1、本科毕业论文（20 届）110kV 电力电缆连接盒绝缘结构分析所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -110kV 电力电缆连接盒绝缘结构分析摘要在电力系统中，电缆附件是重要的组成部分，在故障发生的概率中，电缆附件的故障概率约为 70%，所以电缆附件的质量好坏，直接影响电力系统供电质量，而确保附件质量的关键是要有科学合理的绝缘结构，即用合理的绝缘结构是保证附件质量的首要工作。所以电缆连接盒作为电缆附件之一，它的开发和研究是刻不容缓的事。在连接电缆时会使电缆绝缘中原来的均匀径向分布的电场梯度被破坏，此时的电缆终端
2、电场沿电缆长度方向分布不均匀，比较集中在线芯和金属屏蔽层处，而且在靠近金属屏蔽层边缘处的电场强度最大。所以本文对电缆终端电场分布和连接盒的绝缘结构进行了分析，主要阐述了高压电力电缆连接盒绝缘结构设计方法。并且利用计算机对 110kv 级复合绝缘高压电缆连接盒绝缘结构进行模拟仿真，通过比较电缆连接盒在有无应力锥,有无反应力锥，应力锥不同形状和反应力锥不同形状时的电位分布及电场分布情况，确定应力锥及反应力锥的作用，优化应力锥及反应力锥的形状。关键词：电缆连接盒；绝缘结构；应力锥；电场分析哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The insulation structure analysis of
3、110kV power cable jointAbstractIn the power system, the electric cable 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 k
4、ey to ensure the quality of the attachment is to create a scientific 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
5、researching the cable terminal seems to be an urgent matter.Connecting 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 concentra
6、tes on the line core and metal shield. Furthermore, the electric field 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 structur
7、e design method of the high voltage cable joint. Using computer simulates 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
8、different shape and the uplift stress-relief cone of different shape to make sure theirs effect and optimize the shape.Keywords: electric cable connection box; insulation structure; stress-relief cone; electric field distribution哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 电力电缆连
9、接盒的分类 .11.1.2 电力电缆连接盒的发展趋势 .31.2 本文研究意义 .31.3 本文主要工作 .4第 2 章 电力电缆连接盒绝缘结构分析 .52.1 电缆终端电场分布 .52.1.1 电缆终端电场分布特点 .52.1.2 电缆终端电场分布的等效回路分析 .62.2 电力电缆连接盒的绝缘结构 .92.2.1 主要绝缘结构 .92.2.2 各绝缘结构的作用 .102.3 连接盒绝缘结构的设计计算 .112.4 本章小结 .18第 3 章 有限元方法及连接盒绝缘模型 .193.1 有限元法 .193.1.1 有限元法基础 .193.1.2 有限元方法的计算步骤 .233.2 电缆连接盒绝
10、缘模型 .243.2.1 结构参数 .243.2.2 建立电缆连接盒绝缘模型 .253.3 本章小结 .26第 4 章 连接盒绝缘结构电场计算分析 .274.1 电场计算 .274.1.1 建立模型 .274.1.2 网格划分 .274.1.3 附加边界条件和求解 .274.1.4 后处理 .274.2 结果分析 .294.2.1 应力锥分析 .29哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -4.2.2 反应力锥分析 .364.3 结果总结 .434.4 本章小结 .44结论 .45致谢 .46参考文献 .47附录 A 英文文献 .48附录 B 中文翻译 .59哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第
11、 1 章 绪论1.1 课题背景电力电缆中间连接盒是将两根电缆连接起来的部件，是高压及超高压电缆投入电网运行时必不可少的附件。当高压电缆线路较长(一般为 500 m 以上) 时，因电缆接续以及电缆线路金属套互连接地的需要，必须采用中间连接盒 。目前超高压电力电缆所用的连接盒，乃是 110-220 千伏结构1的延伸，仅仅是尺寸加大而已。英国已在 400 千伏线路中使用了这类连接盒。随着地下电缆线路逐渐作为城市输电的主要手段，连接盒的使用愈来愈多。1.1.1 电力电缆连接盒的分类110kV 及以上电压等级的 XLPE 电缆在中国已有了 20 余年的运行历史。这类电缆在安装后的试验中和运行中发生过不少
12、绝缘击穿故障。除安装质量外，这些故障主要是由于电缆附件本身存在的缺陷引起的。目前在中国应用的高压 XLPE 电缆中间接头连接盒有 4 种型式：绕包型、模塑型、预制组装型和预制型 。下面将对这 4 种接头作简要地分析。21绕包型绕包型式的接头已应用到 220kV。为了使电场场强分布均匀并降低轴向场强。绕包型接头都有两个较长的削成铅笔头状的电缆绝缘末端和两个由手工或专用绕带机绕成的应力锥。由于接头是在现场用绝缘带绕包的，特别是在手工绕包情况下，绝缘带层间就会包缠进一些气隙和杂质。与此同时，所绕包出的锥的形状也难以达到设计要求。因此其设计电场强度要比其他形式接头的设计场强低，并且接头体积较大。此外还
13、存在以下几个缺点：a对现场的环境条件要求高；b对现场的安装技术要求高；c安装时间长；d运行中接头绝缘部分的外型不稳定。绕包型接头的主要优点是在不同绝缘类型、不同电压等级和不同电缆截面的使用中具有很高的适应性。对于 110kV 及以下电压等级的高压电缆接头来说，不失为事故备品的一种好形式。2模塑型哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -模塑型接头采用与电缆绝缘同样材料制成的可交联带子绕包。在加以适当温度并经过合适的加热时间后，在接头位置上的绝缘层就形成了，所绕包的带子就会与电缆绝缘溶为一体。这类接头与电缆本体在直径上差别不大。在电缆的轴向上几乎不存在电场。这类接头的缺点是：a现场的安装环境条件和安装
14、的技术要求更高，安装的时间更长；b现场交联受多方面因素的影响加热温度、加热时间、加热长度和电缆的截面等) 并且难以控制。这类接头在我国应用较少，且有过事故记录。除特殊情况，一般不推荐使用这类接头。3预制组装型预制组装型接头是由置于中间的环氧树脂绝缘筒、位于两端的应力锥和压力元件组成的。当应力锥与电缆绝缘之间和应力锥与环氧树脂绝缘之间具有适当的压强时，就可得到一个理想的场强沿应力锥均匀递减的分布。其它的一些优点有：a 由于是在工厂预制的，所以有较高的绝缘可靠性；b现场安装时间短：c易于安装；d对现场环境条件要求较低。预制型接头中也存在一些缺点：a 电缆绝缘材料(XLPE)和应力锥材料(EPDM)
15、的膨胀系数与环氧树脂的膨胀系数差别很大。在温度变化时各部件会发生相对位移。这就需要在接头的两端加装一组压力弹簧，不仅要保证应力锥与电缆之间、应力锥与环氧树脂绝缘筒之间的压强，还要保证它们的稳定性。因此，接头的长度增加了，安装的工作量增多了。b 在导电线芯连接前，要将应力锥和环氧树脂筒套至电缆上，这就增加了电缆外护套和外半导电层的剥切长度，并且增加了安装的工作量。c 接头的体积大并且笨重，在安装过程中耗费了较多的劳动。例如，在 220kV 接头中，其环氧树脂绝缘套筒的重量超过了 200kg。4预制型预制型接头被广泛的用于220kV及以下电压等级的 XLPE电缆。它是由硅橡胶或三元乙丙橡胶(EPD
16、M)制成的。应力锥、导体屏蔽、绝缘屏蔽和接头的主绝缘在工厂中被集为一体。在电缆绝缘与应力锥的结合面上，等位线间的距离很大且很均匀，轴向应力远低于电缆本体和预制接头本体的应力。因此安装工作变得简单，安装时间缩短，并且对现场安装条件的要求也较低。只要处理好电缆和接头的界面，就能容易地获得较高的安装质量。接头的材料具有较好的弹性，膨胀系数接近。因此在温度变化时各部件之间不易发生位移。在将预制件套入电缆时，半导体材料有可能对电缆哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -绝缘表面产生污染。为了获得较高的接头绝缘强度，在套入预制件的过程中必须确保接头部分的绝缘不能有任何污染。因此，在套入预制件时不做任何防范技术
17、措施的做法无论如何是危险的。预制件套入电缆技术也就成了安装这类接头的技术关键。1.1.2 电力电缆连接盒的发展趋势在上面提到的 4 种电缆接头中，对于 110kV 及以上电压等级的高压XLPE 电缆，预制型接头应是未来的发展方向，除了用于事故备品外，绕包型接头不应再被使用。预制型接头中“插入”型具有较为理想的结构，应优先使用。对于预制型接头，扩张技术也是一种较好的技术。出于对造价的考虑，对于制造接头的绝缘材料来说，三元乙丙橡胶(EPDM)优于硅橡胶(SIR)。在接头的设计中，对在制造中产生的电缆绝缘层内机械应力的释放应加以考虑。安装简便、安装时间短、现场安装技术要求低、现场环境条件要求低和安装
18、质量易于控制也是接头发展的重要方面之一 。2对于交联电缆及其配套附件，目前我国对 110kv 等级的 XLPE 电缆附件仍需大量进口。因此在我国研制 XLPE 电缆预制型连接盒具有广阔的市场前景。世界各国 XLPE 电缆附件技术发展的过程及发展方向理应成为我国 XLPE 电缆附件生产的借鉴、开拓创新的阶梯。1.2 本文研究意义在电力系统中，电缆附件是重要的组成部分，在故障发生的概率中，电缆附件的故障概率约为 70% ，所以电缆附件的质量好坏，直接影响电3力系统供电质量，而确保附件质量的关键是要科学合理的结构，即用合理的结构是保证附件质量的首要工作。这里将主要研究一下电缆连接盒的绝缘结构的电场分
19、布。在任何绝结构设计的依据主要是电场分布特点和规律。连接盒也不例外，电缆连接盒的电场分布比电缆绝缘层内的分布要复杂得多，与高压套管相似，电场集中在靠近金属护套边缘，并且具有很大的轴向分量，这就要求电缆附件具有较好的绝缘性能。为了有效地降低金属屏蔽层边缘处的场强，必须采取措施，或在金属屏蔽层边缘的绝缘表面涂以半导电漆，可以减少沿表面的阻抗和金属屏蔽层附近的电位梯度；或在金属屏蔽层附近加装接地屏蔽环，增大曲率半径；或采用应力锥，均化电场。为设计合理的绝缘结构需进行合理的电场分析。而高压静电场分析是高电压绝缘技术的一个重要方面。电气设备的绝缘在高电压作用下可能会发生击穿破坏，更确切地说造成绝缘介质击
20、穿的原因是高电压作用下在绝缘中形成的强电场。研究和改善高电压设备中的电场分布情况是高电压技术的重要任务之一。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -目前，高压电气设备主要在工频 50Hz 交流电压下工作，电极间电压随时间的变化是比较缓慢的，所以一般电气设备在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的，可以按静电场来分析。研究静电场分布的规律，常常希望能够定量计算绝缘各部位的电位和电场强度。但是由于电极形状、介质分布（场域的边界条件）比较复杂，计算常会遇到很多困难，除了极少数简单几何形状的电极和介质分布外，一般很难用解析计算方法求解，甚至不可能求解。工程上常常用近似方法，简化电极形状，来估算场域中某部分
21、的解（主要是最大场强值） 。近些年来由于计算技术的发展，计算机的普遍使用，静电场数值计算方法得到了广泛应用，一些边界比较复杂的静电场问题也都能获得比较满意的数值解。1.3 本文主要工作本课题通过对电力电缆连接盒绝缘结构的电场分析，优化了高压电力电缆连接盒的绝缘结构。主要做了如下工作：1研究电力电缆终端的电场分布；2研究高压电力电缆连接盒的典型绝缘结构和设计计算原理；3掌握有限元方法，为电缆连接盒绝缘结构电场仿真和数值分析做准备。4用 ANSYS 软件仿真高压电缆连接盒绝缘结构电场分布情况，比较有无应力锥、有无反应力锥、应力锥形状不同和反应力锥形状不同时的区别，优化初始设计的绝缘结构，确定一套最
22、优可行性的方案。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -第 2 章 电力电缆连接盒绝缘结构分析2.1 电缆终端电场分布2.1.1 电缆终端电场分布特点 在连接电缆时，为了避免引起线芯和金属屏蔽层间短路，需要将电缆终端处的外护层、铠装层和金属屏蔽层剥去。由于将金属屏蔽层剥去，电缆绝缘中原来的均匀径向分布的电场梯度被破坏，此时的电缆终端电场分布如图：电力线屏蔽端口处产生了极不均匀的电场分布图 2-1 电缆终端电场分布 图 2-2 电缆绝缘剥去后的电力线分布左边只剥去电缆的铅套 右边同时剥去电缆的绝缘层和铅套1线芯 2绝缘层 3铅套电缆终端的电场分布比电缆本体复杂得多，电场不仅有垂直电缆绝缘方向的径向分量，还有沿电缆绝缘的轴向分量，在沿绝缘表面易引起滑闪放电。且沿电缆长度方向电场分布也不均匀，比较集中在线芯和金属屏蔽层处，而且在靠近金属屏蔽层边缘处的电场强度最大。其原因是在电缆终端等效电路中忽略电感和电阻，主要考虑电容作用的时候，其等效电容可以认为是由体积电容和表面电容组成的电容链。电容电流由高电位流向低电位，这样在金属屏蔽层附近所汇集的电容电流最大，在认为沿电缆长度方向阻抗大致相同的前提下，金属屏蔽层附近的压降也就最大，因而此处电位的变化率最大，故场强最大。另一方面，把金属屏蔽层剥开后，其绝缘为两种以上的介质，此时电场的方向斜射到介质的分界面上，在分界面上会产生电场的弯折，从而电
