高壓電纜終端接頭的研究方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及高壓電纜終端接頭的研究方法：包括以下步驟：S1）設(shè)計(jì)半導(dǎo)電應(yīng)力錐部件的整體結(jié)構(gòu)形狀尺寸；S2）采用圓弧樣條曲線逼近法代替應(yīng)力錐錐面形狀曲線：將平面曲線按照一定的步距離散化為一組點(diǎn)列,然后采用圓弧樣條曲線擬合這組點(diǎn)列,依次計(jì)算每?jī)啥螆A弧公切點(diǎn)到原曲線的最矩距離，若大于給定的誤差值,執(zhí)行步驟S3），若小于或等于給定的誤差值,執(zhí)行步驟S4）；S3）在原曲線上相應(yīng)于最短距離處插人一新型值點(diǎn),重新用圓弧樣條曲線擬合,返回步驟S2）；S4）建立應(yīng)力錐有限元二維計(jì)算模型；S5）進(jìn)行有限元計(jì)算，得到電纜終端接頭錐面曲線的電場(chǎng)強(qiáng)度局部矢量圖和電場(chǎng)強(qiáng)度局部云圖，通過(guò)關(guān)系圖表驗(yàn)證終端接頭電場(chǎng)分布的均勻性和合理性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
高壓電纜終端接頭的研究方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及高壓電纜終端接頭技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種高壓電纜終端接頭的有 限元計(jì)算方法和運(yùn)用圓弧樣條曲線無(wú)限逼近應(yīng)力錐錐面對(duì)數(shù)曲線方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高壓電纜終端接頭是電纜和外部其他電氣設(shè)備之間相互連接的接口，也是電力 電纜線路的薄弱點(diǎn)，在電力電纜發(fā)生故障的統(tǒng)計(jì)中，電纜附件的故障率大約為70%。中國(guó)的 高壓及超高壓電纜附件生產(chǎn)技術(shù)一直落后于其電纜本體。IlOkV等級(jí)的電纜附件，國(guó)產(chǎn)和進(jìn) 口并存，國(guó)產(chǎn)電纜附件正在逐步獨(dú)占市場(chǎng)，但是能夠生產(chǎn)220kV電纜附件的制造商卻不多， 且對(duì)附件關(guān)鍵技術(shù)掌握還不夠。近年來(lái)，超高壓電纜附件以安全環(huán)保型為主要發(fā)展趨勢(shì)，因 此，淘汰充油和六氟化硫氣體的電纜附件產(chǎn)品成為大勢(shì)所趨。歐洲一些企業(yè)正在力圖實(shí)現(xiàn) 500kV電纜附件的無(wú)油化。中國(guó)企業(yè)也正在努力研制安全環(huán)保型產(chǎn)品，目前已能生產(chǎn) 110KV等級(jí)的插拔式和GIS干式終端。隨著電力負(fù)荷的增加，電壓等級(jí)的提高以及人們安全 環(huán)保意識(shí)的增加，電力電纜的相關(guān)技術(shù)也在不斷更新，包括超高壓與特高壓電纜、超導(dǎo)電 纜、特高壓直流電纜、電纜絕緣新材料、電纜絕緣厚度的減薄、外護(hù)套無(wú)鹵化、終端無(wú)油化、 電纜絕緣壽命評(píng)估、高壓電纜在線監(jiān)測(cè)及檢測(cè)技術(shù)等。這些新技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)電力電纜 的安全運(yùn)行、保障供電可靠性、減少環(huán)境污染、降低制造及運(yùn)行成本等方面都有重大意義。 有限元法(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)作為一種需要對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行剖分的數(shù)值方 法，目前在電磁場(chǎng)分析中，是較先進(jìn)的方法之一，在求解有界問(wèn)題時(shí)是十分有效的。目前，數(shù) 控機(jī)床一般只提供直線和圓弧插補(bǔ)加工方式，對(duì)于非直線和圓弧曲線則采用直線和圓弧分 段擬合的方法進(jìn)行插補(bǔ)。這種方法在處理復(fù)雜曲線時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大、精度差、進(jìn)給速度不 均、編程復(fù)雜等一系列問(wèn)題，必然對(duì)加工質(zhì)量和加工成本造成較大的影響。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者 開(kāi)始尋求一種能夠?qū)?fù)雜的自由型曲線曲面進(jìn)行無(wú)限逼近和擬合的方法，近年來(lái)，雖然取 得了一些研究成果，但不近理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種高壓電纜終端接頭的有限元計(jì)算方法和運(yùn) 用圓弧樣條曲線無(wú)限逼近應(yīng)力錐錐面對(duì)數(shù)曲線方法。通過(guò)對(duì)電纜終端接頭應(yīng)力錐錐面對(duì)數(shù) 曲線采用圓弧樣條曲線進(jìn)行了無(wú)限逼近，建立了電場(chǎng)有限元計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算得到了電 纜終端接頭應(yīng)力錐錐面的電場(chǎng)分布，將仿真結(jié)果和理論分析進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證終端接頭電 場(chǎng)分布的均勻性和合理性，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：高壓電纜終端接頭的研究方法:通過(guò)采用多段圓弧樣條曲 線逼近并替代錐面對(duì)數(shù)曲線，建立電場(chǎng)有限元計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，包括以下步驟： SI)根據(jù)高壓電纜終端接頭二維軸對(duì)稱(chēng)整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)半導(dǎo)電應(yīng)力錐部件的整體結(jié)構(gòu) 形狀尺寸，包括應(yīng)力錐的增繞絕緣層的厚度S、應(yīng)力錐軸向長(zhǎng)度/^，應(yīng)力錐錐面形狀曲線 方程； 52) 采用圓弧樣條曲線逼近法代替應(yīng)力錐錐面形狀曲線:將平面曲線按照一定的步距 離散化為一組點(diǎn)列，然后采用圓弧樣條曲線擬合這組點(diǎn)列，依次計(jì)算每?jī)啥螆A弧公切點(diǎn)到 原曲線的最矩距離d，若―大于給定的誤差值逐，執(zhí)行步驟S3)，若__(^:小于或等于給定的誤 差值逐，執(zhí)行步驟S4); 53) 則在原曲線上相應(yīng)于最短距離處插人一新型值點(diǎn)，重新用圓弧樣條曲線擬合，返回 步驟S2); 54) 根據(jù)電場(chǎng)分布規(guī)律和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，求得模型參數(shù)表，建立應(yīng)力錐有限元二維計(jì)算模 型，執(zhí)行步驟S5); 55) 根據(jù)電纜終端接頭模型，結(jié)合電纜接頭的工作特性方程、滿足的邊界條件和具體結(jié) 構(gòu)參數(shù)，對(duì)電纜終端接頭進(jìn)行有限元計(jì)算，得到電纜終端接頭錐面曲線的電場(chǎng)強(qiáng)度局部矢 量圖和電場(chǎng)強(qiáng)度局部云圖，在電纜絕緣層上臨近屏蔽層處取一節(jié)點(diǎn)并定義為起點(diǎn)，以錐面 曲線作為映射路徑，沿該路徑上不同節(jié)點(diǎn)距起始節(jié)點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度為S，得出該路徑上電場(chǎng)強(qiáng) 度與S的關(guān)系圖表，通過(guò)關(guān)系圖表驗(yàn)證終端接頭電場(chǎng)分布的均勻性和合理性。
[0005] 上述的高壓電纜終端接頭的高壓電纜終端接頭的研究方法，i?為任意小的正實(shí)數(shù) 值且5 < 0.001mm。
[0006] 本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明對(duì)電纜終端接頭應(yīng)力錐錐面對(duì)數(shù)曲線采用圓弧樣 條曲線進(jìn)行了無(wú)限逼近，建立了電場(chǎng)有限元計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算得到了電纜終端接頭應(yīng)力 錐錐面的電場(chǎng)分布，并將仿真結(jié)果和理論分析進(jìn)行了對(duì)比，符合電場(chǎng)分布規(guī)律，即電場(chǎng)最 大處處在金屬屏蔽層切斷口附近，并隨著應(yīng)力錐弧度距離的增大，電場(chǎng)值逐漸衰減，到一定 遠(yuǎn)處后，電場(chǎng)非常微小。用有限元分析計(jì)算方法驗(yàn)證終端接頭電場(chǎng)分布的均勻性和合理性， 而且效果非常明顯。這些結(jié)論為設(shè)計(jì)終端接頭的尺寸、如何進(jìn)一步均勻電場(chǎng)分布的研究奠 定了基礎(chǔ)并具有實(shí)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1為本發(fā)明高壓電纜終端處的等效電路圖。
[0008] 圖2為本發(fā)明高壓電纜終端接頭二維軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)模型圖。
[0009] 圖3為圓弧樣條曲線逼近對(duì)數(shù)曲線示意圖。
[0010] 圖4為本發(fā)明終端接頭有限元二維計(jì)算模型圖。
[0011] 圖5為本發(fā)明終端接頭錐面曲線的電場(chǎng)強(qiáng)度局部矢量圖。
[0012] 圖6為本發(fā)明終端接頭錐面曲線的電場(chǎng)強(qiáng)度局部云圖。
[0013]圖7為本發(fā)明高壓電纜終端接頭E、EX(電場(chǎng)X分量）、EY(電場(chǎng)Y分量)值沿錐面曲線 的變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0015] -、首先進(jìn)行高壓電纜終端屏蔽層斷口處電場(chǎng)應(yīng)力現(xiàn)象分析： 高壓電纜線路在遠(yuǎn)離電力電纜終端的區(qū)域，高壓電纜每一相線芯外均有一接地的(銅） 屏蔽層，導(dǎo)電線芯與屏蔽層之間形成徑向分布的電場(chǎng)。正常電纜的電場(chǎng)只有從(銅)導(dǎo)線沿 半徑向（銅）屏蔽層的電力線，沒(méi)有芯線軸向的電場(chǎng)（電力線），屏蔽和電纜導(dǎo)體之間相當(dāng)于 一個(gè)均勻的電容極板，其電場(chǎng)分布也均勻。在電纜的終端剝?nèi)ヒ欢ǔ叽绲耐庾o(hù)層和屏蔽層 后，改變了電纜原有的電場(chǎng)分布，產(chǎn)生了電場(chǎng)畸變，在屏蔽切斷處電力線較為集中。在忽略 電感而主要考慮電容和電阻作用時(shí)，其等效電容可簡(jiǎn)化為由體積電容CV和表面電容(7 3組 成的電容鏈，絕緣體和絕緣外表面均可看成電阻(體積電阻和表面電阻爲(wèi);)和電容并聯(lián) 的等效電路，通過(guò)這樣的等效方法，在電纜終端采用電容和電阻的集中參數(shù)將電纜終端處 的鏈形電路等效地表示出來(lái)，如圖1所示。
中，1為電纜導(dǎo)電線芯半徑，及為電纜的絕緣外半徑，游為絕緣介質(zhì)的體積電阻率。_為真 空介電常數(shù)，趕為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，呑〗為電纜絕緣層單位長(zhǎng)度表面電阻，與《為電纜單 位長(zhǎng)度周?chē)劫|(zhì)電阻，K為和電纜絕緣表面情況有關(guān)的常數(shù)。
[0017] 電纜外屏蔽層(接地)處的電位為零。&χ設(shè)為絕緣表面距原點(diǎn)（屏蔽層邊緣)x處的 電壓，線芯對(duì)金屬屏蔽層的電壓（電位)為t/β，貝 lJ可認(rèn)為在微分元dx內(nèi)，電位增量為.(iE/JC,電
位變化】 勾電流?可近似認(rèn)為 定值。該 ，在式中，X表示絕緣 層表面距原點(diǎn)（屏蔽層切斷口處）的距離，負(fù)號(hào)表示該處切向電場(chǎng)和X方向相反，1表示屏蔽 截止點(diǎn)至絕緣端點(diǎn)的距離。當(dāng)X為0時(shí)，雙曲余切函數(shù)取最大值，最大電場(chǎng)發(fā)生在屏蔽截止 點(diǎn)，即EiIxsft 隨著絕緣長(zhǎng)度1的增加，Et呈逐漸下降趨勢(shì)，但當(dāng)1.5時(shí)，cth γ?趨近于1，此時(shí)增加絕緣長(zhǎng)度，對(duì)電纜屏蔽層邊緣處的電場(chǎng)強(qiáng)度并無(wú)多大影響。
[0018] 為了改善電纜終端的電場(chǎng)分布，降低電纜屏蔽層邊緣處的電場(chǎng)應(yīng)力集中強(qiáng)度，目 前采用了多種處理措施：①在電纜絕緣層上施加新的絕緣層，可以增大等效絕緣半徑;② 在電纜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屏蔽層附近的電位 梯度;③在屏蔽層附近加裝屏蔽接地環(huán)，增大曲率半徑;④釆用應(yīng)力錐，強(qiáng)迫電場(chǎng)均勻分布 等。國(guó)內(nèi)外常用的是第④種方法，主要以室溫液體硅橡膠和固體硅橡膠材料制作的應(yīng)力管 和應(yīng)力錐，但這兩種結(jié)構(gòu)型式的產(chǎn)品不能滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。本發(fā)明采用進(jìn) 口高溫硫化液體硅橡膠(LSR)材料和半導(dǎo)電材料，同時(shí)加入高介電常數(shù)的填料，應(yīng)用先進(jìn)的 有限元方法進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和制作應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)型式產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性以 及終端密封的最佳效果。
[0019] 二、高壓電纜終端接頭的數(shù)學(xué)模型： 電纜終端和終端接頭的屬于軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，按照二維軸對(duì)稱(chēng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模?？紤]到 高壓線路中有工頻工作場(chǎng)強(qiáng)和沖擊耐壓場(chǎng)強(qiáng)兩類(lèi)，電纜主絕緣設(shè)計(jì)時(shí)需同時(shí)考慮兩類(lèi)場(chǎng) 強(qiáng)，終端接頭應(yīng)力錐的設(shè)計(jì)只需要考慮絕緣的工頻工作場(chǎng)強(qiáng)即可。按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)半導(dǎo)電 應(yīng)力錐部件的整體結(jié)構(gòu)形狀尺寸，主要有應(yīng)力錐的增繞絕緣層的厚度a、應(yīng)力錐軸向長(zhǎng)度 ?以及應(yīng)力錐錐面形狀曲線方程，模型圖2所示。
[0020]
其中，^ 一電纜本體絕緣相對(duì)介電常數(shù);r。一導(dǎo)體層外半徑;R-本體絕緣外半徑； 山一電纜承受電壓，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)取設(shè)計(jì)電壓UAC;Rn-增繞絕緣層外半徑；εη-一電纜 增繞絕緣的相對(duì)介電常數(shù);Et-切向場(chǎng)強(qiáng);En-法向場(chǎng)強(qiáng)。
[0021]根據(jù)圖2,由于應(yīng)力錐的錐面與電纜屏蔽層連接，電位為零，所以應(yīng)力錐錐面是一 個(gè)等位面，在應(yīng)力錐錐面上任取一點(diǎn):€，錐面為等位面，故電力線與之正交。找為過(guò)F點(diǎn)的 切線與電纜徑向方向的交角，則切向場(chǎng)強(qiáng)和法向場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系為
點(diǎn)的法向場(chǎng)強(qiáng)1^仍可近似按圓柱形電場(chǎng)計(jì)算，對(duì)于兩層分階絕緣電纜則_
其中：
令:|_為一常數(shù)，即沿表面
的切向由1??-登撒得錐面對(duì)數(shù)曲線方程： (4) 由（1)(2)(3)表達(dá)式設(shè)計(jì)計(jì)算電纜終端接頭的形狀尺寸，根據(jù)電場(chǎng)分布原理計(jì)算得應(yīng) 力錐錐面模型為對(duì)數(shù)曲線方程(4)，實(shí)際操作上由機(jī)床成形的錐面對(duì)數(shù)曲線存在加工上的 困難，數(shù)控機(jī)床中的刀具是不能以曲線的實(shí)際輪廓去走刀，刀具不能?chē)?yán)格地按照要求加工 的曲線運(yùn)動(dòng)，目前絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置只具備直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的功能，對(duì)于 非直線和圓弧曲線則采用直線和圓弧分段擬合的方法進(jìn)行插補(bǔ)。這種方法在處理復(fù)雜曲線 時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大、精度差、進(jìn)給速度不均、編程復(fù)雜等一系列問(wèn)題，必然對(duì)加工質(zhì)量和加 工成本造成較大的影響。許多人開(kāi)始尋求用一根或多根折線來(lái)進(jìn)行替代理想的錐面曲線， 但無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的理想要求和標(biāo)準(zhǔn)要求。這里采用多段圓弧樣條曲線無(wú)限逼近并替代錐面 對(duì)數(shù)曲線，很好地解決這個(gè)難題，取得了理想的結(jié)果。
[0022] 三、運(yùn)用圓弧樣條曲線無(wú)限逼近應(yīng)力錐錐面對(duì)數(shù)曲線： 由于目前絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置只具備直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的功能，想要在數(shù) 控機(jī)床上加工出任意平面曲線，須首先把它們轉(zhuǎn)化為直線或圓弧，在一定的精度范圍內(nèi)，用 一系列直線或圓弧來(lái)逼近。在數(shù)控機(jī)床上加工具有任意平面曲線的零件時(shí)，采用連接圓弧 逼近比用多段直線逼近有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①所有相鄰圓弧在連接點(diǎn)處相切，從而成為連續(xù) 圓弧，光滑無(wú)棱，而用直線逼近時(shí)，在連接點(diǎn)處出現(xiàn)棱角；②圓弧逼近較直線逼近加工程序 段少，從而可減少程序量，提高加工效率;③圓弧逼近，其斜率和曲率半徑也很接近于所逼 近的曲線，而直線的曲率半徑為無(wú)窮大，相差甚遠(yuǎn)。正因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，圓弧逼近任意平面曲 線已成為數(shù)控加工中必須解決的問(wèn)題。根據(jù)大多文獻(xiàn)資料檢索，加工平面曲線絕大部分采 用的是雙圓弧逼近法。運(yùn)用該方法必須先求出曲線上的全部拐點(diǎn)，置為型值點(diǎn)。而對(duì)于空間 任意平面內(nèi)的任意曲線，其拐點(diǎn)準(zhǔn)確值是不易求出的。因此，現(xiàn)有雙圓弧逼近法對(duì)于解決空 間任意平面內(nèi)的任意曲線逼近問(wèn)題有一定的局限性。
[0023]這里采用的是圓弧樣條曲線逼近法。首先將任何一種平面曲線，按照一定的步距 離散化為一組點(diǎn)列，然后采用圓弧樣條曲線擬合這組點(diǎn)列，依次計(jì)算每?jī)啥螆A弧公切點(diǎn)到 原曲線的最矩距離。若距離大于給定的誤差值，則在原曲線上相應(yīng)于最短距離處插人一新 型值點(diǎn)，重新用圓弧樣條曲線擬合，再進(jìn)行誤差判別，直到所有的圓弧滿足精度要求為止。 具體實(shí)施如下:如圖3所示，設(shè)經(jīng)過(guò)型值點(diǎn)$的圓弧段為η，經(jīng)過(guò)型值點(diǎn)的圓弧段為巧# ，兩弧的公切點(diǎn)為6。先求霉到原曲線的最短距離祕(mì)，若p|>衣，這里咨為任意小的正實(shí)數(shù)， 則將曲線上對(duì)應(yīng)于最短距離的作為新的型值點(diǎn)插人型值點(diǎn)序列，重新擬合。否則，檢測(cè) 下面兩圓弧段公切點(diǎn)到原曲線的距離，直到全部圓弧段檢測(cè)完為止。這樣構(gòu)成的曲線在總 體上是一階光滑、分段等曲率的多段圓弧。所謂一階光滑是指在連接點(diǎn)處，兩相鄰圓弧有共 同的切線，一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，二階導(dǎo)數(shù)存在但不一定連續(xù)，整條擬合曲線應(yīng)保持原型值點(diǎn)的凸 凹性，且無(wú)多余拐點(diǎn)，這樣的曲線數(shù)學(xué)上稱(chēng)為G 1連續(xù)。
[0024]四、有限元理論與實(shí)施方法： 電纜終端和終端接頭的屬于軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，它們的電場(chǎng)分布也是一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)，假定軸 向及徑向零電位邊界定義在直徑為終端圓柱直徑數(shù)倍的圓柱底面或曲面上，由唯一性定 理，模型區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)體外電場(chǎng)唯一確定，其電位分布滿足泊松方程爾絕二-濟(jì)驗(yàn)，由于導(dǎo)體 外沒(méi)有自由電荷分布(即左:與_)，泊松方程簡(jiǎn)化為拉普拉斯方程即在求解域內(nèi)求 解拉普拉斯方程。按靜態(tài)二維場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然而在實(shí)際工程中，往往存在許多無(wú)界電磁 場(chǎng)問(wèn)題，不能直接利用有限元法進(jìn)行計(jì)算，常在遠(yuǎn)離中心場(chǎng)域處設(shè)一電位或磁位衰減為零 的人工邊界，邊界范圍取值的大小會(huì)影響計(jì)算的精度(范圍越大，精度越低;范圍越小，精度 越高）。這里以15kV高壓電纜端頭為例，15kV屬于中低壓電壓等級(jí)，根據(jù)電磁場(chǎng)衰減規(guī)律取 邊界范圍值為300mm，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)"GB/11017-2002額定電壓U kV(Um=(l+10%)U交聯(lián)聚乙稀 絕緣電力電纜及其附件第3部分"，對(duì)于U kV電纜，試驗(yàn)電壓Uo=U/,/5kV工頻耐壓試驗(yàn)電Uac =4.5U〇 kV( 15kV高壓電纜設(shè)計(jì)電壓Uac =54kV)，耐受時(shí)間5分鐘。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，取線芯截面 積為35mm2，電纜終端絕緣層長(zhǎng)度取70mm，5取0.001mm，終端和終端接頭含有硅橡膠（ &二2.3)、交聯(lián)聚乙烯(q = 2.3)和空氣（? =1.0)3種材料，根據(jù)已知的相關(guān)參數(shù)和a)、 (2)、（3)表達(dá)式計(jì)算得表1中的對(duì)應(yīng)參數(shù)，采用圓弧樣條曲線無(wú)限逼近法建立有限元計(jì)算模 型(如圖4)進(jìn)行計(jì)算。
[0025] 表1模型中參數(shù)表
依據(jù)電纜終端接頭模型，結(jié)合電纜接頭的工作特性方程、滿足的邊界條件和具體結(jié)構(gòu) 參數(shù)，同時(shí)考慮材料的性能，對(duì)電纜終端接頭進(jìn)行有限元計(jì)算，得到電纜終端接頭錐面曲線 的電場(chǎng)強(qiáng)度局部矢量圖和電場(chǎng)強(qiáng)度局部云圖。
[0027] 從圖5可以看到，無(wú)論是在應(yīng)力錐的直線部分還是曲線部分，可以看到電場(chǎng)線都垂 直于應(yīng)力錐的表面，這是因?yàn)閼?yīng)力錐的表面電壓都為0V，是一個(gè)等電位面。在電磁場(chǎng)中，等 電位面和等電場(chǎng)線相互垂直，電場(chǎng)方向由電纜線芯指向應(yīng)力錐表面。從圖6中可以看到電 場(chǎng)應(yīng)力在錐面曲線上的分布。
[0028] 設(shè)在電纜絕緣層上臨近屏蔽層處取一節(jié)點(diǎn)S并定義為起點(diǎn)，以錐面曲線作為映射 路徑，沿該路徑上不同節(jié)點(diǎn)距起始節(jié)點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度為S(起點(diǎn)S=0.0000mm)，得出該路徑上電 場(chǎng)強(qiáng)度與S的關(guān)系如圖7和表2。
[0029] 表2取路徑上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)量值(屏蔽層切口處、最小值和最大值附近的節(jié) 點(diǎn)）。
[0030] 根據(jù)圖7和表2可以看出，電纜終端接頭電場(chǎng)最大處10433V/mm在金屬屏蔽層切口 處附近，錐內(nèi)部最大電場(chǎng)強(qiáng)度7678V/mm遠(yuǎn)小于25kV/mm(常規(guī)設(shè)計(jì)娃橡膠外表面的最大切向 電場(chǎng)強(qiáng)度控制值），硅橡膠與交聯(lián)聚乙烯界面場(chǎng)強(qiáng)l〇433V/mm遠(yuǎn)小于25kV/mm (常規(guī)設(shè)計(jì)控 制值），硅橡膠外表面的最大切向電場(chǎng)強(qiáng)度小于22kV/mm，遠(yuǎn)小于硅橡膠表面閃絡(luò)電場(chǎng)強(qiáng)度， 說(shuō)明設(shè)計(jì)的方案是合理的、可行的?？偟膩?lái)說(shuō)，電纜終端應(yīng)力錐改善了電纜終端處電場(chǎng)的分 布，使電場(chǎng)更加均勻，沒(méi)有出現(xiàn)局部極大值，避免了滑閃現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而減少了事故的產(chǎn) 生，優(yōu)化了電纜終端處電場(chǎng)的均勻分布，技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)并遠(yuǎn)超過(guò)了表3中的目標(biāo)。從仿真結(jié) 果和理論分析進(jìn)行了對(duì)比，還可以繼續(xù)調(diào)整(減少的值(?取更小的值如0.0005mm等）， 再采用圓弧樣條曲線無(wú)限逼近法逼近對(duì)數(shù)曲線，建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，使電場(chǎng)的 分布逐漸達(dá)到理想的標(biāo)準(zhǔn)要求。
[00311 串3彳式3會(huì)撒? Ja Ja枯f標(biāo)袖.
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 高壓電纜終端接頭的研究方法:通過(guò)采用多段圓弧樣條曲線逼近并替代錐面對(duì)數(shù)曲 線，建立電場(chǎng)有限元計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，其特征在于包括W下步驟： 51) 根據(jù)高壓電纜終端接頭二維軸對(duì)稱(chēng)整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)半導(dǎo)電應(yīng)力錐部件的整體結(jié)構(gòu) 形狀尺寸，包括應(yīng)力錐的增繞絕緣層的厚度山、應(yīng)力錐軸向長(zhǎng)度4,應(yīng)力錐錐面形狀曲線 方程； 52) 采用圓弧樣條曲線逼近法代替應(yīng)力錐錐面形狀曲線:將平面曲線按照一定的步距 離散化為一組點(diǎn)列，然后采用圓弧樣條曲線擬合運(yùn)組點(diǎn)列，依次計(jì)算每?jī)啥螆A弧公切點(diǎn)到 原曲線的最矩距離進(jìn)，若?/大于給定的誤差值賞，執(zhí)行步驟S3)，若邊小于或等于給定的誤 差值簽，執(zhí)行步驟S4); 53) 則在原曲線上相應(yīng)于最短距離處插人一新型值點(diǎn)，重新用圓弧樣條曲線擬合，返回 步驟S2); 54) 根據(jù)電場(chǎng)分布規(guī)律和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，求得模型參數(shù)表，建立應(yīng)力錐有限元二維計(jì)算模 型，執(zhí)行步驟S5); 55) 根據(jù)電纜終端接頭模型，結(jié)合電纜接頭的工作特性方程、滿足的邊界條件和具體結(jié) 構(gòu)參數(shù)，對(duì)電纜終端接頭進(jìn)行有限元計(jì)算，得到電纜終端接頭錐面曲線的電場(chǎng)強(qiáng)度局部矢 量圖和電場(chǎng)強(qiáng)度局部云圖，在電纜絕緣層上臨近屏蔽層處取一節(jié)點(diǎn)并定義為起點(diǎn)，W錐面 曲線作為映射路徑，沿該路徑上不同節(jié)點(diǎn)距起始節(jié)點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度為S，得出該路徑上電場(chǎng)強(qiáng) 度與S的關(guān)系圖表，通過(guò)關(guān)系圖表驗(yàn)證終端接頭電場(chǎng)分布的均勻性和合理性。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓電纜終端接頭的研究方法，其特征在于：謀為任意小的正 實(shí)數(shù)值且沒(méi)< 0.001mm。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105844029SQ201610184041
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月29日
【發(fā)明人】周秀君
【申請(qǐng)人】順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院