电缆终端应力锥错位缺陷对界面温度及应力分布的影响

电缆终端内部缺陷会造成终端内部电场分布不均、局部温度升高与应力分布变化，可能引发局部放电造成绝缘击穿。为研究终端应力锥错位缺陷对电缆界面温度及应力分布的影响，分别建立了电缆终端安装不足与安装过盈情况下的电缆终端错位缺陷模型，并进行电-热-力多物理场耦合仿真分析。结果表明：电缆终端绝缘屏蔽层截断处是电缆终端的薄弱部位，终端界面温度和界面压力都会在绝缘屏蔽层截断处发生突变。当电缆终端存在安装不足缺陷时，终端屏蔽层截断处与应力锥根部之间会出现电场升高区域，在安装位置为-7.5 mm时界面温度最高，绝缘界面压力值升高，且安装位置为-2.5mm时绝缘承受的压力值最大；当电缆终端存在安装过盈缺陷时，绝缘屏蔽层截断处会发生电场畸变，电场突变量随着偏移量的增加而增大，在安装位置为+5.0mm时绝缘界面压力值最大，且界面压力突变量增加发生畸变。因此，在电缆终端实际设计安装与运行维护中，额外注意应力锥错位缺陷对终端内部应力分布的影响十分必要。     

220 kV干式电缆终端多物理场仿真分析及结构优化设计研究

首先针对220 kV高压干式电缆终端结构，构建相应的仿真模型，并结合绝缘材料非线性电导率方程，研究了增强绝缘部分材料、环境温度、外加电压不同时终端内的电场分布及温度分布；然后对终端存在应力锥安装错位、表面凸起及增强绝缘内存在气泡等缺陷时的电场分布情况进行了对比分析。最后，对应力锥转角形状及应力锥边缘与增强绝缘间的距离两种结构进行优化，并优化后终端的电场分布进行分析，同时提出了最佳的应力锥边缘与增强绝缘间的距离。结果表明：非线性硅橡胶绝缘材料能较好地均化电场；外界环境温度改变会使内部线芯与外部伞裙的温差减小，且随着环境温度升高终端内最大场强明显增大；应力锥安装错位类绝缘缺陷使得三相交界点处场强急剧增大；应力锥表面凸起类绝缘缺陷使得终端内局部场强急剧增大；当增强绝缘内部存在气泡时，气泡尺寸对电缆终端内最大场强的影响较小；将应力锥转角改变为圆弧状，转角处场强降低了75.26%，可适当增大应力锥边缘与增强绝缘的距离至5 mm，从而减小应力锥转角处场强。     

卜字型电缆引下干式电缆终端头的力学与电学特性联合分析

卜字型电缆引下布置中由于干式电缆终端头弯曲形变导致电缆局放加剧、断裂等故障的情况已有报道,但目前尚未见电缆终端头弯曲形变程度与所受应力及电场强度的量化计算和关联性分析。鉴于此,根据卜字型电缆引下布置的结构特点,定义了弯曲角,并推导了量化计算弯曲形变和所受应力的数学模型;此外,沿终端头弯曲路径建立了电缆终端头内外部电场计算的数学模型,并以YJLW03-Z 64/110kV 1×400 mm~2型干式电缆终端头为例进行了仿真分析。研究结果表明:随着电缆弯曲角度的增大,终端头的最大形变量与终端内部所受应力均呈增大趋势,终端最大形变处各介质材料所受的最大应力增幅显著;电缆终端头内部电场强度与伞裙尖端电场强度呈增大趋势,且伞裙尖端电场强度增幅显著。通过力学和电学的联合分析,综合考虑电缆终端头各介质材料的抗拉强度和击穿场强,建议卜字型电缆引下干式电缆终端头的弯曲角不超过5°。     

基于电-热场联合分析的EPR中压电缆终端异常热点仿真分析及优化

25 kV乙丙橡胶(EPR)中压电缆终端因其自身的结构特性,内部电-热场分布不均,局部易出现异常畸变热点问题,而在安装电缆终端时出现的划伤缺陷加大了问题的严重程度,加速缺陷周围绝缘材料的老化,大幅降低了绝缘性能。为解决该问题,提出了一种电导率与电场、温度相关的非线性应力管材料,采用COMSOL仿真方法对比研究了使用高介质材料与非线性材料制作应力管时电缆终端内部的电-热场分布。结果表明,经优化后电缆终端的电-热场分布畸变程度能得到有效缓解;对于存在划伤缺陷的情况,优化后的电缆终端的电-热场畸变程度低于其出现击穿现象的阈值,表明其能够在缺陷情况下相对安全运行。同时采用热成像仪现场测试电缆终端温度分布,结果验证了经优化后电缆终端表面异常发热情况的改善效果。     

基于多物理场的预置式（插拔式）海底电缆终端电场优化研究

电缆终端电场分布优化研究是海底电缆安全运行和试验迫切需要解决的问题,为提高其运行的安全性与可靠性,可对电缆终端电场分布进行优化。文中基于有限元法对海底电缆终端电场进行多物理场耦合研究分析,综合考虑终端实际运行环境及实际生产情况,采用电流—温度—电压仿真法对电缆主绝缘及应力锥绝缘部分材料进行优化分析,同时对应力锥金属部分曲率及应力锥金属与绝缘部分比例分配进行优化,寻求终端电场分布的最优化。结果表明:采用与电场、温度相关的非线性材料对终端电场分布很大改善,应力交界点电场强度降低幅度为25.83%,交界面上的最大电场强度降低幅度为12.91%;对金属应力的曲率和金属与绝缘部分比例分配分别优化和同时优化作对比,当金属应力的曲率半径为81 mm,增加金属应力20 mm时,电场改善程度最大,应力交界点电场强度降低幅度达到27.47%,交界面上的最大电场强度降低幅度也高达24.55%,提高了海底电缆终端的可靠性与安全性。     

高寒环境下低温对乙丙橡胶电缆终端界面放电特性的影响

乙丙橡胶(EPR)电缆作为高铁列车中应用最为广泛的电缆类型,其终端在高寒环境下接连出现多起击穿事故。为研究高寒环境下低温条件对EPR电缆终端击穿过程及界面间放电特性的影响,以实际运行中EPR电缆终端为试验样品,建立能够模拟最低温度可达-50℃的高压低温试验系统,对比研究20～-40℃范围内终端绝缘的局部放电特性及材料性质变化。结果表明:高寒环境下,EPR绝缘层和应力控制管(SCT)的弹性模量与自由空间体积等性质的差异,导致二者间易出现结构性缺陷,诱使终端内部局部放电现象的出现;低温条件下局部放电的起始电压和熄灭电压与常温相比均降低40%以上,击穿概率显著增大,放电图谱有明显的形状特征改变。经试验验证得出:高压低温条件下终端内部EPR/SCT界面间很容易出现结构不匹配现象,导致放电产生,严重威胁EPR电缆终端的安全稳定运行。     

热老化对车载高压电缆终端应力控制管/EPDM复合层间界面放电特性的影响研究

车载高压电缆终端应力控制管(以下简称“应力管”)与乙丙橡胶(EPDM)所组成的复合层间界面间频繁发生放电现象,是造成终端绝缘击穿故障的常见部位,而应力管热老化特性变化又是影响其放电发展过程的关键因素之一。为探究应力管热老化特性对复合层间界面放电特性的影响规律,依据车载高压电缆终端特殊的绝缘结构及实际运行工况,分别在热老化温度为100℃、125℃和140℃三种老化环境下设计了应力管人工加速热老化试验,通过自制了老化应力管试样/EPDM复合层间界面模型和强极性针-板电极模型,搭建复合层间界面闪络试验平台,探明了不同老化条件下应力管试样对复合层间界面起始放电电压和闪络电压的影响规律;建立了应力管表面电荷输运模型,从微观层面探明并揭示了不同老化条件下应力管表面的载流子电导率、迁移速率的变化对复合层间界面模型放电特性的影响机理。通过以上研究,间接揭示了实际电缆终端复合层间界面的放电发展过程及演变规律。     

110 kV预制式电缆终端界面压力的研究

采用铝质薄壁圆筒代替电缆完成终端的实际套装过程,通过电测法及弹性力学理论测试分析110 kV预制式电缆终端与应力锥之间的界面压力;通过有限元仿真分析及计算结果与试验结果的比较,得到合理的有限元仿真分析模型并模拟终端套装过程;建立多个不同过盈量的分析模型,研究过盈量、硅橡胶材料参数和弹簧压缩量对界面压力的影响.结果表明:界面压力最大值出现在应力锥最大半径中间位置;在弹簧压缩至90 mm之前,界面压力与弹簧压缩量具有明显的正比关系,在弹簧从90 mm压缩至85 mm过程中,界面压力的变化很小.界面压力受过盈量和电缆截面面积的综合影响,受应力锥弹性模量影响较大而与交联聚乙烯(XLPE)绝缘层的弹性模量基本无关.     

含非线性应力管的电缆终端的电-热场分析

基于变分原理推导了非线性的时域有限元电场计算方程和稳态热场有限元方程,并分别利用商用软件IntegratedEngineering Software和有温度分布解析解的轴对称电缆结构验证了编制程序的正确性。然后,利用该方法分析了含线性、非线性以及复合结构的应力管时的电缆终端电场和热场分布。分析结果表明,线性、非线性以及复合结构的应力管在均匀电缆终端的场强分布时,适当的选择其结构和材料的参数都能很好的均匀终端的场强分布,但含非线性应力管的电缆终端的损耗和温升远小于含线性以及复合结构应力管的电缆终端。这为冷缩式电缆终端设计提供了一个指导方向。     

220 kV电缆线路终端故障及仿真分析

为分析某220 k V电缆线路终端应力锥、电缆表面贴合状态与故障发生的深层次原因,本文对某220 k V故障电缆终端开展故障解体、X射线检测以及仿真工作,分析发现接头应力锥过盈量高于安装工艺要求,且搭接面表面不平整。在应力锥、电缆表面贴合良好时,运行电压下应力锥、电缆主绝缘最大电场强度均远小于对应绝缘材料的击穿场强,而应力锥、电缆表面贴合不良交界面存在微小气隙时,运行电压下气隙内部电场强度大于空气击穿场强,表明运行电压下气隙内部存在放电现象。因此,电缆终端应力锥、电缆表面贴合不良、交界面存在微小气隙时,在运行电压下,气隙内部长期放电引起主绝缘破坏是造成电缆故障的原因。     

空间电荷效应对直流电缆及附件绝缘界面电场分布的影响

电缆与附件(终端或接头)的绝缘界面一般为绝缘的薄弱环节,直流电压协同温度梯度效应将导致其界面间的空间电荷量增多。为此,基于直流电缆运行中的温度梯度效应,通过测量直流工作电场下硅橡胶(SR)/交联聚乙烯(XLPE)双层介质界面的空间电荷特性,建立了电缆接头套接电缆上的仿真模型,根据SR及XLPE的电阻率-温度特性及空间电荷测量结果,探讨了温度梯度场下空间电荷效应对直流电缆及附件界面电场的影响。研究发现:随着温度梯度(温差)的增加,电缆与附件界面的积聚电荷量增大。温度梯度效应有助于增加电缆与附件界面应力锥侧的电场强度;存在空间电荷效应时,温度梯度场下电缆与附件界面应力锥侧的电场强度略有减小,同时高压屏蔽管侧的电场强度略有增加。     

基于耦合场计算的击穿电弧对电缆温度及应力影响研究

电缆绝缘击穿常发生在电缆接头处,击穿电弧对电缆会造成严重的温升和形变,严重威胁电力安全。文章针对电弧发生时的复杂物理过程,提出顺序耦合的计算方法,研究电缆接头复杂的温度场和应力场分布。研究表明电弧损耗受电弧电流大小影响呈非线性指数关系,电弧区域温度和应力呈现波浪型增长。相对电缆表面,电缆内部绝缘受电弧的应力冲击较为严重。研究成果不仅能有效评估电缆内部缺陷及其发展过程,还为研究电缆绝缘材料受电弧击穿的老化特性提供科学依据和理论基础,具有重要的科学和工程意义。     

220kV电缆终端应力锥在力场中的数值模拟分析

电力电缆系统的故障主要发生在电缆附件部分。在220kV交联电缆附件开发过程中，橡胶应力锥的压力分布状态是要解决的关键问题，应用220kV电缆终端的结构型式和工作原理，建立了该种电缆终端结构的数值仿真模型；结合橡胶材料的Rivlin应变能函数模型，采用增量分析方法．建立了非线性有限元方程组；应用Newton—Raphso迭代得到应力锥的位移．并计算了应力分布；报据应力锥内外侧的应力分布曲线，综合分析了应力锥轴向和径向应力状态。结果表明：橡胶材料及其结构形式对220kV电缆终端应力锥应力分布的影响十分明显．实际工程设计中应选择适当的橡胶材料及相应的结构形式。     

牵引机车过分相时高频谐波分析及对电缆终端发热问题研究

针对牵引机车在过分相时产生高频谐波以及由此导致应力控制型电缆终端绝缘迅速裂化的问题。文中研究牵引机车在过分相时网压、网流及电压波形畸变率的变化,及由此高频谐波对电缆终端的影响。实验通过搭建高频高压老化实验装置,利用高频高压发生装置对电缆终端施加不同的频率和电压,使用红外热成像分析高频谐波对电缆终端热点的影响。此外,通过电场仿真发现,在高频电压作用下,电缆终端外半导电层截断处的场强要明显大于工频电压下的场强。结果表明:机车在过分相时网压、网流波动比较明显,并由此带来的谐波比较严重,高频谐波含量比较丰富,在高频电压的作用下,应力控制型电缆终端的热点温升要明显高于工频电压下的温度变化。     

冷热交替对车载电缆终端内部结构及绝缘性能的影响

为探究冷热交替对车载电缆终端内部结构与绝缘性能的影响,设计了冷热循环试验,并在每次试验后对车载电缆终端的局部放电量进行测试,同时设计了对照组用于解剖,以观察车载电缆终端内部结构的变化.试验结果表明,控制管与热缩管之间的交界处为车载电缆终端较薄弱的环节.     

一起35kV断路器室内电缆过热故障的分析和处理

金华电业局修试工区高试班某日对220kV云山变进行设备红外测温,发现35kV断路器室内2号电容器电缆A相应力管以及电缆终端连接处发热。当天环境温度为20℃,具体测温结果为：电缆A相应力管温度为30．2℃,A相电缆终端连接处温度为29．0℃。两处的正常温度应为21℃,计算可知A相应力管的相对温差为90．2％。     

10kV XLPE电缆终端电场分布与调整

以Maxwell2D为有限元法求解工具,建立工频电压下的XLPE电缆终端数值计算模型,同时考虑了介质介电常数和电导率对电场分布的影响,计算分析了几种应力锥结构尺寸下电缆终端内部的电场分布,得到了应力锥结构尺寸与电缆终端内部电场分布的关系,为应力锥结构尺寸的合理设计提供了理论依据。     

基于热力耦合的高压大截面电缆应力和形变研究

为了研究高压大截面电缆运行过程中受热产生的应力和形变,根据传热学和弹性力学基本理论,利用有限元方法建立高压大截面电缆热力耦合模型计算其应力及形变。根据计算结果得到电缆各层温度、应力和形变的分布特性。通过对不同负荷电流下的温度、应力和形变数据进行拟合,提出相应的快速计算公式。结果表明:导体与绝缘层交界面的接触应力最大;最大轴向形变出现在绝缘层;外护层与缓冲层的径向形变较大;温度、应力和形变可由与负荷电流相关的二次多项式进行快速计算。     

冲击电压下35 kV预制式电缆终端的破坏机理研究

本文建立了35 kV预制式电缆终端仿真模型,仿真计算了冲击电压下电缆终端的电、热和机械应力分布,对本体绝缘、半导电层以及屏蔽层的电场、温度及应力进行了计算分析,同时考虑了不同频率谐波对电场分布的影响。结果表明：高频信号对介电常数的影响不会导致电场强度发生较大畸变,电场强度变化不明显,同时,冲击电压作用引起的电缆终端温升较小,其影响也基本可以忽略。冲击电压造成半导电层与应力锥相交处的机械应力增加,最大径向应变达到2.54%,使得该位置极易产生气隙,是造成电缆终端破坏的主要原因。因此,在材料选型及结构设计过程中除了要考虑电场优化,还应考虑材料的弹性应变。     

内部气隙缺陷对车载电缆终端电-热场分布特性的影响研究

车载电缆终端作为高速列车能量传输的重要枢纽,探明气隙缺陷对电缆终端电场、热场分布影响有重要意义。基于电磁场理论和热传导理论,建立了正常电缆终端、含气隙缺陷电缆终端电-热场耦合有限元模型,研究了内部气隙缺陷作用下电场、热场的分布规律。研究发现,正常电缆终端内部存在电场畸变,气隙缺陷的存在会加强电场畸变程度,并使内部电场强度增大;正常电缆终端内部温度从缆芯至伞裙沿径向逐渐降低,伞裙外表面温度接近环境温度,气隙缺陷作用下内部温度分布发生畸变,缺陷及其周围温度较高,表面温升增大。仿真结果为车载电缆终端内部缺陷检测提供了理论支撑,对高速列车安全稳定运行具有工程意义。