张东远，姜赞，徐俊，吕玉春，杨建明，孙毅

(1.北京中车赛德铁道电气科技有限公司，北京 100176；2.广东吉熙安电缆附件有限公司，广东 佛山 528200)

1 引言

25kV高压电缆总成是电力机车及动车组的重要组成部分，用于高压电器产品之间的电气连接。高压电缆总成主要包括电缆本体和T形连接器、户外终端及户内终端等电缆附件，通过T形连接器与牵引变压器上的C型套管(A端子)连接，将高压部分完全密封地连接起来，实现了全屏蔽、全绝缘、全密闭、免维护，保证供电的可靠性和安全性[1]。

T形连接器作为电力机车及动车组25kV高压电缆总成的关键附件，长期以来一直依赖国外公司进口，技术和产品均处于国外垄断状态，且当前已经出现国外公司不再单独销售T形连接器配件以试图更大范围垄断25kV高压电缆产品市场的状况。此外，国外进口的T形连接器产品设计中，对电缆绝缘层与半导电层结合位置的应力控制采用的是适配管，适配管与电缆和T形外套均为过盈配合，即T形连接器存在两层界面。

鉴于上述情况，自主设计了25kV预制式结构的T形连接器，打破国外产品垄断的同时，将电缆绝缘层与半导电层结合位置的应力控制采用与T形外套一体成型的应力锥形式，减少界面，提高绝缘安全性。本文对预制式T形连接器进行典型位置的电场仿真研究和相关试验验证，并提出后续研究和考核建议。

2 T形连接器结构及参数

2.1 基本结构

预制式T形连接器主要包括应力锥、高压屏蔽、表层屏蔽、绝缘层、绝缘塞、后盖及双头螺栓等，与电缆和变压器C型套管(A端子)组装后如图1所示。

图1 预制式T形连接器组装后基本结构

图1中T形连接器的绝缘层、高压屏蔽、表层屏蔽及应力锥均为硅橡胶材质，且通过后压注工艺一体成型，将压接完接线端子的电缆直接插装至T形连接器的内腔即可完成产品装配。

2.2 主要技术参数

当前，国内电力机车和动车组对于T形连接器的要求存在差异，执行标准不同，电力机车要求的工频耐压、冲击电压和局部放电技术指标较低，如表1所示[2-3]。

表1 电力机车与动车组T形连接器要求差异

在预制式T形连接器自主化开发过程中同时兼顾了在电力机车及动车组上的通用性，按动车组技术要求设计产品，并覆盖了轨道交通常用的电缆截面规格，主要技术参数如表2所示。

表2 预制式T形连接器主要技术参数

2.3 技术优势

(1)在结构特征上，预制式T形连接器的一体化结构能够减少界面，故障点少，可靠性高；

(2)在技术参数上，预制式T形连接器按照GB/T 28427-2012设计开发，可通用于国内电力机车及动车组车型，相比较于进口产品，关键技术参数有明显提升，绝缘余量更大；

(3)在安装工艺上，预制式T形连接器的应力锥为模具成型，组装时能够规避应力锥发生位移或应力锥与T形外套接触面密封不良的问题。

3 电场仿真分析

为分析与评估预制式T形连接器在实际运用工况下的电场设计合理性和绝缘安全性，建立其与电缆和C型套管组装后的模型，对该模型进行电场仿真计算，识别风险较高的典型部位，并提取场强分布情况[4-5]。

3.1 建立模型

根据预制式T形连接器的结构特点，分X轴和Y轴两个方向建立电场模型，X轴方向评估与牵引变压器C型套管(A端子)的配合情况，Y轴方向评估与电缆的配合情况。由于X轴和Y轴两个方向上的评估区域均为轴对称结构，因此采用二维模型进行电场分析，如图2～3所示。

图2 X轴方向的电场模型

图3 Y轴方向的电场模型

3.2 材料特性及边界条件

3.2.1 材料特性

T形连接器的主要材料包括硅橡胶、环氧树脂、半导电橡胶及电缆绝缘层EPDM等，材料特性根据推荐值如表1所示[6-7]。

表3 T形连接器的主要材料特性

3.2.2 边界条件

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、丙烯酰胺、过硫酸铵，以上均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；G级油井水泥、硅粉，工业级，四川嘉华。

在X轴方向上，高压屏蔽及C型套管导体部分为高压端，表层屏蔽、后盖及C型套管内部屏蔽网为地，在高压端按瞬时最高运行电压31kV加载，如图4所示。

图4 X轴方向电场仿真边界条件

在Y轴方向上，高压屏蔽及电缆导体部分为高压端，表层屏蔽及应力锥为地，在高压端按瞬时最高运行电压31kV加载，如图5所示。

图5 Y轴方向电场仿真边界条件

3.3 仿真计算结果

3.3.1 X轴方向结果

X轴方向上，选取界面处、高压屏蔽和嵌件表面处以及气隙处等五个典型部位进行重点分析，典型部分示意如图6所示，等位线及场强的分布如图7所示，切向场强分布图及最大值如图8～12所示。

图6 X轴方向典型部位分布图

图7 X轴方向等位线及场强分布图

图8 E1硅橡胶与C型套管界面的切向场强分布图

图9 E2硅橡胶与环氧堵盖界面的切向场强分布图

图10 E3硅橡胶高压屏蔽表面的场强分布图

图11 E4环氧堵盖嵌件表面的场强分布图

图12 E5 C型套管台阶气隙的场强分布图

3.3.2 Y轴方向结果

Y轴方向上，选取界面处、高压屏蔽和应力锥表面处三个典型部位进行重点分析，典型部分示意如图13所示，等位线及场强的分布如图14所示，切向场强分布图及最大值如图15～17所示。

图13 X轴方向典型部位分布图

图14 Y轴方向等位线及场强分布图

图15 E6应力锥表面的场强分布图

图16 E7硅橡胶高压屏蔽表面的场强分布图

图17 E8硅橡胶与EPDM界面的切向场强分布图

3.3.3 仿真计算数据与经验值比较

将X轴和Y轴两个方向电场模型中典型部位的场强最大值与工程经验数据比较，并计算出各部位的安全裕度，如表4所示。

表4 电场仿真计算数据与经验值对比

4 试验验证

为进一步评估预制式T形连接器的产品可靠性，委托国家智能电网输配电设备质量监督检验中心对其进行型式试验验证[3，8-9]。

试制7套25kV T形连接器及配合试验用电缆附件，安装在7根(N)TMCGCHXOE 1×240 26/45kV 电缆上构成 1＃、2＃、3＃、4＃、5＃、6＃和 7＃组合试样。 被试的1＃和2＃，3＃和 4＃，5＃、6＃和 7＃组合试样分别安装在含配套的C型套管的装满变压器油的电缆分接箱中，试样安装后分接箱外形类别如图18～19所示。

图18 试样安装在含配套的C型套管的装满变压器油的电缆分接箱的外形1

图19 试样安装在含配套的C型套管的装满变压器油的电缆分接箱的外形2

1＃、2＃、3＃和 4＃组合试样用于标准 GB/T 28427-2012表22中程序 1的试验，5＃、6＃和 7＃组合试样用于标准GB/T 28427-2012表22中程序2的试验，检测项目及结果如表5所示。

表5 T形连接器试验检测项目及结果

测量或观察结果序号 检测项目1＃ 2＃ 3＃ 4＃检测结果7局部放电试验(在导体最高温5℃ ～1 0℃下)试验前对电缆导体加热至9 7℃，4 8 k V下小于3 p C(背景:小于2 p C)合格8 冲击电压试验(在环境温度下)2 5 0 k V正负极性各1 0次，无击穿、无闪络 合格9 交流耐受电压试验(干状态)6 9 k V下试验 1 5 m i n，无击穿、无闪络 合格1 0 附件检验 外观良好，没有可见损伤 合格5＃ 6＃ 7＃1 1 交流耐受电压试验(干状态)1 2 4 k V下试验5 m i n，无击穿、无闪络 合格1 2 短路动稳定试验(导体)试验电流(峰值)1 0 6.9 k A，持续时间2 3.4 m s，无可见损伤 合格1 3 短路热稳定试验(导体)3 0.1 k A持续2.0 1 s进行1次，2 9.9 k A持续2.0 2 s进行1次，两次试验后无可见损伤合格1 4 冲击电压试验(在环境温度下)2 5 0 k V正负极性各1 0次，无击穿、无闪络 合格1 5 交流耐受电压试验(干状态)6 9 k V下试验 1 5 m i n，无击穿、无闪络 合格1 6 附件检验 外观良好，没有可见损伤 合格

5 结论与建议

通过对自主化25kV预制式高压T形连接器进行电场仿真分析和试验验证，得出如下结论与建议:

(1)预制式T形连接器的计算场强安全裕度满足技术要求，电场设计合理，样品通过型式试验检测项目，自主化产品符合GB/T 28427-2012的标准要求。

(2)建议在电力机车及动车组上开展自主化预制式T形连接器的装车运用考核，结合实际运用环境深入验证产品的可靠性。

(3)建议深度研究绝缘材料及后压注成型工艺特征，提高产品电气性能，同时，努力实现小型化设计，为车内安装提供便利。