一、110kv电力电缆的常见规格及结构近年来，随着国家电力行业的快速发展，110kv电力电缆的需求量也在不断增加。
110kv电力电缆作为输送高压电力的重要设备，其规格及结构用量对于电力行业的发展至关重要。
在实际应用中，110kv电力电缆的规格和结构对于输电线路的安全稳定运行起着至关重要的作用。
深入了解110kv电力电缆的常见规格及其结构用量对于行业发展具有重要意义。
1. 110kv电力电缆的常见规格110kv电力电缆的常见规格主要包括导体截面、绝缘层厚度、护套厚度等。
（1）导体截面：110kv电力电缆的导体截面一般为240mm²、300mm²、400mm²等。
（2）绝缘层厚度：110kv电力电缆的绝缘层厚度达到特定要求，一般在35mm以上。
（3）护套厚度：110kv电力电缆的护套厚度一般在3mm以上。
2. 110kv电力电缆的结构用量110kv电力电缆的结构用量包括导体、绝缘层、护套等。
（1）导体：110kv电力电缆的导体采用多股铝或铜绞线制作，其导体截面与输电距离、输电功率等有一定的关系。
通常情况下，110kv电力电缆的导体采用铜绞线制作，导体的结构用量根据具体的输电要求进行设计。
（2）绝缘层：110kv电力电缆的绝缘层一般采用交联聚乙烯（XLPE）材料制作，其结构用量与电缆的规格、电压等有一定的关系。
110kv电力电缆的绝缘层需要具有良好的耐电压、耐热、耐候等性能，以保证电力输送的安全可靠。
（3）护套：110kv电力电缆的护套一般采用聚乙烯（PE）材料制作，用于保护电缆免受外部机械损伤和化学侵蚀，其结构用量与电缆的长度、敷设环境等有一定的关系。
110kv电力电缆的护套需要具有良好的机械强度和耐候性能，以保证电缆在各种敷设环境下能够正常运行。
二、110kv电力电缆规格及结构用量的影响因素110kv电力电缆的规格及结构用量受到多方面因素的影响，主要包括输电距离、输电功率、敷设环境、敷设方式等。
交联聚乙烯电缆交联聚乙烯电力电缆由于其电气性能和耐热性能都很好，传输容量较大，结构轻便，易于弯曲，附件接头简单，安装敷设方便，不受高度落差的限制，特别是没有漏油和引起火灾的危险，因此受到用户广泛欢迎，并不断向高压、超高压领域发展，呈现出逐步替代油纸电缆的趋势。
一、文联聚乙烯电缆的结构特点如图4－17所示，交联聚乙烯电缆和大家熟悉的油浸纸统包电缆的区别除了相间主绝缘是交联聚乙烯塑料以及线芯形状是圆形之外，还有两层半导体胶涂层。
在芯线的外表面涂有第一层半导体胶，它可以克服电晕及游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡。
在相间绝缘外表面涂有第二层半导体胶，同时挤包了一层0.1mm厚的薄铜带，它们组成了良好的相间屏蔽层，它保护着电缆，使之几乎不能发生相间故障，如图4－18所示。
图4-17 交联聚乙烯电缆断面构造示意图1.绝缘层；2-线芯；3-半导体胶层；4-铜带屏蔽层； 5-填料；6-塑料内衬；7-铠装层；8-塑料外护层图4-18 交联聚乙烯电缆结构示意图1-线芯；2-交联聚乙烯绝缘；3-半导电层；4-铜屏蔽；5-包带；6-外护层二、事故原因根据国内外报导，交联聚乙烯电缆发生事故的原因如下：1．水树枝劣化它是交联聚乙烯电缆事故的主要原因，约占事故的71%，多发生于自然劣化。
所谓“树枝”不过是一个形象名词，它指团体介质击穿破坏前，固体介质中产生的树枝状裂痕和放电痕迹。
树枝的产生引起绝缘进一步的恶劣化，不久将导致全部击穿。
所以树枝现象也是预击穿现象。
按树枝化形成的原因，树枝可分为电树枝、水树枝和电化树枝（也可归为水村的特例）。
水树枝，它是水浸入绝缘层，在电场作用下形成的树枝状物。
它的特点是引发树枝的空隙含有水分，它在比发生电树枝低得多的场强下即可发生。
树枝有的大多不连续，内凝有水分，主干树枝较粗，分枝多且密密麻麻，如图4－19所示。
图4-19 自内侧的水树枝状水树枝一般是从内半导电层、屏蔽层与绝缘层界面上引发出来。
"+$&年第,期;76,!"+$&电线电缆J 401S /.1_./0‘<2340"+$&年*月M WR6&"+$&高压HI C J 绝缘电力电缆缓冲层与金属护层结构设计仿真计算与优化汪传斌$$!金海云"!$6新远东电缆有限公司&江苏宜兴"$’"#)’"6西安交通大学电气绝缘研究中心&陕西西安)$++’%"摘要!针对近年来电力系统运行的HI C J 绝缘高压电缆因缓冲层发生的故障与隐患增多$就缓冲层#金属护层对电缆的作用$通过测量缓冲层等材料的相关参数$运用有限元!@RV T V "软件仿真计算了高压电缆的电场分布$分析了不同优化条件下缓冲层结构的影响$提出了高压电缆缓冲层与金属护层结构设计优化建议%关键词!HI C J 绝缘高压电缆&缓冲层&金属护层&结构设计&仿真计算中图分类号!>?"’)E $文献标识码!@文章编号!$*)"(*%+$!"+$&"+,(+++*(+&C <)7:(;=:;(,.?)3’657’G ;.,:’05,59I 4:’G ’X ,:’050>Y ’6<O 0.:,6)Z [H 8L 53;.,:’05H 0J )(+,-.)\;>>)([,@)(,59K):,.7<),:<_@;c<BW2R3.R $&M 9;N 2.T WR "!$6;0-U 2/J 2V S <2340<76&I S Y6&L .e .R "$’"#)&<B.R2’"6J 401S /.124.RV W42S .7R /0V 02/1B 10RS 0/7[H .02R M .27>7RZ P R.\0/V .S T &H .02R )$++’%&<B.R2"A -3:(,=:%@117/Y.RZ S 7X7-0/V T V S 087X0/2S .7R [2W4S 2RY B.YY0R Y2RZ 0/V .R1/02V 0Y 3012WV 07[H I C J.RV W42S .7R B.ZB \74S 2Z 0123403W[[0/42T 0/&S B.V X2X0/.RS /7YW10V 3W[[0/42T 0/2RY 80S 24V B02S B 3T 802V W/.RZ 82S 0/.24&2XX4T .RZ [.R.S 004080RS !@RV T V "V .8W42S .7R S 71241W42S 0B.Z B \74S 2Z 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=>""+)&对电缆缓冲层与纵向阻水层基本都是这样规定的%.缓冲层应采用半导电弹性材料或具有纵向阻水功能的半导电阻水膨胀材料&其阻水带与阻水绳应具有吸水膨胀性能+缓冲层与纵向阻水材料应与其相接触的其他材料相容/’.缓冲层位于挤包的绝缘半导电屏蔽层外&并与绝缘屏蔽层和金属屏蔽层保持电气上接触良好/’.缓冲层的厚度应能补偿电缆运行热膨胀的要求/’.对电缆金属套内间隙有纵向阻水要求时&应由半导电阻水膨胀带绕包而成&绕包应平整*紧实*无皱褶*无擦伤’亦可采用具有纵向阻水性能的金属丝屏蔽布带绕包结构/等+.径向不透水阻挡层应采用铅套或皱纹铝套等/’.电缆采用铅套或铝套时&金属套可作为金属屏蔽&当其厚度不满足短路容量时应增加铜丝屏蔽或金属套的厚度/+标准对于缓冲层或具有纵向阻水材料的性能主要体现在%半导电*弹性*吸水膨胀与相接触的材料应相容’对于缓冲层的位置*厚度与形状%应与绝缘屏蔽和金属屏蔽电气上接触良好&厚度能补偿电缆运行热胀要求&缓冲层可以是!半导电*弹性*吸水膨胀"绕包带*!纵向阻水性能的"金属丝屏蔽布带’对于皱纹铝套要求是应满足短路容量*材料的纯度和伸长率要求+可以看出.缓冲层或具有纵向阻水材料/的具体技术指标不够明晰&尤其是.与相接触的材料应相容/更难以考核’对缓冲层的厚度及带材绕包要求的规定也不够具体’对皱纹铝套并未规定其承担机械力学性能的要求+当然&标准也不可能将所有材料及其在电缆中的结构与性能规定得非常具体&还应给制造商留有设计空间+然而&高压与超高压HI C J 绝缘电缆在市场上&由于竞争或工艺差别而导致缓冲层用带材*纵向阻水材料*缓冲层结构*金属屏蔽!套"结构设计与工艺控制上仍有差异&使得近年来电力系统运行的HI C J 绝缘高压电缆中&因缓冲层发生的故障与隐患增多+因此&本文在新远东电缆有限公司与西安交通大学电气绝缘研究中心于"+$,年合作研究#高压H I C J绝缘电缆金属护层及其内部缓冲层结构对电缆运行可靠性的试验研究$结果的基础上&就缓冲层材料*结构*金属护层结构应用有限元商业软件!@RV T V"对高压电缆在运行状态下的电场进行了仿真计算和分析&提出了缓冲层材料*结构与金属护层结构优化设计与建议+#R缓冲层#金属护层对电缆的作用与影响#S#R缓冲层的作用在高压与超高压H I C J绝缘电缆的金属护层与缆芯之间均有缓冲层+缓冲层具有半导电特性&与绝缘半导电屏蔽层紧密接触&与金属护层!屏蔽层"要求也应相接触&能有效缓冲*弱化电场强度分布&能有效缓冲电缆绝缘与金属护层之间的相互作用&遏制绝缘受热膨胀而带来的绝缘变形与损伤+绝缘屏蔽与金属护层间在电缆结构设计上就应留有合适的间隙&而金属护层制造工艺也不可避免地留有间隙&这个间隙也必须由导电的缓冲层来进行填补+对于有纵向阻水的电缆&不仅导体需要阻水设计&且绝缘屏蔽与金属护层间的缓冲层也应具有阻水特性要求+因而&缓冲层绕包带不仅导电且具有吸水膨胀性能&一般采用导电的聚脂纤维无纺布内添加遇水可迅速膨胀的聚丙烯酸酯吸水膨胀粉复合带材绕包&从而&当电缆金属护层有缺陷时能阻止水分沿电缆纵向扩散&实现纵向阻水的目的+#S!R金属护层的作用金属护层即金属屏蔽层&其作用%!$"防止径向透水&避免H I C J绝缘本体接触外界水分而产生水树&作为电缆的径向防水层’!""增强绝缘屏蔽能力&承受零序较大的短路电流&导电性能好&同时具有良好的热稳定性能’!,"对绝缘本体具有抵抗外力机械保护作用&避免在施工中拖曳弯曲*挤压而造成电缆机械损伤+金属护层的种类很多&在我国皱纹铝护层与铅护层用的最多+铅护层由于其柔软*易弯曲*耐腐蚀*密度大&更适合于海底电缆’而皱纹铝护层由于其密度小质量轻*导电性能好允许通过短路电流大*有足够的机械强度&近年来在陆地尤其是城市地下电网系统中运用较多+#S%R缓冲层与金属护层对电缆性能的影响缓冲层一般是由半导电的聚酯纤维无纺织布制成宽度一定的绕包带&厚度为$E#88或"E+88&具有一定的弹性&且密度较小’若为阻水的&其内部添加遇水可迅速膨胀的吸水膨胀粉末+这种材质密度虽小&但内部含有大量的静止空气&其导热性能较差&导热系数与空气相当+随着厚度的增加&传热效果变差&当护套外部环境温度一定时&厚度增加会影响绝缘体的热量散发&从而影响电缆的运行寿命+对于金属护层&仅就大量使用的皱纹铝护层而言&目前皱纹铝护层有.压铝挤制/*.纵包氩弧焊接/*.康仿挤铝/等三种工艺+第一种应用越来越少&第二*三种有增加趋势&这是因为第一种工艺复杂*能耗大*成本高’第二*三种挤出铝护层无缝&而对于超高压电缆铝护层则希望.无缝/+关于纵包氩弧焊接与康仿挤铝的工艺比较与性能特点已有很多文章报道过&这里要补充说明的是铝护层采用.纵包氩弧焊接/工艺其外径与轧纹参数易于控制&相反&采用.康仿挤铝/工艺其铝护层与缓冲层的间隙参数不易控制&虽有采用.金布/绕包措施&但主要依靠轧纹参数进行调节&内部的空气隙比起.氩弧纵包焊接/工艺相对要多+!R缓冲层等材料相关参数的测量对电缆缓冲层结构*金属护层结构设计应用有限元商业软件!@RV T V"对其电场与热场进行仿真计算&需要测量H I C J*内外半导电屏蔽材料*半导电缓冲!阻水"带的介电常数*导热系数等物理参数+ !S#R介电常数的测量!$"H I C J绝缘材料+其介电常数可利用高压西林电桥进行测量&对采集的超净绝缘料的测量结果见图$+图$!H I C J绝缘料的介电常数随温度变化曲线从图$可知&H I C J绝缘料的介电常数随温度变化的规律+随着绝缘介质的温度上升&介电常数逐渐略有减小’电缆在正常运行状态下&导体温度设计为%+i&而绝缘层!含内外屏蔽层"内外温度一般处于%+k*#i&而在这一温度区间&H I C J的相对介电常数为"E$$k"E$&+!""半导电屏蔽料+由于具有导电特性&其介电常数可使用阻抗分析仪!I<^"进行测量&测量结果如图"+从图"可以看到&内外屏材料的介电特性随着温度的升高而降低+内外屏蔽所处的两个不同位置-)-图"!内外屏蔽料的介电常数随温度变化曲线其温度值是不同的&缆芯正常工作时的温度约在&+k %+i &因此内屏蔽处的介电常数取值"$++&外屏蔽处的介电常数取值’$$*!*+i 时"+!,"半导电缓冲!阻水"带+同样属于半导电介质&其介电常数可使用阻抗分析仪!I <^"进行测量&测量结果如图,*图’+图,!半导电缓冲!阻水"带介电常数随温度变化曲线图’!半导电缓冲!阻水"带浸水后介电常数随温度变化曲线从图’可以看出&半导电缓冲!阻水"带浸水后&其相对介电常数随温度升高而急剧上升&达到了$+*左右+!S !R 导热系数的测量对HI C J 绝缘*内外屏蔽材料以及半导电缓冲!阻水"带的导热系数&可使用激光法导热分析仪I U @’’)进行测量&测量结果如图#+如图#所示&图中分别为H I C J !材料压片样"*H I C J !电缆取样"*半导电屏蔽!厚$E +88"*半导电屏蔽!厚,E+88"和半导电缓冲!阻水"带的导热系数随温度变化的曲线+可以看出&随着温度的升高&HI C J 的导热系数首先会缓慢增大&当温度增加图#!HI C J *内外屏蔽与阻水带的导热系数随温度变化曲线到)#i 后随着温度增大而急剧上升+取自高压H I C J 电缆的绝缘制成样品与压片样相比&在低于)#i 时&其导热系数要比压片样的导热系数大&但上升至$++i 时&电缆取样的导热系数虽也有较大上升&但比压片样的导热系数要低+半导电内外屏蔽材料的薄样和厚样也有所不同&薄样的导热系数随温度变化较大&而厚样的导热系数随着温度的升高缓慢增大&趋势稳定+对于半导电缓冲!阻水"带材料&在低温时较大&当温度升高后&导热系数减小!#+i 时为+E +%""&且随着温度的升高逐渐减小&说明半导电缓冲!阻水"带材料的导热效果较差+%R 有限元软件$A 53@3%仿真计算电场分布%S #RZ [H 8绝缘高压电缆模型及有关参数,E $E $!H I C J 绝缘高压电缆模型!$"径向模型图*为HI C J 绝缘高压电缆的结构示意图+电缆结构层次非常清晰&是一种同心圆结构&且每一层的外径参数都是已知的+图*!LM I _+,型高压电缆结构示意图根据HI C J 绝缘高压电缆结构特点&可以认为&电缆的长度与外径相比可视为无限长&因而可忽略电缆端部的电场及热场变化&暂且不考虑半导电缓冲!阻水"带以内的缆芯受重力作用&而将问题简化为平面问题&建立仿真计算理想电缆模型&即同心圆结构模型&如图)所示+通过该模型还可优化各层-&-外径参数&从而得到在不同空气间隙或缓冲层厚度情况下的电场分布*温度分布以及热应力分布+为仿真计算&对电缆模型作如下假设%,,,稳态假设&当电缆发热与散热达到平衡时&电缆温度场分布不随时间改变’,,,常物性假设&组成电缆各部分材料均为各自同性均匀介质&且各部分材料物性参数均为常数’,,,电缆轴向!长度"方向上无温度梯度&只在径向存在热量的传递’,,,忽略电缆各组成部分间的接触电阻+图)!H I C J绝缘高压电缆的径向模型实际上&当电缆水平敷设时&应考虑重力因素&而图)所示的计算模型中&其半导电缓冲!阻水"带与铝护套间是不接触的&通常H I C J绝缘高压电缆的结构设计中&皱纹铝套与半导电缓冲!阻水"带之间根据电压等级!绝缘厚度"单侧留有+E,k +E#88的间隙&这个间隙!空气隙"与半导电缓冲!阻水"带构成了H I C J绝缘高压电缆的缓冲层+在实际运行过程中&由于重力的作用&靠近下方一侧&半导电缓冲!阻水"带与铝护套是接触的&且由于半导电缓冲!阻水"带具有弹性&接触面是局部弧面&这也导致了实际运行中的电缆&其半导电缓冲!阻水"带的结构是不规则的&如图&所示+!""轴向模型图&!重力因素作用下的电缆结构的径向模型!!根据电缆轴对称结构&可选取一段H I C J绝缘高压电缆轴向上的半个切面&建立电缆轴向模型&如图%所示+皱纹铝护层的节距和轧纹深度特征可利用正弦波来进行拟合’H I C J绝缘高压电缆的轴向模型&主要是针对皱纹铝护层的轧纹结构&进行温度分布和热应力分布计算&通过优化铝护层的节距*轧纹深度等参数&可以得到具有不同轧纹结构的铝护层对电缆性能的影响+图%!H I C J绝缘高压电缆的轴向模型,E$E"!$$+FGH I C J绝缘高压电缆参数为便于利用@RV T V软件进行电场分布*温度分布和热应力分布的计算&表$中列出了H I C J绝缘高压电缆在正常工作状况下温度范围内所用材料的部分特性参数+表#RZ[H8绝缘高压电缆各材料的特性参数材料名称介电常数导热系数=_-!8-l"g$热膨胀系数=!$-l g$"弹性模量=c C2泊松比铜导体$++++’+$$E&O$+g#$+++E,"*内屏蔽"$+++E*#&$E&$"O$+g’+E++,,**+E’,%H I C J绝缘"E$)+E’+*"E%$$O$+g’+E+$)&’)+E’,%外屏蔽’$$*+E*+&"E,)&O$+g’+E+")+&%+E’,%半导电缓冲!阻水"带’,#++E+%",E,#*O$+g,+E+"$)")g+E)空气$+E+"’,E,#*O$+g,+E+++$+皱纹铝护层$++++",)"E,O$+g#"#E$k"*E#+E,"k+E,*沥青!防腐层""E"&k"E&&#E#O$+g’$E*+E’?a C J!外护套"+E’$&E#*O$+g*+E$)"+E’,%-%-!!表"中列出了$$+FGH I C J绝缘高压电缆径向模型的各结构参数&导体截面分别为’++88"和$"++88"&用于表征H I C J电缆的载流量大小+为了比较皱纹铝护层结构与缓冲层结构发生改变时的电场和温度分布&分别采取!优化条件$"将气隙缩小+E$88’!优化条件""将缓冲层厚度减薄"88’!优化条件,"取消半导电缓冲!阻水"带层&三种优化情况来分析+表!RUT]##"N OZ[H8绝缘高压电缆径向模型的各层结构参数表!单位%88"结构名称L M I_+,*’=$$+FG$O’++L M I_+,*’=$$+FG$O$"++典型参数优化条件$优化条件"优化条件,典型参数优化条件$优化条件"优化条件,导!体$$E)#$$E)#$$E)#$$E)#"+E)#"+E)#"+E)#"+E)#内屏蔽$,E$+$,E$+$,E$+$,E$+""E)#""E)#""E)#""E)#H I C J绝缘,+E*+,+E*+,+E*+,+E*+,&E)#,&E)#,&E)#,&E)#外屏蔽,$E*+,$E*+,$E*+,$E*+,%E%#,%E%#,%E%#,%E%#阻水带,*E#+,*E#+,’E#+,$E*+’’E&#’’E&#’"E&#,%E%#空气隙,*E&+,*E)+,’E&+,$E%+’#E,#’#E"#’,E,#’+E’#皱纹铝套’"E##’"E’#’+E##,)E$##"E"##"E$##+E"#’)E,#防腐层’"E)#’"E*#’+E)#,)E,##"E’##"E,##+E’#’)E##外护套’*E)#’*E*#’’E)#’$E,##)E’##)E,###E’##"E## %S!R##"N OZ[H8绝缘电缆的径向模型仿真计算电场分布及结果讨论使用@RV T V软件计算H I C J绝缘高压电缆的电场分布&各材料的相对介电常数按表$中选取&计算时可认为铜导体和铝护层是理想导体+计算的边界条件%将导体与内屏蔽的交界面设为#+!为了评价特殊状况选取值$$+FG"+由于铝护层端部采取接地&则认为铝护层沿长度方向均为零电位&故将铝护层与间!气"隙的交界面设置为零电位+,E"E$!不考虑重力因素的理想电缆模型的电场分布从图$+到图$&所示的分别为不同载流量的$$+FGH I C J绝缘高压电缆在不同优化条件下的电场分布等势图+从图中可以看出&无论是哪一种规格的电缆&其电场分布都遵循着电磁规律&即介电常数小的介质电场强度高&而半导电材料的电场强度低+在$$+FG H IC J电缆的电场分布等值图中&L M I_+,*’=$$+FG$O’++电缆的电场强度最高点分布在H I C J绝缘层靠近内屏蔽层的位置&而后沿着电缆半径的方向向外逐渐减小&且在外屏蔽层和半导电缓冲!阻水"带中也保持着同样的分布规律’但在空气隙中&其电场强度值较大&用颜色来进行分辨&为棕黄色&则表示其电场强度值仅次于红色区域&由此可见空气隙中电场强度是较高的+图$’2为图$+所对应的H I C J电缆沿电缆半径方向的电场强度分布值+该图直观地表现了H I C J电缆中电场沿半径方向的分布情况+从图中可看出&空气隙中的电场强度值是与H I C J绝缘中的场强值处于同一数量级&而内外屏蔽层及半导电缓冲!阻水"带中的电场强度与绝缘和空气隙相比可忽略+此时空气隙中的场强已大大超过了空气的击穿场强!,FG=88"+图$’3为气隙发生电击穿后H I C J电缆沿电缆半径方向的场强分布值+图$+!L M I_+,*’=$$+FG$O’++典型参数的电场分布等势图图$$!L M I_+,*’=$$+FG$O’++优化条件$下的电场分布等势图对于L M I_+,*’=$$+FG$O$"++电缆&从图$#k图$&中可以看出&电场强度的最大值分布在空-+$-图$"!LM I _+,*’=$$+FG$O ’++优化条件"下的电场分布等势图图$,!LM I _+,*’=$$+FG$O ’++优化条件,下的电场分布等势图图$’!LM I _+,*’=$$+FG$O ’++沿电缆半径方向的场强分布气隙中&但HI C J 电缆整体的电场强度分布规律与L M I _+,*’=$$+FG$O ’++电缆是一致的+从等势图中还可看出&对于HI C J 绝缘高压电缆&其电压降绝大部分都落在HI C J 绝缘层上&即电缆绝缘主要依靠HI C J 绝缘层来承担&这符合H I CJ 图$#!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++典型参数下的电场分布等势图图$*!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++优化条件$下的电场分布等势图图$)!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++优化条件"下的电场分布等势图图$&!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++优化条件,下的电场分布等势图电力电缆结构的电气设计+尽管空气隙中的电场强度很高&但空气隙很小&一般仅+E,k +E #88&故空气隙上的电压值并不高+通过仿真计算&可得到如表,所示的外屏蔽层*半导电缓冲!阻水"带及空气隙在各种优化条件下的场强值分布范围&各层结构场强值由大到小沿电-$$-缆径向由内而外分布’同时也看到&当减小空气间隙+E$88后&外屏蔽层*半导电缓冲!阻水"带和空气隙的场强都略有提高’当半导电缓冲!阻水"带层减薄"E+88后&对外屏蔽层其场强也略有降低&但不明显&而半导电缓冲!阻水"带中电场分布趋于集中&空气间隙中的场强也有了提升’当去除半导电缓冲!阻水"带后&则外屏蔽层的场强分布趋于均匀&与典型参数下相比&场强略减小&然而空气间隙中的电场更集中且提升&高达%E")FG=88+与典型参数比&增加了$’E%*h+表%RZ[H8电缆缓冲层在不同情况下的电场分布比较!单位%FG=88"L M I_+,*’=$$+FG$O’++L M I_+,*’=$$+FG$O$"++电缆结构典型参数优化条件$优化条件"优化条件,外屏蔽层!"E&%k"E&+"-$+g,!"E%"k"E&,"-$+g,!"E%+k"E&+"-$+g,!"E&&k"E)&"-$+g,缓冲带层!"E*#k"E,*"-$+g,!"E*&k"E,&"-$+g,!"E*#k"E’)"-$+g,,空气间隙$+E"k$+E,$+E,k$+E’$+E*k$+E&$$E,k$$E#!!对于L M I_+,*’=$$+FG$O$"++电缆&由于H I C J绝缘厚度有所减薄&表明有更高的压降落在空气隙以及外屏蔽层与半导电缓冲!阻水"带层上&从而导致场强值上升&尤其是空气间隙的场强远超过了空气的击穿场强!,FG=88"+,E"E"!考虑重力因素情况下的电场分布H I C J绝缘高压电缆水平敷设安装运行较多&实际上&半导电缓冲!阻水"带以内的缆芯受自重影响与皱纹铝套的下部是接触的+对此在进行电场分布计算时&计算单元的选择及边界条件的设定仍保持不变+从图$%可以看出&基于H I C J电缆正常运行情况下的仿真计算&其空气隙中电场强度的分布与外屏蔽层和半导电缓冲!阻水"带一样&处于一个较低场强区域+此时&外屏蔽层的电场强度约为"E,,k "E’FG=8&半导电缓冲!阻水"带中的电场强度约为$E)%k"E"$FG=8&而空气隙中的电场强度则可忽略+在理想情况下&即各材料的介电性能有较好的一致性&H IC J绝缘电缆的各结构层间接触光滑&无接触电阻产生&对于由金属护层!导体"和半导电缓冲!阻水"带相接触所构成的非圆周非均匀空气隙&可认为是一个被屏蔽的空间&因而这里的空气隙中场强分布与半导电缓冲!阻水"带中场强分布相当&可认为是导通的+当半导电缓冲!阻水"带上存有缺陷&导致半导电缓冲!阻水"带与铝护套接触存在不良&或因为皱纹铝护层的轧纹形成的螺旋空气隙空间与半导电缓图$%!L M I_+,*’=$$+FG$O’++在正常运行时的电场分布冲!阻水"带产生接触不良&而产生空气隙存在&此时H I C J电缆的场强分布应根据非重力因素的理想模型来考虑计算分析+由于半导电缓冲!阻水"带既具有导电特性&同时其内部含有大量的静态空气&因此&与其相邻的金属护层能紧密地接触&则对于内部的空气隙或被轧纹金属隔断的空气隙中的电场分布其场强很低’若在电缆长度方向上存在半导电缓冲!阻水"带与金属护层接触不良或气隙过大&则会导致电缆某个部位的空气隙承受电场强度过高&致使此处金属护层局部放电+TR结束语通过测量H I C J绝缘高压电缆所用材料的物理参数和利用有限元!@RV T V"软件对电缆缓冲层不同结构状况下的电场仿真计算&可以发现%!$"目前用于H I C J绝缘高压电缆的半导电缓冲!阻水"带除了具有半导电特性外&遇水膨胀能使!!!$下转第#U页%-"$-图)为芯棒外径-取&88&玻纤复合材料层厚度取+E)88&卷轴直径分别取#+-&##-&*+-的卷绕应力分布图+轴向和环向应力中的一小部分是线性化的&在对比轴向应力后环向应力基本可以忽略+分析表明&随着卷轴半径的增加&最大抗压强度下降+图)!复合芯棒卷绕时应力分布图TR 结R 论!$"试验采用@Q @f P :有限元软件&对复合材料芯棒在卷绕过程中的分布应力进行了分析计算&为后续组合载荷分析做好准备+!""模拟计算了相同芯棒外径卷绕在不同直径的卷轴上时&芯棒内部的等效应力&并指出最大等效应力是集中分布在碳纤维环氧树脂=玻璃纤维环氧树脂复合材料的分界面处+!,"随着卷轴直径的增加&轴向拉=压应力不断减小&两者间成反比关系&为制定国标中卷绕试验的卷轴半径的确定提供理论依据+参考文献!($)!@I @_@^@&Q C :K JJ M &;P >>:^6@178X7V .S 017/017RYW1S 7/[7/47-V 2Z 2S B.Z B S 08X0/2S W/0V (M )9J J J>/2RV C 7-0/a 04.\0/T &"++#&"+!,"%"$%,("$%%6(")!:B7F/.0B ??&]8.Y.?M 6^0.R[7/1080RS 7[80S 244.1X42S 0V -.S B178X7V .S 082S 0/.24V (M )6<78X7V ?2S 0/&"++#&,%!&"%)",()’’6(,)!庄茁&由小川6基于@Q @f P :的有限元分析和应用6第$版(?)6北京%清华大学出版社&"++%6(’)!刘智恩6材料科学基础6第"版(?)6西安%西北工业大学出版社&"++,6(#)!郝元恺&肖加余6高性能复合材料学6第$版(?)6北京%化学工业出版社&##############################################"++,6$上接第#!页%其介电常数随温度上升而变大&但因其内含有大量的空气隙&使其导热特性变差&会阻碍绝缘体散热而影响电缆的载流能力’!""缓冲层的厚度在能保证H I C J 绝缘层受热膨胀的前提下应以减薄为好&可以极大地降低热阻&增加导热效果’!,"有效控制缓冲层与金属护层的间隙!空气隙"或减薄间隙直至紧密接触&将有利于改善缓冲层与金属护层内的电场分布&避免空气隙承受较高的电场强度而与金属护层产生局部放电现象’!’"金属护层的螺旋轧纹并非越深越好&在能抵挡外部机械作用的前提下&应尽可能减小轧纹深度&降低内部的空气隙+因此对于缓冲层与金属护层的结构设计有如下建议%!$"对于半导电缓冲!阻水"带应优选热阻系数小*具有防水!或不透水"的半导电热塑性弹性体材料’!""缓冲层的厚度应通过验证绝缘体的热膨胀计算&并非越厚越好&依据电缆的弯曲特性要求尽可能减薄缓冲层的厚度’!,"尽可能避免金属护层内部的空气隙存在&如采用免轧纹金属护层!平板铝护层"&或采用具有导电性能且受热膨胀的材料来填充金属护层内部的间隙+-*$-。
