约20%。此方法也适用于其他电缆附件高压屏蔽电极端部形状的设计。

3 结构优化设计

橡胶绝缘体结构经过改进设计后，高压屏蔽电极端部的最大电场强度降低约20%。电缆连接盒在初期结构设计时已留有安全裕度(一般为20%)。在此基础上再增加10%的裕度就足以满足安全运行的要求。将剩余的10%用作降低制造成本，缩小橡胶绝缘体的体积，减少材料用量(见图6)。

图6 结构优化后的整体预制绝缘体

图6中外虚线轮廓为原设计结构，优化后的橡胶绝缘体的体积比原设计缩小20%。结构优化后的电场强度计算结果如图7、图8所示(计算电压U0=127 kV)。

图7 优化设计后橡胶绝缘体的电位线分布图

图8 优化设计后橡胶绝缘体的电场分布图

从图7可以看出，优化设计后橡胶绝缘体内的电位线比原设计分布更均匀。图8显示的优化设计后高压屏蔽电极表面最大电场强度为Emax=5.374 kV/mm，比原设计的最大电场强度(Emax=6.345 kV/mm)低15%。

4 结束语

通过对XLPE电缆整体预制连接盒橡胶绝缘体的优化设计，在理论上实现了提高安全裕度、降低制造成本的目的，下一步将进行样品试制工作。样品试制完成后，将按照GB/T 18890.3—2002《额定电压220 kV(Um=252 kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及附件》进行型式试验和预鉴定试验。试验全部通过后，即可投入电网运行。这将会带来很大的经济效益和社会效益。

［1］许建民，易际明，赵 军，等.流线型轿车外流场的数字模拟［J］.陕西科技大学学报，2011(5):61-64.

［2］田红旗，周 丹，许 平.列车空气动力性能与流线型头部外形［J］.中国铁道科学，2006(3):36-39.