柳 松， 彭嘉康， 陈守直， 王 霞， 郑海良， 吴 锴

(1.上海捷锦电力新材料有限公司，上海201200;2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安710049)

0 引言

运行安全可靠且安装方便的预制式电缆附件对于高压交联聚乙烯(XLPE)电缆是非常重要的。硅橡胶因其优良的耐候性、耐热/寒性、绝缘性及耐电晕性而被广泛用于电缆附件(如终端和接头)中［1］。但是电缆附件内部因存在复合界面和电场应力集中现象［2，3］，而成为高压电缆绝缘的薄弱环节和运行故障的典型部位。再加之附件往往是现场人工制作，制作工艺和人工经验(界面的光滑、清洁、面压、润滑剂等)决定了电缆附件的质量和寿命。据相关统计，在电缆本体故障、电缆附件故障中，电缆附件故障率就占了约70%［4］。另外，电缆附件在制备和安装过程中，电缆与橡胶应力锥内表面的接触压力直接影响整个终端/接头的绝缘与电缆表面放电水平，保持一定水平压力且均匀分布是电缆附件安全可靠运行的重要因素。

已有研究表明:附件与电缆主绝缘结合界面压强(即“握紧力”)在0.1～0.25 MPa范围时，能够满足电气强度要求，且不会造成安装困难或电缆绝缘损坏［5］。但因国内电缆主绝缘尺寸的制造偏差，握紧力难以保证易致界面放电。另外附件用橡胶材料国内外各异，其机械性能与其配方有关，直接引用他人数据结果会造成较大偏差。

通常测定橡胶件与电缆界面实际压力非常复杂，给设计橡胶件的结构及判断其老化情况带来诸多困难。有学者用铝管代替电缆，内置电阻应变器测量铝管外与橡胶件界面压力［6］。但与实际电缆接头形式不符，缺乏参照性。也有学者采用在电缆附件中预埋压力传感器的方法，测试初始安装电缆终端内部的界面应力分布，并且对界面压力和界面所能承受最大电应力之间的关系进行实验研究［7］。但针对附件实际安装和运行情况，界面压力直接测量存在一定的困难，如传感器的植入、传感器对界面的损伤等等。

因此，本文根据已知XLPE电缆绝缘和硅橡胶附件材料，通过实际测量其弹性模量，利用ANSYS软件建立三维仿真模型，定量分析了电缆接头过盈量与面压之间的关系。该电缆附件与界面压力的仿真方法，可用于指导电缆附件的选型与面压设计。

1 实验方法

1.1 实验材料及试样制备

XLPE及其半导电粒料由上海某绝缘材料厂提供，在170℃的平板硫化机热压硫化制成片状试样，尺寸为100×100×2 mm3。硅橡胶料选用液体硅橡胶，在170℃的平板硫化机热压硫化制成硅橡胶片状试样，尺寸为100×100×2 mm3。在进行测量前，XLPE试样置于120℃真空烘箱内热处理8 h，硅橡胶试样置于200℃真空烘箱内热处理24 h，以除去试样在交联过程中产生的挥发物。

1.2 弹性模量测量

当电缆附件用硅橡胶材料与电缆主绝缘过盈配合时，硅橡胶的形变与产生的应力不仅仅包括因硅橡胶撑开拉伸过程产生的沿附件截面的切向内应力，也包括硅橡胶径向压缩产生的径向压缩力。一般来讲，对于各项同性绝缘材料，可视为理想弹塑性体，其拉伸与压缩模量近似相同。因此，对于硅橡胶材料及XLPE弹性模量的测量，本文根据国家标准进行力学性能测试，采用CMT系列微机控制电子万能拉力试验机，将厚度为2 mm的XLPE、半导电料及硅橡胶试片切成试样原始标距为2 mm的标准哑铃状进行拉伸试验，测定XLPE及硅橡胶在常温下弹性形变范围内的弹性模量值，拉伸速率100 mm/min，试验结果取三个试样的平均值。

1.3 过盈量与面压仿真

已知硅橡胶材料的泊松比约为0.5，因此在ANSYS仿真过程忽略硅橡胶绝缘在撑开过程中体积的变化。根据弹性模量测量结果，利用ANSYS有限元软件对电缆和附件结构三维建模，进行过盈配合仿真，探讨电缆附件过盈量与面压间关系。

2 电缆接头的三维建模

2.1 弹性模量测量结果

一般来讲，XLPE属于半结晶型聚合物，硬度较大，具有较高的弹性模量;而硅橡胶属于无定形聚合物，具有高弹性，弹性模量较小［8］。表1所示为XLPE、电缆用半导电料及硅橡胶试片在常温下的弹性模量值。由表1可见，XLPE弹性模量达150 MPa，半导电料的弹性模量值约为其1/5，硅橡胶的弹性模量值最低。

表1 XLPE、半导电料及硅橡胶的弹性模量

2.2 实际电缆接头模型

实际运行中电缆附件与电缆的连接方式如图1所示。为保证一定的面压，电缆附件以一定的过盈量与电缆套接。由图1中可以看出，电缆与附件可靠套接并安全运行的关键，除了传统的应力锥结构优化［9，10］外，附件硅橡胶绝缘和 XLPE 绝缘间保证一定界面压力以防沿面闪络和击穿更为重要［11］。因此，本文对电缆附件过盈量和面压的仿真与计算对象选取硅橡胶与XLPE接触处的夹层介质，如图1中虚线框所示。

图1 电缆接头模型示意图

2.3 电缆接头三维模型的建立

根据电缆及附件用绝缘材料和半导体材料弹性模量的测量结果(表1)，利用ANSYS软件进行电缆接头三维结构建模和面压分析。因电缆与电缆附件的轴对称性，选用solid186单元建立1/4三维实体模型，如图2所示。

图2 电缆接头三维实体模型

代入已知弹性模量值，假定电缆线芯(铜/铝)为刚体。以10 kV交流XLPE电缆为例，选取电缆导体截面400 mm2，绝缘厚度4.5 mm，附件主绝缘厚度10 mm。当在附件绝缘内侧施加0.25 MPa压力(图3)时，从附件绝缘内侧到外侧的位移场和内应力场如图4、图5所示。从图中可见，附件绝缘从靠近电缆内侧到外侧，形变量(位移场)、内应力场均逐渐减小。这也表明当电缆附件以一定过盈量套接在电缆绝缘上时，附件从内侧到外侧绝缘的形变量和产生的作用力与电缆上的压力是不相同的。

图3 界面压力分布图

图4 位移场分布等值线图

图5 内应力场分布等值线图

3 仿真结果及分析

本文选取10 kV交流XLPE电缆为例，电缆导体截面选为400 mm2，10 kV电缆绝缘厚度4.5 mm。研究绝缘厚度不同时，附件主绝缘厚度变化对界面压力的影响及过盈量的选择。

一般来讲，电缆附件设计的初始面压要求达到0.25 MPa。由图6和图7可见，对于10 kV XLPE电缆，当保证界面压力0.25 MPa不变，电缆附件主绝缘厚度从5 mm增加到10 mm时，对10 kV XLPE电缆附件过盈量从4.1 mm降低到3.9 mm。一般来讲，电缆附件主绝缘厚度的合理选择需考虑附件绝缘水平、电力系统过电压等因素的影响［9］。因此在保证一定的面压情况下，合理减薄附件绝缘厚度，降低生产成本。另外，附件主绝缘厚度变薄后其相应的过盈量增加将增加硅橡胶绝缘的形变量。形变量越大，应力松弛速度越快［8］。因此，为保证电缆接头长期运行过程中面压的可靠性，应适当减少过盈量，增加绝缘厚度;但绝缘厚度的增加不仅增加了生产成本，而且会造成电缆接头运行过程中的发热，加速电缆绝缘老化及附件绝缘应力松弛［12］，并最终导致电缆接头界面的沿面击穿。

图6 电缆附件面压与单边(半径)过盈量的关系

图7 电缆附件厚度与单边(半径)过盈量的关系

由上述分析可知，电缆附件绝缘厚度的合理选择至关重要。而要合理选择附件厚度，得先测量附件绝缘的介电性能及其机械应力松弛特性，相关的研究工作正在进行中。

4 结论

本文利用ANSYS软件建立了10 kV电缆附件三维仿真模型，分析了电缆附件过盈量与面压之间的关系，得到如下结论:

(1)当电缆附件以一定过盈量套接在电缆绝缘上时，附件绝缘的形变量和产生的作用力从内侧到外侧逐渐降低;

(2)电缆附件过盈量越大，所产生的界面压力越大;

(3)一定面压下，附件厚度的增加有利于降低附件过盈量。

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