畢業(yè)論文-110kV電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)分析

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- PAGE II - PAGE II -110kV電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)分析摘要在電力系統(tǒng)中，電纜附件是重要的組成部分，在故障發(fā)生的概率中，電纜附件的故障概率約為70%，所以電纜附件的質(zhì)量好壞，直接影響電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，而確保附件質(zhì)量的關(guān)鍵是要有科學(xué)合理的絕緣結(jié)構(gòu)，即用合理的絕緣結(jié)構(gòu)是保證附件質(zhì)量的首要工作。所以電纜連接盒作為電纜附件之一，它的開(kāi)發(fā)和研究是刻不容緩的事。在連接電纜時(shí)會(huì)使電纜絕緣中原來(lái)的均勻徑向分布的電場(chǎng)梯度被破壞，此時(shí)的電纜終端電場(chǎng)沿電纜長(zhǎng)度方向分布不均勻，比較集中在線芯和金屬屏蔽層處，而且在靠近金屬屏蔽層邊緣處的電場(chǎng)強(qiáng)

2、度最大。所以本文對(duì)電纜終端電場(chǎng)分布和連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，主要闡述了高壓電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。并且利用計(jì)算機(jī)對(duì)110kv級(jí)復(fù)合絕緣高壓電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)比較電纜連接盒在有無(wú)應(yīng)力錐,有無(wú)反應(yīng)力錐，應(yīng)力錐不同形狀和反應(yīng)力錐不同形狀時(shí)的電位分布及電場(chǎng)分布情況，確定應(yīng)力錐及反應(yīng)力錐的作用，優(yōu)化應(yīng)力錐及反應(yīng)力錐的形狀。關(guān)鍵詞：電纜連接盒；絕緣結(jié)構(gòu)；應(yīng)力錐；電場(chǎng)分析The insulation structure analysis of 110kV power cable jointAbstractIn the power system, the electric cab

3、le accessory is an important part. In the probability of failure, the probability of the electric cable accessory fault is about 70%. So the quality of the electric cable accessory directly influences the power supply quality. The key to ensure the quality of the attachment is to create a scientific

4、 and reasonable insulation structure. Namely, using a reasonable insulation structure is the first work to guarantee the quality of the electric cable accessory. Therefore, as one part of the electric cable accessory, exploring and researching the cable terminal seems to be an urgent matter.Connecti

5、ng the power cables will destroy the electric field gradient of the original uniform radial distribution in the cable insulation. The electric field along the cable length of cable terminal is uneven distribution, and more concentrates on the line core and metal shield. Furthermore, the electric fie

6、ld strength reaches its maximum near the edge of metal shield. This paper analyzed the electric field distribution of electric cable terminal and the insulation structure of the cable joint, mainly introduced the insulation structure design method of the high voltage cable joint. Using computer simu

7、lates the 110 kV class of the complex insulating high voltage cable joint structure. By comparing the cable joint that with or without the stress-relief cone, with or without the uplift stress-relief cone, the stress-relief cone of different shape and the uplift stress-relief cone of different shape

8、 to make sure theirs effect and optimize the shape.Keywords: electric cable connection box; insulation structure; stress-relief cone; electric field distributionPAGE II- - PAGE IV -目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327948645 第1章 緒論 PAGEREF _Toc327948645 h 1 HY

9、PERLINK l _Toc327948646 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc327948646 h 1 HYPERLINK l _Toc327948647 1.1.1 電力電纜連接盒的分類 PAGEREF _Toc327948647 h 1 HYPERLINK l _Toc327948648 1.1.2 電力電纜連接盒的發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc327948648 h 3 HYPERLINK l _Toc327948649 1.2 本文研究意義 PAGEREF _Toc327948649 h 3 HYPERLINK l _Toc327948650 1.3 本文主要工作 P

10、AGEREF _Toc327948650 h 4 HYPERLINK l _Toc327948651 第2章 電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc327948651 h 5 HYPERLINK l _Toc327948652 2.1 電纜終端電場(chǎng)分布 PAGEREF _Toc327948652 h 5 HYPERLINK l _Toc327948653 2.1.1 電纜終端電場(chǎng)分布特點(diǎn) PAGEREF _Toc327948653 h 5 HYPERLINK l _Toc327948654 2.1.2 電纜終端電場(chǎng)分布的等效回路分析 PAGEREF _Toc327948654 h

11、 6 HYPERLINK l _Toc327948655 2.2 電力電纜連接盒的絕緣結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc327948655 h 9 HYPERLINK l _Toc327948656 2.2.1 主要絕緣結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc327948656 h 9 HYPERLINK l _Toc327948657 2.2.2 各絕緣結(jié)構(gòu)的作用 PAGEREF _Toc327948657 h 10 HYPERLINK l _Toc327948658 2.3 連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 PAGEREF _Toc327948658 h 11 HYPERLINK l _Toc327948659

12、 2.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc327948659 h 18 HYPERLINK l _Toc327948660 第3章 有限元方法及連接盒絕緣模型 PAGEREF _Toc327948660 h 19 HYPERLINK l _Toc327948661 3.1 有限元法 PAGEREF _Toc327948661 h 19 HYPERLINK l _Toc327948662 3.1.1 有限元法基礎(chǔ) PAGEREF _Toc327948662 h 19 HYPERLINK l _Toc327948663 3.1.2 有限元方法的計(jì)算步驟 PAGEREF _Toc327948663

13、 h 23 HYPERLINK l _Toc327948664 3.2 電纜連接盒絕緣模型 PAGEREF _Toc327948664 h 24 HYPERLINK l _Toc327948665 3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù) PAGEREF _Toc327948665 h 24 HYPERLINK l _Toc327948666 3.2.2 建立電纜連接盒絕緣模型 PAGEREF _Toc327948666 h 25 HYPERLINK l _Toc327948667 3.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc327948667 h 26 HYPERLINK l _Toc327948668 第4章

14、連接盒絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)計(jì)算分析 PAGEREF _Toc327948668 h 27 HYPERLINK l _Toc327948669 4.1 電場(chǎng)計(jì)算 PAGEREF _Toc327948669 h 27 HYPERLINK l _Toc327948670 4.1.1 建立模型 PAGEREF _Toc327948670 h 27 HYPERLINK l _Toc327948671 4.1.2 網(wǎng)格劃分 PAGEREF _Toc327948671 h 27 HYPERLINK l _Toc327948672 4.1.3 附加邊界條件和求解 PAGEREF _Toc327948672 h 27

15、HYPERLINK l _Toc327948673 4.1.4 后處理 PAGEREF _Toc327948673 h 27 HYPERLINK l _Toc327948674 4.2 結(jié)果分析 PAGEREF _Toc327948674 h 29 HYPERLINK l _Toc327948675 4.2.1 應(yīng)力錐分析 PAGEREF _Toc327948675 h 29 HYPERLINK l _Toc327948676 4.2.2 反應(yīng)力錐分析 PAGEREF _Toc327948676 h 36 HYPERLINK l _Toc327948677 4.3 結(jié)果總結(jié) PAGEREF _

16、Toc327948677 h 43 HYPERLINK l _Toc327948678 4.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc327948678 h 44 HYPERLINK l _Toc327948679 結(jié)論 PAGEREF _Toc327948679 h 45 HYPERLINK l _Toc327948680 致謝 PAGEREF _Toc327948680 h 46 HYPERLINK l _Toc327948681 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc327948681 h 47 HYPERLINK l _Toc327948682 附錄A英文文獻(xiàn) PAGEREF _Toc3279

17、48682 h 48 HYPERLINK l _Toc327948683 附錄B中文翻譯 PAGEREF _Toc327948683 h 59- PAGE 10 - PAGE 68 -緒論課題背景電力電纜中間連接盒是將兩根電纜連接起來(lái)的部件，是高壓及超高壓電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)必不可少的附件。當(dāng)高壓電纜線路較長(zhǎng)(一般為500 m 以上) 時(shí)，因電纜接續(xù)以及電纜線路金屬套互連接地的需要，必須采用中間連接盒。目前超高壓電力電纜所用的連接盒，乃是110-220千伏結(jié)構(gòu)的延伸，僅僅是尺寸加大而已。英國(guó)已在400千伏線路中使用了這類連接盒。隨著地下電纜線路逐漸作為城市輸電的主要手段，連接盒的使用愈來(lái)愈多。電

18、力電纜連接盒的分類110kV及以上電壓等級(jí)的XLPE電纜在中國(guó)已有了20余年的運(yùn)行歷史。這類電纜在安裝后的試驗(yàn)中和運(yùn)行中發(fā)生過(guò)不少絕緣擊穿故障。除安裝質(zhì)量外，這些故障主要是由于電纜附件本身存在的缺陷引起的。目前在中國(guó)應(yīng)用的高壓XLPE電纜中間接頭連接盒有4種型式：繞包型、模塑型、預(yù)制組裝型和預(yù)制型。下面將對(duì)這4種接頭作簡(jiǎn)要地分析。1繞包型繞包型式的接頭已應(yīng)用到220kV。為了使電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布均勻并降低軸向場(chǎng)強(qiáng)。繞包型接頭都有兩個(gè)較長(zhǎng)的削成鉛筆頭狀的電纜絕緣末端和兩個(gè)由手工或?qū)Ｓ美@帶機(jī)繞成的應(yīng)力錐。由于接頭是在現(xiàn)場(chǎng)用絕緣帶繞包的，特別是在手工繞包情況下，絕緣帶層間就會(huì)包纏進(jìn)一些氣隙和雜質(zhì)。與此同時(shí)

19、，所繞包出的錐的形狀也難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此其設(shè)計(jì)電場(chǎng)強(qiáng)度要比其他形式接頭的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)低，并且接頭體積較大。此外還存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：a對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件要求高；b對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安裝技術(shù)要求高；c安裝時(shí)間長(zhǎng)；d運(yùn)行中接頭絕緣部分的外型不穩(wěn)定。繞包型接頭的主要優(yōu)點(diǎn)是在不同絕緣類型、不同電壓等級(jí)和不同電纜截面的使用中具有很高的適應(yīng)性。對(duì)于110kV及以下電壓等級(jí)的高壓電纜接頭來(lái)說(shuō)，不失為事故備品的一種好形式。2模塑型模塑型接頭采用與電纜絕緣同樣材料制成的可交聯(lián)帶子繞包。在加以適當(dāng)溫度并經(jīng)過(guò)合適的加熱時(shí)間后，在接頭位置上的絕緣層就形成了，所繞包的帶子就會(huì)與電纜絕緣溶為一體。這類接頭與電纜本體在直徑上差別不大。在

20、電纜的軸向上幾乎不存在電場(chǎng)。這類接頭的缺點(diǎn)是：a現(xiàn)場(chǎng)的安裝環(huán)境條件和安裝的技術(shù)要求更高，安裝的時(shí)間更長(zhǎng)；b現(xiàn)場(chǎng)交聯(lián)受多方面因素的影響加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱長(zhǎng)度和電纜的截面等)并且難以控制。這類接頭在我國(guó)應(yīng)用較少，且有過(guò)事故記錄。除特殊情況，一般不推薦使用這類接頭。3預(yù)制組裝型預(yù)制組裝型接頭是由置于中間的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣筒、位于兩端的應(yīng)力錐和壓力元件組成的。當(dāng)應(yīng)力錐與電纜絕緣之間和應(yīng)力錐與環(huán)氧樹(shù)脂絕緣之間具有適當(dāng)?shù)膲簭?qiáng)時(shí)，就可得到一個(gè)理想的場(chǎng)強(qiáng)沿應(yīng)力錐均勻遞減的分布。其它的一些優(yōu)點(diǎn)有：a 由于是在工廠預(yù)制的，所以有較高的絕緣可靠性；b現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間短：c易于安裝；d對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件要求較低。預(yù)制型接頭

21、中也存在一些缺點(diǎn)：a 電纜絕緣材料(XLPE)和應(yīng)力錐材料(EPDM)的膨脹系數(shù)與環(huán)氧樹(shù)脂的膨脹系數(shù)差別很大。在溫度變化時(shí)各部件會(huì)發(fā)生相對(duì)位移。這就需要在接頭的兩端加裝一組壓力彈簧，不僅要保證應(yīng)力錐與電纜之間、應(yīng)力錐與環(huán)氧樹(shù)脂絕緣筒之間的壓強(qiáng)，還要保證它們的穩(wěn)定性。因此，接頭的長(zhǎng)度增加了，安裝的工作量增多了。b 在導(dǎo)電線芯連接前，要將應(yīng)力錐和環(huán)氧樹(shù)脂筒套至電纜上，這就增加了電纜外護(hù)套和外半導(dǎo)電層的剝切長(zhǎng)度，并且增加了安裝的工作量。c 接頭的體積大并且笨重，在安裝過(guò)程中耗費(fèi)了較多的勞動(dòng)。例如，在220kV接頭中，其環(huán)氧樹(shù)脂絕緣套筒的重量超過(guò)了200kg。4預(yù)制型預(yù)制型接頭被廣泛的用于220kV及

22、以下電壓等級(jí)的XLPE電纜。它是由硅橡膠或三元乙丙橡膠(EPDM)制成的。應(yīng)力錐、導(dǎo)體屏蔽、絕緣屏蔽和接頭的主絕緣在工廠中被集為一體。在電纜絕緣與應(yīng)力錐的結(jié)合面上，等位線間的距離很大且很均勻，軸向應(yīng)力遠(yuǎn)低于電纜本體和預(yù)制接頭本體的應(yīng)力。因此安裝工作變得簡(jiǎn)單，安裝時(shí)間縮短，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件的要求也較低。只要處理好電纜和接頭的界面，就能容易地獲得較高的安裝質(zhì)量。接頭的材料具有較好的彈性，膨脹系數(shù)接近。因此在溫度變化時(shí)各部件之間不易發(fā)生位移。在將預(yù)制件套入電纜時(shí)，半導(dǎo)體材料有可能對(duì)電纜絕緣表面產(chǎn)生污染。為了獲得較高的接頭絕緣強(qiáng)度，在套入預(yù)制件的過(guò)程中必須確保接頭部分的絕緣不能有任何污染。因此，在套

23、入預(yù)制件時(shí)不做任何防范技術(shù)措施的做法無(wú)論如何是危險(xiǎn)的。預(yù)制件套入電纜技術(shù)也就成了安裝這類接頭的技術(shù)關(guān)鍵。電力電纜連接盒的發(fā)展趨勢(shì)在上面提到的4種電纜接頭中，對(duì)于110kV及以上電壓等級(jí)的高壓XLPE電纜，預(yù)制型接頭應(yīng)是未來(lái)的發(fā)展方向，除了用于事故備品外，繞包型接頭不應(yīng)再被使用。預(yù)制型接頭中“插入”型具有較為理想的結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先使用。對(duì)于預(yù)制型接頭，擴(kuò)張技術(shù)也是一種較好的技術(shù)。出于對(duì)造價(jià)的考慮，對(duì)于制造接頭的絕緣材料來(lái)說(shuō)，三元乙丙橡膠(EPDM)優(yōu)于硅橡膠(SIR)。在接頭的設(shè)計(jì)中，對(duì)在制造中產(chǎn)生的電纜絕緣層內(nèi)機(jī)械應(yīng)力的釋放應(yīng)加以考慮。安裝簡(jiǎn)便、安裝時(shí)間短、現(xiàn)場(chǎng)安裝技術(shù)要求低、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件要求低和

24、安裝質(zhì)量易于控制也是接頭發(fā)展的重要方面之一。對(duì)于交聯(lián)電纜及其配套附件，目前我國(guó)對(duì)110kv等級(jí)的XLPE電纜附件仍需大量進(jìn)口。因此在我國(guó)研制XLPE電纜預(yù)制型連接盒具有廣闊的市場(chǎng)前景。世界各國(guó)XLPE電纜附件技術(shù)發(fā)展的過(guò)程及發(fā)展方向理應(yīng)成為我國(guó)XLPE電纜附件生產(chǎn)的借鑒、開(kāi)拓創(chuàng)新的階梯。本文研究意義在電力系統(tǒng)中，電纜附件是重要的組成部分，在故障發(fā)生的概率中，電纜附件的故障概率約為70%，所以電纜附件的質(zhì)量好壞，直接影響電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，而確保附件質(zhì)量的關(guān)鍵是要科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)，即用合理的結(jié)構(gòu)是保證附件質(zhì)量的首要工作。這里將主要研究一下電纜連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布。在任何絕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是電

25、場(chǎng)分布特點(diǎn)和規(guī)律。連接盒也不例外，電纜連接盒的電場(chǎng)分布比電纜絕緣層內(nèi)的分布要復(fù)雜得多，與高壓套管相似，電場(chǎng)集中在靠近金屬護(hù)套邊緣，并且具有很大的軸向分量，這就要求電纜附件具有較好的絕緣性能。為了有效地降低金屬屏蔽層邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)，必須采取措施，或在金屬屏蔽層邊緣的絕緣表面涂以半導(dǎo)電漆，可以減少沿表面的阻抗和金屬屏蔽層附近的電位梯度；或在金屬屏蔽層附近加裝接地屏蔽環(huán)，增大曲率半徑；或采用應(yīng)力錐，均化電場(chǎng)。為設(shè)計(jì)合理的絕緣結(jié)構(gòu)需進(jìn)行合理的電場(chǎng)分析。而高壓靜電場(chǎng)分析是高電壓絕緣技術(shù)的一個(gè)重要方面。電氣設(shè)備的絕緣在高電壓作用下可能會(huì)發(fā)生擊穿破壞，更確切地說(shuō)造成絕緣介質(zhì)擊穿的原因是高電壓作用下在絕緣中形成

26、的強(qiáng)電場(chǎng)。研究和改善高電壓設(shè)備中的電場(chǎng)分布情況是高電壓技術(shù)的重要任務(wù)之一。目前，高壓電氣設(shè)備主要在工頻 50Hz 交流電壓下工作，電極間電壓隨時(shí)間的變化是比較緩慢的，所以一般電氣設(shè)備在任一瞬間的電場(chǎng)都可以近似地認(rèn)為是穩(wěn)定的，可以按靜電場(chǎng)來(lái)分析。研究靜電場(chǎng)分布的規(guī)律，常常希望能夠定量計(jì)算絕緣各部位的電位和電場(chǎng)強(qiáng)度。但是由于電極形狀、介質(zhì)分布（場(chǎng)域的邊界條件）比較復(fù)雜，計(jì)算常會(huì)遇到很多困難，除了極少數(shù)簡(jiǎn)單幾何形狀的電極和介質(zhì)分布外，一般很難用解析計(jì)算方法求解，甚至不可能求解。工程上常常用近似方法，簡(jiǎn)化電極形狀，來(lái)估算場(chǎng)域中某部分的解（主要是最大場(chǎng)強(qiáng)值）。近些年來(lái)由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的普遍使用

27、，靜電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法得到了廣泛應(yīng)用，一些邊界比較復(fù)雜的靜電場(chǎng)問(wèn)題也都能獲得比較滿意的數(shù)值解。本文主要工作本課題通過(guò)對(duì)電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分析，優(yōu)化了高壓電力電纜連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)。主要做了如下工作：研究電力電纜終端的電場(chǎng)分布；研究高壓電力電纜連接盒的典型絕緣結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算原理；掌握有限元方法，為電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)仿真和數(shù)值分析做準(zhǔn)備。用ANSYS軟件仿真高壓電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布情況，比較有無(wú)應(yīng)力錐、有無(wú)反應(yīng)力錐、應(yīng)力錐形狀不同和反應(yīng)力錐形狀不同時(shí)的區(qū)別，優(yōu)化初始設(shè)計(jì)的絕緣結(jié)構(gòu)，確定一套最優(yōu)可行性的方案。電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)分析電纜終端電場(chǎng)分布 電纜終端電場(chǎng)分布特點(diǎn) 在連接電纜

28、時(shí)，為了避免引起線芯和金屬屏蔽層間短路，需要將電纜終端處的外護(hù)層、鎧裝層和金屬屏蔽層剝?nèi)?。由于將金屬屏蔽層剝?nèi)?，電纜絕緣中原來(lái)的均勻徑向分布的電場(chǎng)梯度被破壞，此時(shí)的電纜終端電場(chǎng)分布如圖： 圖2-1 電纜終端電場(chǎng)分布 圖2-2電纜絕緣剝?nèi)ズ蟮碾娏€分布左邊只剝?nèi)ル娎|的鉛套 右邊同時(shí)剝?nèi)ル娎|的絕緣層和鉛套1線芯 2絕緣層 3鉛套電纜終端的電場(chǎng)分布比電纜本體復(fù)雜得多，電場(chǎng)不僅有垂直電纜絕緣方向的徑向分量，還有沿電纜絕緣的軸向分量，在沿絕緣表面易引起滑閃放電。且沿電纜長(zhǎng)度方向電場(chǎng)分布也不均勻，比較集中在線芯和金屬屏蔽層處，而且在靠近金屬屏蔽層邊緣處的電場(chǎng)強(qiáng)度最大。其原因是在電纜終端等效電路中忽略電感和

29、電阻，主要考慮電容作用的時(shí)候，其等效電容可以認(rèn)為是由體積電容和表面電容組成的電容鏈。電容電流由高電位流向低電位，這樣在金屬屏蔽層附近所匯集的電容電流最大，在認(rèn)為沿電纜長(zhǎng)度方向阻抗大致相同的前提下，金屬屏蔽層附近的壓降也就最大，因而此處電位的變化率最大，故場(chǎng)強(qiáng)最大。另一方面，把金屬屏蔽層剝開(kāi)后，其絕緣為兩種以上的介質(zhì)，此時(shí)電場(chǎng)的方向斜射到介質(zhì)的分界面上，在分界面上會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)的彎折，從而電場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生徑向和軸向分量。一般介質(zhì)的軸向方向的耐電強(qiáng)度低，且在界面上易混有氣隙和雜質(zhì)，在一定條件下就會(huì)產(chǎn)生放電，造成絕緣的破壞。電纜終端電場(chǎng)分布的等效回路分析在剝?nèi)ヒ欢ǔ叽绲耐庾o(hù)層和金屬屏蔽層后，電纜終端可以用電

30、容和電阻的集中參數(shù)等效的表示，可將終端簡(jiǎn)化為鏈形的等效回路，如圖所示：圖2-3 電纜終端的等效電路圖 如圖2-3，絕緣體和絕緣外表面均可看成電阻和電容并聯(lián)的等效電路。并設(shè)為單位長(zhǎng)度電纜絕緣層的體積復(fù)導(dǎo)納；為單位長(zhǎng)度電纜絕緣層的表面復(fù)導(dǎo)納；為單位長(zhǎng)度電纜絕緣層的體積電阻；為單位長(zhǎng)度電纜絕緣層的體積電容。則有 （2-1） （2-2） （2-3）若 （2-4）則 （2-5）式中 線芯半徑；R絕緣外半徑；介質(zhì)體積電阻率；真空介電常數(shù)；介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；單位長(zhǎng)度表面電阻；單位長(zhǎng)度周圍媒質(zhì)電阻；K和表面情況有關(guān)的常數(shù)。若金屬屏蔽層處的電位為零。設(shè)為絕緣表面距原點(diǎn)（金屬屏蔽層邊緣）處的電壓，線芯對(duì)金屬屏蔽

31、層的電壓（電位）為，則可認(rèn)為在微分元素內(nèi)，電位的增量為，為電位變化率，或?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度電壓的增量。因?yàn)槲⒎衷?，故在?nèi)I可近似認(rèn)為定值，故有 (2-6)又因?yàn)殡娏鳛轶w積電流和表面電流之和，當(dāng)很小時(shí)，可認(rèn)為的變化和表面電流無(wú)關(guān)，即電流變化近似認(rèn)為僅由體積電流引起的，電流沿方向遞減，故 或 (2-7)由式（2-6）對(duì)求導(dǎo)，得 （2-8）將式（2-7）代入式（2-8）得 （2-9）設(shè)，則有 （2-10）此為二階齊次微分方程，其通解為 （2-11）式中，、積分常數(shù)；根據(jù)初始條件，當(dāng)時(shí)，；時(shí)，故得，則 （2-12）故切向場(chǎng)強(qiáng) (2-13)圖2-4 切向場(chǎng)強(qiáng)與x關(guān)系圖式（2-13）即沿方向絕緣界面的切向場(chǎng)強(qiáng)表

32、達(dá)式。式中負(fù)號(hào)表示切向場(chǎng)強(qiáng)和方向相反。式中，稱為等效半徑。從式（2-13）中可以看出：1、的分布和有關(guān)，當(dāng)時(shí)， （2-14）雙曲余切函數(shù)，由圖2-4可知當(dāng)自變量為零時(shí)取得極大值，故當(dāng)絕緣長(zhǎng)度時(shí)，即金屬屏蔽層邊緣處場(chǎng)強(qiáng)最大，從上述數(shù)學(xué)分析中又一次得到驗(yàn)證。2、隨絕緣長(zhǎng)度的增加，呈下降趨勢(shì)，但當(dāng)時(shí)，趨近于1，則增加絕緣的長(zhǎng)度，對(duì)金屬屏蔽邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)并無(wú)多大影響。3、為了有效地降低金屬屏蔽層邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)，可以采取下列措施：（1）在電纜絕緣上施加新的絕緣層，以增大等效半徑；（2）增大，可將絕緣浸入介電常數(shù)較大的油中；（3）降低，選擇介電常數(shù)較小的絕緣材料，亦可減少電容電流；（4）在金屬屏蔽層邊緣的絕緣

33、表面涂以半導(dǎo)電漆，可以減少沿表面的阻抗和金屬屏蔽層附近的電位梯度；（5）在金屬屏蔽層附近加裝接地屏蔽環(huán)，增大曲率半徑；（6）采用應(yīng)力錐，均化電場(chǎng)；電力電纜連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)主要絕緣結(jié)構(gòu)連接盒的絕緣由電纜絕緣、應(yīng)力錐、反應(yīng)力錐和增繞絕緣組成。如圖2-5：圖2-5絕緣結(jié)構(gòu)三維圖增繞絕緣電纜線芯連接處電場(chǎng)集中，需要增加絕緣厚度、降低接頭工作場(chǎng)強(qiáng)來(lái)確保連接頭的安全運(yùn)行，因此需要在電纜絕緣上面繞包增繞絕緣，增繞絕緣的兩端形成應(yīng)力錐面。按其制作工藝分，有繞包帶型、模塑型、模鑄型及預(yù)制式的增繞絕緣。應(yīng)力錐應(yīng)力錐是均化場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)力的錐形體。對(duì)于油紙絕緣電纜，應(yīng)力錐是在電纜絕緣上用紙帶繞包而成。錐面上纏繞鉛絲后與金屬

34、屏蔽層相連，以實(shí)現(xiàn)電位為零。對(duì)于橡塑絕緣電力電纜，應(yīng)力錐是用乙丙橡膠或硅橡膠預(yù)先加工制成。電纜連接的時(shí)候套在電纜本體絕緣上。其應(yīng)力錐面使用導(dǎo)電膠或半導(dǎo)電膠擠壓成型。如圖2-6：圖2-6應(yīng)力錐反應(yīng)力錐自導(dǎo)電線芯的連接處開(kāi)始，將電纜本體絕緣切削成像一“鉛筆頭”形，此時(shí)的錐形曲線恰好與應(yīng)力錐曲線反方向，電纜本體絕緣與填充絕緣的交界面稱為反應(yīng)力錐錐面。如圖2-7：圖2-7反應(yīng)力錐各絕緣結(jié)構(gòu)的作用1、增繞絕緣的作用：因?yàn)殡娎|線芯連接處電場(chǎng)集中，在電纜絕緣上面繞包增繞絕緣可以增加絕緣厚度、降低接頭工作場(chǎng)強(qiáng)來(lái)確保連接頭的安全運(yùn)行。2、應(yīng)力錐的作用：在金屬屏蔽層邊緣處電場(chǎng)分布最不均勻，場(chǎng)強(qiáng)最高，最容易發(fā)生擊穿

35、事故，在連接盒里，應(yīng)力錐主要將電纜外屏蔽端口處用半導(dǎo)電材料進(jìn)行延伸，通過(guò)改變其幾何形狀的方法，來(lái)增大終端等效回路中的表面電容，從而改善電場(chǎng)強(qiáng)度分布極不均勻的情況，以達(dá)到提高介電強(qiáng)度降低電場(chǎng)強(qiáng)度，均勻電場(chǎng)的目的。比較圖2-8,2-9可知，有應(yīng)力錐時(shí)的電場(chǎng)分布更為均勻。圖2-8無(wú)應(yīng)力錐電位分布圖圖2-9有應(yīng)力錐電位分布圖3、反應(yīng)力錐的作用：電纜中間頭斷面上由不同絕緣材料組成時(shí)，其電場(chǎng)強(qiáng)度的分布與絕緣材料的介電常數(shù)有關(guān)，因此，在接續(xù)管附近，由于有電纜本體絕緣和填充絕緣兩種不同的絕緣材料，其電場(chǎng)分布不一樣，使同一層絕緣上相鄰兩點(diǎn)之間產(chǎn)生一定的電位差，即軸向場(chǎng)強(qiáng)。為了改善這一部分的電場(chǎng)分布，需將電纜本體

36、絕緣切削成與應(yīng)力錐曲線相反的形狀，即反應(yīng)力錐，從而達(dá)到均勻電場(chǎng)的目的。比較圖2-10,2-11可知，有反應(yīng)力錐時(shí)電場(chǎng)更為均勻。圖2-10無(wú)反應(yīng)力錐電位分布圖圖2-11有反應(yīng)力錐電位分布圖連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算增繞（或填充）絕緣層的厚度計(jì)算計(jì)算增繞絕緣層的厚度可根據(jù)連接接頭盒絕緣最大允許場(chǎng)強(qiáng)來(lái)確定。該部分的絕緣是在敷設(shè)安裝現(xiàn)場(chǎng)施加，絕緣質(zhì)量必將受到影響，加上連接線芯套管場(chǎng)強(qiáng)增加，故在設(shè)計(jì)時(shí)，該處線芯表面最大工作場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)取電纜本體最大工作場(chǎng)強(qiáng)的45%60%左右。 設(shè)增繞絕緣和填充絕緣的相對(duì)介電常數(shù)為；線芯連接套外半徑為，增繞絕緣外半徑為，則有 （2-15）式中，U相電壓；線芯連接套表面電場(chǎng)強(qiáng)度。故

37、由式（2-15）可得 （2-16）從而增繞絕緣厚度為 （2-17）式中，R電纜本體絕緣外半徑。應(yīng)力錐的設(shè)計(jì)如前所述，將應(yīng)力錐施加于金屬屏蔽層邊緣的場(chǎng)強(qiáng)集中處，可使場(chǎng)強(qiáng)均勻分布。應(yīng)力錐的表面為一錐形曲面。由其形狀所決定，曲面上的軸向場(chǎng)強(qiáng)為一恒定值，或小于某一允許值，錐面一定與金屬屏蔽層相連，使其電位為零，所以錐面亦為等位面。先分析軸向場(chǎng)強(qiáng)和徑向場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系。根據(jù)圖2-12：圖2-12 連接盒電氣計(jì)算說(shuō)明1線芯 2電纜本體絕緣 3填充絕緣 4增繞絕緣 5連接管 6電纜金屬護(hù)套 7鉛絲繞包屏蔽電力線與錐面正交，為過(guò)點(diǎn)F的切線與X軸正交的交角，在應(yīng)力錐表面任一點(diǎn)F的軸向場(chǎng)強(qiáng)與該點(diǎn)徑向場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系為 絕緣為

38、分階絕緣，則過(guò)F點(diǎn)的徑向場(chǎng)強(qiáng)可近似按圓柱形電場(chǎng)計(jì)算 （2-18）式中 U電纜承受電壓； 、電纜本體分階絕緣的內(nèi)外層相對(duì)介電常數(shù)； 增繞絕緣的相對(duì)介電常數(shù)； 電纜線芯半徑； 電纜絕緣分階半徑； R電纜絕緣外半徑；令，則式（2-18）改寫為 （2-19）令，則式（2-19）可寫為 （2-20）且 （2-21）即，兩邊同時(shí)積分 （2-22）選擇曲面形狀，使沿錐面的軸向場(chǎng)強(qiáng)為一常數(shù)，則得出錐面的方程為 （2-23）當(dāng)時(shí)，即應(yīng)力錐長(zhǎng)度 （2-24）軸向場(chǎng)強(qiáng)決定了應(yīng)力錐面的長(zhǎng)度，一般取為連接盒絕緣層最大允許軸向場(chǎng)強(qiáng)，以縮短連接盒的尺寸。 在實(shí)際制作和敷設(shè)安裝時(shí)，很難做出如式（2-23）給出的錐面。為了工藝

39、的可行性，一般是用一根或幾根直線所組成的錐面來(lái)代替由式（2-23）所表示的曲面。圖2-13為用兩條直線錐面代替曲線錐面的示意圖。圖2-13 用直線錐面代替=常數(shù)曲線錐面的應(yīng)力錐因，故不再為常數(shù)，但錐面上的軸向場(chǎng)強(qiáng)均小于錐面起點(diǎn)A，即金屬屏蔽層邊緣的場(chǎng)強(qiáng)。 如圖2-13用兩根直線所組成的錐面代替AB曲線錐面，最大軸向場(chǎng)強(qiáng)只可能在A和點(diǎn)。而且A點(diǎn)的軸向場(chǎng)強(qiáng)最大，可令其等于接頭中允許最大軸向場(chǎng)強(qiáng)，那么在各層介質(zhì)幾點(diǎn)常數(shù)相等時(shí)應(yīng)力錐的長(zhǎng)度方程為 (2-25)式中，為點(diǎn)的縱坐標(biāo)，可根據(jù)L為最小值來(lái)確定。為此令式（2-25）對(duì)微分并令,得 （2-26）式中， （2-27）當(dāng)滿足（2-26）時(shí)，應(yīng)力錐長(zhǎng)度最

40、小。為了計(jì)算方便，圖2-14繪制了不同值時(shí)的方程（2-26）的k曲線。一般情況下；兩條直線所組成的錐面長(zhǎng)度約為原理想錐面長(zhǎng)度的120%150%。圖2-14 k-曲線反應(yīng)力錐設(shè)計(jì)反應(yīng)力錐的設(shè)計(jì)是連接盒設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵部位。未來(lái)防止沿此面發(fā)生移滑放電，反應(yīng)力錐的形狀也是根據(jù)沿此面的軸向場(chǎng)強(qiáng)為一常數(shù)或小于某一常數(shù)確定的。如圖2-15所示，圖2-15 計(jì)算反應(yīng)力錐面說(shuō)明圖1線芯 2本體絕緣 3填充及增繞絕緣反應(yīng)力錐處的電位 （2-28） 式中， 電纜導(dǎo)電線芯相電壓；y錐面上任意一點(diǎn)的縱坐標(biāo)； 連接套半徑； 電纜絕緣相對(duì)介電常數(shù)； 增繞絕緣的相對(duì)介電常數(shù)；且有 （2-29） 則軸向場(chǎng)強(qiáng) （2-30）如為

41、一常數(shù)，將上式變換，并對(duì)積分得 （2-31）于是反應(yīng)力錐沿電纜長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度 （2-32） 對(duì)于單一直線組成的反應(yīng)力錐面，其最大軸向場(chǎng)強(qiáng)位于處，可由（8-30）得，當(dāng)時(shí)， （2-33）而反應(yīng)力錐長(zhǎng)度為 （2-34）若用兩根直線代替反應(yīng)力錐曲線，其最大軸向場(chǎng)強(qiáng)與直線斜率的關(guān)系也可用類似方法求得，如圖2-16：圖2-16 用兩直線代替理想反應(yīng)力錐說(shuō)明 （8-35）于是兩根直線組成的反應(yīng)力錐沿電纜長(zhǎng)度方向總長(zhǎng)為 （2-36）當(dāng)時(shí)，長(zhǎng)度有最小值，即交界面選在 （2-37）為半徑的圓周上時(shí)，長(zhǎng)度最小，此時(shí) （2-38）則 (2-39) 連接接頭盒中的軸向場(chǎng)強(qiáng)，主要根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)選定。應(yīng)力錐軸向場(chǎng)強(qiáng)一般取電

42、纜徑向場(chǎng)強(qiáng)的1/101/20左右，大約0.5kV/mm；反應(yīng)力錐的軸向場(chǎng)強(qiáng)一般取應(yīng)力錐軸向場(chǎng)強(qiáng)的50%90%左右，一般約為0.12kV/mm。本章小結(jié)本章通過(guò)對(duì)電纜終端的電場(chǎng)分布的分析，從而確定了電纜終端連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)，并介紹了各絕緣結(jié)構(gòu)的作用，最后運(yùn)用理論計(jì)算了各絕緣結(jié)構(gòu)的尺寸。有限元方法及連接盒絕緣模型有限元法有限元法基礎(chǔ)電場(chǎng)數(shù)值分析的方法有多種，如有限差分法、有限元法和模擬電荷法等。由于用有限元法解非線性場(chǎng)及多層介質(zhì)中的電磁場(chǎng)不受場(chǎng)域邊界形狀的限制，且對(duì)第二類、第三類及不同媒質(zhì)分界面的邊界條件能自動(dòng)滿足，不必作單獨(dú)處理，因而用有限元法解電纜終端的電磁場(chǎng)較為適宜。電力電纜終端的場(chǎng)，可用圓

43、柱坐標(biāo)系中軸對(duì)稱二維拉普拉斯方程來(lái)描述。電磁場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題，也即求解拉普拉斯方程的為。而求解拉普拉斯偏微分方程可通過(guò)有限元法將其轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，然后結(jié)合邊界條件求解。因滿足給定邊值的拉普拉斯形式的偏微分方程將有唯一解，故求解拉普拉斯方程又稱為邊值問(wèn)題。而求解邊值問(wèn)題又可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問(wèn)題，也就是所謂泛函的極值問(wèn)題。然后利用剖分插值將變分問(wèn)題離解為多元函數(shù)的極值問(wèn)題，最終歸結(jié)為一組多元的代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問(wèn)題的數(shù)值解。泛函和變分電纜屬于軸對(duì)稱場(chǎng)，絕緣中無(wú)自由電荷，即，則采用圓柱坐標(biāo)，位函數(shù)是和的函數(shù)，即，故有 (3-1)式中為位函數(shù)，即為電力電纜的相電壓；為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。場(chǎng)域的剖

44、分在有限元中需將連續(xù)域剖分成有限個(gè)數(shù)單元。如在二維場(chǎng)中，常用三角形或四邊形剖分。這樣泛函的面積可表示為每個(gè)單元面積的總和。 剖分時(shí)，各單元只能以頂點(diǎn)相交，不同單元的相同點(diǎn)電位相等，每個(gè)單元頂點(diǎn)的編號(hào)順序一致。單元中任意點(diǎn)的函數(shù)值可用單元各頂點(diǎn)的函數(shù)值表示為 (3-2)式中，剖分單元的頂點(diǎn)數(shù)；單元中各頂點(diǎn)處的電位值；單元形狀函數(shù)?；瘮?shù)應(yīng)具備完備性、一致性和相容性，即這個(gè)基函數(shù)中的有限元和能使以任何精度接近于真值且將式(3-2)代入式(3-1)能使泛函存在，而且函數(shù)在單元邊界處連續(xù)。由上述有限元的離散化，在各個(gè)三角元內(nèi)，分別給定對(duì)于呈線形變化的插值函數(shù)，即 (3-3)以此近似替代三角單元內(nèi)的待求

45、函數(shù)。式中三個(gè)未知數(shù)由三角單元的三個(gè)頂點(diǎn)處的坐標(biāo)及電位值決定。將它們分別代入上式，有 (3-4)解上述聯(lián)立方程組，有 (3-5)上列各式中 (3-6)即，表示該三角單元的面積。將求出的代入插值多項(xiàng)式(3-3)，經(jīng)整理可得 (3-7)上式表示三角中任意點(diǎn)電位和該單元各頂點(diǎn)電位值之間的關(guān)系。若用矩陣表示，上式可寫成 (3-8)式中 (3-9)式(3-23)統(tǒng)稱為三節(jié)點(diǎn)三角元的形狀函數(shù)。剖分時(shí)，每一種單元只能有一種介質(zhì)。3、有限元方程的建立和求解 將式(3-9)中的用代替，y用z替代，便成了軸對(duì)稱面上的形狀函數(shù)，其表達(dá)式為 （3-10）軸對(duì)稱場(chǎng)的單元系矩陣為 （3-11）在利用式可使上式變?yōu)椋?-1

46、2）系數(shù)矩陣中各元素的一般式為 （3-13）若場(chǎng)域剖分成個(gè)單元，共有個(gè)節(jié)點(diǎn)，則其泛函為 （3-14）式中 K介方陣 由個(gè)節(jié)點(diǎn)電位組成的列陣求的極值時(shí)，必須令對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)電位的一階偏導(dǎo)數(shù)為零，即令 （3-15）將式（3-14）代入上式，可得 （3-16）寫成矩陣形式，有 （3-17）上式便是拉普拉斯方程的有限元方程，它是聯(lián)立線性代數(shù)方程組。通常把解線性代數(shù)方程組的方法分成直接法和迭代法兩類。對(duì)電纜終端的電場(chǎng)，因方程組階數(shù)不高，采用直接法較好。由于位于邊界上的節(jié)點(diǎn)電位值是被給定的，即是“強(qiáng)加的”，必須對(duì)強(qiáng)加邊界條件進(jìn)行處理，即把強(qiáng)加邊界條件綜合到有限元方程中去。4、等位線的繪制和電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算為了形

47、線的描述電場(chǎng)的分布，需畫出電場(chǎng)的等位線圖，其中相鄰的等位線間電位差相等，這樣從等位線的疏密程度，就可判斷電場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱。為描繪等位線，需在已知各節(jié)點(diǎn)電位值的基礎(chǔ)上，求出對(duì)應(yīng)于各條等位線的空間函數(shù)。實(shí)踐中常用插值方法建立待求函數(shù)的近似式。設(shè)需用線性插值法繪制電位為的等位線，首先將與全部剖分單元上的節(jié)點(diǎn)電位值和進(jìn)行比較，若，則表示值介于 和之間，然后可用線性插值公式找出電位等于值得相應(yīng)插值點(diǎn)的空間坐標(biāo)。設(shè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為；節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為，而對(duì)應(yīng)于電位 的值的待求插值點(diǎn)的空間坐標(biāo)為，則上述線性插值公式可綜合為 （3-18）于是把一系列插值點(diǎn)相連，即得所欲繪制的電位為的等位線。同理，可逐一地求出各等位線，描

48、繪出待求電場(chǎng)的等位線圖。電纜附件裝置的設(shè)計(jì)，最需要知道其電場(chǎng)強(qiáng)度的分布，特別是最大電場(chǎng)的強(qiáng)度的分布情況。因此，在求得各離散點(diǎn)電位值的基礎(chǔ)上，需計(jì)算有關(guān)場(chǎng)域中的電場(chǎng)強(qiáng)度。將式（3-7）分別對(duì)x及y求導(dǎo)，可得電場(chǎng)強(qiáng)度沿x方向及y方向的分量 （3-19） （3-20）因在每一個(gè)單元中各點(diǎn)和分別相等，即在每個(gè)單元內(nèi)部，電場(chǎng)強(qiáng)度E為一個(gè)定值，但位于單元周界上的一般與相鄰幾個(gè)單元發(fā)生聯(lián)系。為了將有關(guān)單元的和，然后去其算術(shù)平均值，即 （3-21）式中指與指定節(jié)點(diǎn)相關(guān)的單元數(shù)有限元方法的計(jì)算步驟1、明確場(chǎng)域范圍，將場(chǎng)域剖分為有限個(gè)單位（二維場(chǎng)域可用三角形或四邊形基本單元，三維場(chǎng)域可用四面體、五面體或六面體基本

49、單元）；2、計(jì)算單元電場(chǎng)能系數(shù)矩陣的元素；3、計(jì)算總電場(chǎng)能系數(shù)矩陣的元素；4、列出有限元方程=-式中內(nèi)節(jié)點(diǎn)電位列向量；階系數(shù)矩陣，其元素為； 自由項(xiàng)列向量； 第二類邊值列向量；5、求解有限元方程，求出各節(jié)點(diǎn)電位。6、根據(jù)各節(jié)點(diǎn)電位可求出電場(chǎng)的其它各量。電纜連接盒絕緣模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3-1為一個(gè)110kV高壓電纜連接接頭盒。圖3-1 110kV電纜連接盒絕緣主要尺寸結(jié)構(gòu)尺寸如表3-1表3-1 連接接頭盒有關(guān)尺寸電纜線芯外半徑填充絕緣外半徑本體絕緣外半徑應(yīng)力錐長(zhǎng)度反應(yīng)力錐長(zhǎng)度12mm45mm24mm117mm98mm在計(jì)算過(guò)程中，關(guān)鍵是要考慮幾個(gè)界面的軸向場(chǎng)強(qiáng)與徑向場(chǎng)強(qiáng)的大小不能超過(guò)要求的數(shù)值，滿

50、足電纜終端的設(shè)計(jì)要求。這里參考國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)預(yù)制電纜終端的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)各主要絕緣部位電場(chǎng)梯度值的要求，作為本次電纜終端電氣設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。1. 應(yīng)力錐硅橡膠絕緣絕緣件與 XLPE 絕緣界面的軸向場(chǎng)強(qiáng)要均勻，且切向場(chǎng)強(qiáng)小于0.5kV/mm；2. 反應(yīng)力錐硅橡膠絕緣與XLPE絕緣界面的軸向場(chǎng)強(qiáng)為一常數(shù)，切向場(chǎng)強(qiáng)一般取0.12kV/mm；建立電纜連接盒絕緣模型1、物理模型（三維）電纜連接盒的三維物理模型如圖2-5。2、計(jì)算模型圖3-2,3-3所示為計(jì)算場(chǎng)域模型的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)殡娎|終端是完全軸對(duì)稱的模型，所以可以用二維軸對(duì)稱場(chǎng)域進(jìn)行計(jì)算。圖3-4為110kv級(jí)電纜終端仿真模型剖分圖，單元類型使用PLANE121

51、單元。XLPE的相對(duì)介電常數(shù)取2.3，硅橡膠的相對(duì)介電常數(shù)取3.7。圖3-2電纜連接接頭盒絕緣結(jié)構(gòu)二維模型（線）圖3-3電纜連接接頭盒絕緣結(jié)構(gòu)二維模型（面）圖3-4電纜連接接頭盒絕緣結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分本章小結(jié)本章主要介紹了有限元法計(jì)算電纜終端絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)。掌握有限元法的原理與處理問(wèn)題的方法，了解有限元法在使用中需注意的一些問(wèn)題，以便為選擇有限元應(yīng)用軟件及實(shí)際建模計(jì)算提供理論依據(jù)，更好的優(yōu)化模型以減小有限元法的自身存在的問(wèn)題。并且通過(guò)對(duì)電纜終端連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的物理模型的了解，使用ANSYS軟件建立起連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。連接盒絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)計(jì)算分析電場(chǎng)計(jì)算通過(guò)對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)電場(chǎng)數(shù)值分析，對(duì)

52、比有無(wú)應(yīng)力錐，有無(wú)反應(yīng)力錐，應(yīng)力錐與反應(yīng)力錐不同形狀時(shí)的模型，從而得出連接盒絕緣的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。建立模型根據(jù)表3-1所示的數(shù)據(jù)，建立電纜連接盒絕緣的二維模型，如圖3-2,3-3所示。網(wǎng)格劃分設(shè)置單元類型：設(shè)置單元類型為PLANE121設(shè)置并分配材料屬性：此模型中有兩種材料：電纜本體絕緣相對(duì)介電常數(shù)為2.3，填充絕緣的相對(duì)介電常數(shù)為3.7網(wǎng)格劃分：將材料屬性分配給相應(yīng)的材料后，在將1面的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為3，將2面的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為6，劃分結(jié)果如圖3-4所示。附加邊界條件和求解因?yàn)閼?yīng)力錐表面纏以鉛絲與金屬屏蔽層相連，所以設(shè)為零電位，電纜線芯設(shè)為110kV。如圖4-1所示：圖4-1電纜連接接頭盒絕緣結(jié)構(gòu)加載

53、電壓后處理在后處理其中查看連接盒和絕緣的電位分布和電場(chǎng)分布。圖4-2整體電位分布圖圖4-3沿X軸方向電場(chǎng)分布圖圖4-4沿Y軸方向電場(chǎng)分布圖圖4-5合成電場(chǎng)分布圖結(jié)果分析應(yīng)力錐分析有無(wú)應(yīng)力錐分析通過(guò)等位線圖4-6和4-8的對(duì)比，可以看出應(yīng)力錐在電纜終端中的確起到了改善此處電位分布的作用，使電位分布得更均勻。通過(guò)應(yīng)力錐附近合成電場(chǎng)分布圖4-7和4-9的對(duì)比，從中可以看出應(yīng)力錐起到了均化電場(chǎng)的作用，避免了電場(chǎng)的集中，并且可以看出電纜終端場(chǎng)強(qiáng)最高的地方出現(xiàn)在電纜終端金屬屏蔽層處，而該處為不均勻電場(chǎng)，其場(chǎng)強(qiáng)可根據(jù)同軸圓柱電極間隙中電場(chǎng)分布的解析式進(jìn)行理論計(jì)算?？梢酝ㄟ^(guò)比較，看出軟件ANSYS有限元法的計(jì)

54、算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果非常接近，所以用ANSYS的到的計(jì)算電纜終端時(shí)是可信的。圖4-6有應(yīng)力錐時(shí)電位分布圖圖4-7有應(yīng)力錐時(shí)合成電場(chǎng)分布圖圖4-8無(wú)應(yīng)力錐時(shí)電位分布圖圖4-9無(wú)應(yīng)力錐時(shí)合成電場(chǎng)分布圖應(yīng)力錐長(zhǎng)度分析圖4-10，4-11和4-12分別為應(yīng)力錐長(zhǎng)度97mm，117mm，137mm時(shí)的合成電場(chǎng)分布圖，比較上述三個(gè)圖可知應(yīng)力錐長(zhǎng)度117mm時(shí)電場(chǎng)分布最合理?？捎蓤D列出下表：表4-1應(yīng)力錐長(zhǎng)度最大值最小值97mm9.536kV/mm1.389kV/mm117mm9.259kV/mm1.370kV/mm137mm9.388kV/mm1.913kV/mm可以看出當(dāng)應(yīng)力錐長(zhǎng)度為117mm時(shí)，最大場(chǎng)

55、強(qiáng)值和最小場(chǎng)強(qiáng)值都小于其他兩種情況，說(shuō)明應(yīng)力錐的長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)需要滿足一定的條件，而通過(guò)ANSYS軟件分析得出的結(jié)論與上文中式（2-24）的理論計(jì)算相符合。圖4-10 97mm長(zhǎng)度應(yīng)力錐合成電場(chǎng)分布圖圖4-11 117mm長(zhǎng)度應(yīng)力錐合成電場(chǎng)分布圖圖4-12 137mm長(zhǎng)度應(yīng)力錐合成電場(chǎng)分布圖應(yīng)力錐曲面分析圖4-13，4-14和4-15為應(yīng)力錐長(zhǎng)度為117mm，形狀分別為直線、曲率半徑大，曲率半徑小時(shí)的合成電場(chǎng)分布圖，可由圖列出下表：表4-2應(yīng)力錐形狀最大值最小值直線9.948kV/mm2.247kV/mm曲率半徑大9.433kV/mm1.876kV/mm曲率半徑小9.228kV/mm1.753kV

56、/mm可以看出應(yīng)力錐形狀為直線時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值和最小值都大于其他兩種情況，而應(yīng)力錐曲率半徑小時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度明顯降低了，說(shuō)明曲率半徑小的應(yīng)力錐更能使電場(chǎng)分布均勻，并且不增加應(yīng)力錐的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。圖4-13 117mm直線應(yīng)力錐合成電場(chǎng)分布圖圖4-14 117mm大曲率半徑的應(yīng)力錐合成電場(chǎng)分布圖圖4-15 117mm小曲率半徑應(yīng)力錐合成電場(chǎng)分布圖4、應(yīng)力錐關(guān)鍵點(diǎn)分析電纜終端中應(yīng)力錐附近的場(chǎng)強(qiáng)分布比較復(fù)雜，其中應(yīng)力錐根部場(chǎng)強(qiáng)，應(yīng)力錐曲面，應(yīng)力錐上曲率半徑最小處的場(chǎng)強(qiáng)是需要重點(diǎn)考查的幾個(gè)值，分別對(duì)應(yīng)圖 4-16中 1，2，3各部分的場(chǎng)強(qiáng)。表4-3列出了這些界面上在電壓等級(jí)為110kv時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果。圖4-1

57、6 應(yīng)力錐關(guān)鍵點(diǎn)局部圖表4-3部位123最大合成場(chǎng)強(qiáng)9.259kV/mm3.877kV/mm2.332kV/mm由表4-3 可知場(chǎng)強(qiáng)最大值為9.259kV/mm，在應(yīng)力錐的根部，而最小值2.332kV/mm在應(yīng)力錐與增繞絕緣交界處，且應(yīng)力錐面上的場(chǎng)強(qiáng)介于兩者之間，說(shuō)明應(yīng)力錐面上的場(chǎng)強(qiáng)從應(yīng)力錐根部開(kāi)始隨應(yīng)力錐的延伸而減小，到交界處達(dá)到最小值。將1處局部放大如圖4-17所示，分析應(yīng)力錐根部各節(jié)點(diǎn)，討論出場(chǎng)強(qiáng)最大節(jié)點(diǎn)位置。將各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和場(chǎng)強(qiáng)列于表4-4所示，可以看出136節(jié)點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)最大。圖4-17應(yīng)力錐最大場(chǎng)強(qiáng)點(diǎn)分析表4-4節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(X,Y,Z) mm場(chǎng)強(qiáng)V/mm25117.143，12，09199

58、.813620，12，09259.513822.981，12，09220.014025.961，12，09182.2112922.995，12.052，05733.5113125.990，12.124，05711.9反應(yīng)力錐分析1、有無(wú)反應(yīng)力錐分析通過(guò)等位線圖4-18和4-20的對(duì)比，可以看出反應(yīng)力錐在電纜終端中的確起到了改善此處電位分布的作用，使電位分布得更均勻。通過(guò)反應(yīng)力錐附近合成電場(chǎng)分布圖4-19和4-21的對(duì)比，從中可以看出反應(yīng)力錐起到了均化電場(chǎng)的作用，避免了電場(chǎng)的集中，并且可以看出在接續(xù)管附近場(chǎng)強(qiáng)最大為5.45kV/mm。圖4-18有反應(yīng)力錐時(shí)電位分布圖圖4-19有反應(yīng)力錐時(shí)合成電場(chǎng)

59、分布圖圖4-20無(wú)反應(yīng)力錐時(shí)電位分布圖圖4-21無(wú)反應(yīng)力錐時(shí)合成電場(chǎng)分布圖反應(yīng)力錐長(zhǎng)度分析圖4-22，4-23和4-24分別為反應(yīng)力錐長(zhǎng)度78mm，98mm，118mm時(shí)的合成電場(chǎng)分布圖，比較上述三個(gè)圖可知反應(yīng)力錐長(zhǎng)度98mm時(shí)電場(chǎng)分布最合理?？捎蓤D列出下表：表4-5反應(yīng)力錐長(zhǎng)度最大值最小值78mm5.617kV/mm2.599kV/mm98mm5.450kV/mm2.592kV/mm118mm5.506kV/mm2.611kV/mm可以看出當(dāng)反應(yīng)力錐長(zhǎng)度為98mm時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)值和最小場(chǎng)強(qiáng)值都小于其他兩種情況，說(shuō)明反應(yīng)力錐的長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)同樣需要滿足一定的條件，而通過(guò)ANSYS軟件分析得出的結(jié)論與

60、上文中式（2-32）的理論計(jì)算相符合。圖4-22 78mm長(zhǎng)度反應(yīng)力錐合成電場(chǎng)分布圖圖4-23 98mm長(zhǎng)度反應(yīng)力錐合成電場(chǎng)分布圖圖4-24 118mm長(zhǎng)度反應(yīng)力錐合成電場(chǎng)分布圖反應(yīng)力錐曲面分析圖4-25，4-26和4-27為反應(yīng)力錐長(zhǎng)度為98mm，形狀分別為直線、曲率半徑大，曲率半徑小時(shí)的合成電場(chǎng)分布圖，可由圖列出下表：表4-6反應(yīng)力錐形狀最大值最小值直線5.591kV/mm2.665kV/mm曲率半徑大5.489kV/mm2.637kV/mm曲率半徑小5.434kV/mm2.627kV/mm可以看出反應(yīng)力錐長(zhǎng)度形狀為直線時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值和最小值都大于其他兩種情況，而反應(yīng)力錐曲率半徑小時(shí)，