高压电缆接头防爆保护装置的泄能孔优化设计方法

金属型高压防爆保护装置的泄能孔设计是实现其防爆功能的关键。本文提出了金属型高压电缆接头防爆保护装置泄能孔的设计原则和优化方法;通过热源等效和基于多物理场耦合的有限元计算方法,对保护装置内部发生短路电弧的爆炸时装置内部冲击过程进行仿真计算,并通过燃弧试验验证了仿真方法的准确性和可靠性。通过仿真计算出封闭设备泄压面积计算公式的关键参数,得到泄能孔开口尺寸的阈值;仿真了装置内部短路电弧爆炸时最大气压出现时刻以及该时刻下不同泄能孔尺寸所对应的保护装置内壁上的压强分布,得到保护装置内部最大压强与泄能孔开口尺寸的函数关系,进而得到保护装置的泄能孔最优开口尺寸。以35 kV电压等级为例,计算得到金属型保护装置的泄能孔尺寸为60 mm。该优化设计方法可为35 kV及以上电压等级的高压电缆接头保护装置的泄能孔设计和制造提供理论基础和设计方法。     

110 kV交联聚乙烯电缆接头防爆技术及其温升特性研究

由于电缆接头爆炸事故发生的频率越来越高,严重影响了供电可靠性和检修工作人员的生命安全。为将电缆接头爆炸的危害降到最小,市场上出现了电缆接头防爆器,这种防爆器将电缆的爆炸区域限制在了防爆器腔体内部。为了得知市场上的防爆器能否承受接头爆炸冲击,并分析防爆器对电缆接头温升的影响,研究以市场上的一种电缆接头防爆器为例,分析计算了电缆接头爆炸对其内壁的应力,并在Abaqus上进行了有限元仿真。仿真结果表明这种电缆接头防爆器可以承受电缆接头爆炸的冲击。在此基础上,还分析了电缆接头防爆器对电缆接头温升的影响,分析表明合理结构的电缆接头防爆器对电缆接头温升的影响不大。     

220 kV金属型高压电缆接头保护装置的泄能孔和壁厚设计北大核心CSCD

针对目前常见的双泄能孔式220 kV金属型高压电缆接头保护装置缺少优化设计方法的问题,文中利用温度场、流场和位移场耦合的有限元计算方法,基于3层迭代算法,提出了优化泄能孔开口尺寸和装置壁厚的设计原则和方法。对不同开口尺寸下220 kV金属型高压电缆接头保护装置内壁的气压分布进行计算,得到了泄能孔开口尺寸r=80 mm,达到最优的泄能效果。进一步以泄能孔设计参数为基础,对装置内壁应力分布进行仿真计算,以保护装置材料可承受的极限应力值作为依据,最终确定保护装置的最佳匹配壁厚d=6 mm,并通过50 kA/200 ms大电流燃弧试验证明了设计的可靠性。经过优化后的保护装置整体材料用量比原有装置减小40%,且进一步降低了加装保护装置后电缆接头的温升效应。文中提出的设计方法和关键参数可为高压电缆接头保护装置的优化设计提供方法指导,提高其技术经济效益。     

基于多物理场的防爆盒对10kV三芯电缆中间接头温升影响研究北大核心CSCD

中间接头是电缆温升严重的环节之一。为了研究防爆盒的使用是否会进一步加剧中间接头的温升,针对城市供配电系统中广泛应用的10 kV三芯电缆中间接头,采用有限元方法建立了三维多物理场仿真模型。分析了防爆盒对接头温升的影响过程、不同防爆盒体积下接头的温升规律、填充石英砂颗粒对接头的降温效果。研究表明:防爆盒内空气受热上浮造成电缆接头局部集中加热,会进一步加剧接头温升;防爆盒体积足够大时,内部形成空气流动通道有利于降低接头温度;防爆盒内填充石英砂颗粒时接头最高温度仅为55℃,比无防爆盒时下降9.5℃。将仿真结果和试验结果进行对比,相对误差在±10%以内,满足工程误差要求。研究结果可为防爆盒在10 kV三芯电缆中间接头的应用和选型提供参考。     

220 kV高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测试及计算

高压电缆接头发生电弧故障时,电弧通道膨胀产生的爆炸冲击波是造成二次事故的直接原因,研究接头的短路电弧爆炸波能对高压电缆接头保护装置的结构设计和防爆性能检验至关重要。文中设计并实施了50 k A/200 ms大电流人工短路燃弧试验,实测了220 kV高压电缆接头保护装置泄能孔释放的爆炸冲击波超压值。建立了电缆接头及保护装置的热—流场短路电弧爆炸仿真模型,计算了不同热源能量时,从泄能孔释放的冲击波超压。通过对比相同条件下人工短路燃弧试验中的冲击波超压实测数值,得到了220 kV高压电缆接头短路电弧的爆炸波能。所得结果可为220 kV高压电缆接头保护装置的设计和检测提供理论依据。     

防爆防火保护盒对电缆接头载流量的影响

随着电缆线路的广泛应用,因接头原因导致的故障和事故越来越多.在高压电缆接头处安装防爆防火保护盒,可有效降低电缆接头爆炸造成的危害.文章针对接头保护盒对载流量的影响情况,建立仿真模型,对比分析安装接头保护盒前后的载流量,并在实验室进行了试验验证.研究结果表明,安装铝镁合金防爆防火保护盒的接头载流量会降低４％左右,说明防爆防火保护盒对电缆线路载流量有一定影响,但影响不大。     

三芯电缆接头温度场计算

电缆接头是电缆线路运行中的薄弱环节,接头的绝缘状态与接头内部的温度直接相关,研究三芯电缆接头内部温升具有重要意义。首先,建立了三芯电缆接头及本体的3维模型,根据接头不同部位的形状采用不同的剖分方式,并将不同形状的网格通过网格耦合进行连接。然后,在考虑接头接触电阻情况下研究了模型中电缆本体的长度对接头温度分布的影响,选择合适的电缆本体长度,并仿真了三芯电缆接头模型的稳态和暂态温度场。最后,在三芯电缆接头温升试验平台开展试验,比较了接头内部温度的测量值和仿真值,相对误差不超过9%。结果表明该文建立的三芯电缆接头模型计算结果准确,可满足工程应用需求。     

机械应力对硅橡胶高压电缆附件运行可靠性的影响

近年来由于高压电缆附件产品（终端与接头）的加工制作、安装施工不当等原因而引发了多起电缆线路故障,导致了爆炸、火灾等,造成了严重的经济损失,并给电网的安全运行带来了极大的风险隐患。为此,针对近年国内发生的多起重大的、具有共性特点的高压电缆附件工程热点故障案例,对故障及非故障接头进行了电树枝观测、材料性能试验以及电场、力学仿真计算,剖析了多起故障发生的共性原因及机械应力对高压电缆附件长期运行可靠性的重要影响作用。研究结果表明：电缆附件预制件承受的机械应力过大时将致使其环向机械应力增加,极端情况下可能导致电缆附件绝缘介质内部发生结构损伤和破坏,即使在较低电场强度下也可诱发电树枝,最终导致电缆附件绝缘介质本体击穿;而电缆附件预制件承受的机械应力较小时,会导致电缆附件预制件与电缆绝缘表面界面压力过小,进而会在界面处产生微小气隙等缺陷,引发界面放电。该分析结果可为后续硅橡胶高压电缆附件结构选型优化、试验检测以及安装质量控制等技术研究和工程实施提供借鉴。     

高压电缆接头压接缺陷下复合材料界面温度和应力变化规律的有限元计算

目前针对高压电缆接头压接缺陷故障发展机制主要从接触电阻过大进而引起过热的角度展开,少有加入应力耦合。然而,高压电缆接头的故障发展涉及到电-热-应力场相互耦合的复杂过程。运用有限元软件建立了220 kV高压电缆接头压接缺陷下的电-热-应力耦合模型,基于该模型主要研究了电缆接头压接缺陷等工况下复合材料界面温度和应力特性的变化规律。研究表明,电缆接头的温度和应力都随接触系数的增加而增加。相较于正常运行时,复合材料界面上的温度和应力均发生了二次畸变,其中应力畸变最明显,复合界面上靠近压接管处的应力值增长了63倍。结合220 kV高压电缆接头故障实例统计,认为压接缺陷引发复合材料界面应力的二次畸变是造成接头故障的重要原因。通过仿真计算得到了接头复合材料界面温度和应力随负荷电流和接触系数变化的多元拟合函数,可为存在压接缺陷故障评估提供经验参考。该研究对指导电缆接头的施工工艺改良和工程实际应用具有重要的理论意义及实用价值。     

微间隙持续放电下电缆接头温度-应力分布及界面开裂规律研究

为深入研究微间隙放电下电缆接头温度与应力的变化规律,探究其对电缆接头复合界面的开裂影响,本文以110kV电缆中间接头为原型,结合实际电缆接头中气隙最常出现的位置建立三维仿真模型。以温度、应力及界面开裂量作为衡量电缆接头损伤程度的指标,在考虑接头附件与电缆本体间初始紧握力与气隙压强的情况下,利用有限元法计算出间隙放电能量...     

高压电缆接头防火隔爆措施的有效性研究

为降低高压电缆故障引发的通道火灾、地铁停运、重要用户停电等影响，电力部门在电缆接头处大量安装了防火毯、防爆毯、防火槽盒等防护装置，但防护效果甚微。文中在分析高压电缆接头防火隔爆现状的基础上，以220 kV电缆接头为样本，测试了接头内主要材料的燃烧温度，并对目前常用的防火毯、防火板、防爆隔板进行了耐火性能的检测。文中通过电缆接头短路故障模拟试验校核了常用防火防爆措施的有效性，结果表明，目前常用的电缆接头防火措施均难以防范试验条件下的短路冲击和持续燃烧，现状高压电缆通道仍存在火灾和电缆群伤风险。在分析现有防护措施性能优劣的基础上，重新改进设计了防护方案，短路试验结果显示，脱离电缆接头的隔爆，单独做防火，难以控制电缆接头短路故障后的火灾风险；以隔板为基础制作的各类槽盒，无法隔离氧气进入且暂无有效的降温灭火措施，试验后电缆接头均会起火；以防火毯、防爆毯为基础的各种包裹，试验防护效果不稳定；预制式防火防爆接头保护盒通过泄压孔释放短路冲击，壳体内空气流通小，基本不会起火。     

高压直流电缆接头稳态与暂态电场分布特征

为探索高压直流电缆接头内部电场分布规律,特别是增强绝缘非线性特征对电缆接头内部电场分布的影响,在制备纳米硅橡胶复合材料基础上,借助有限元仿真研究了高压直流电缆接头内部电场分布特征。通过对不同温度梯度、施加电压、极性反转时间及增强绝缘电导特征等因素下电场分布特征的研究,得出如下结论:电场强度最大值位置随温度梯度与施加电压的变化在应力锥根部与导体屏蔽管端部间转移。应力锥根部电场强度受接头绝缘材料热活化能、非线性相关系数的调控效应显著。在极性反转过程中,电缆绝缘与导体屏蔽管端部电场强度最大值与极性反转时间近似为指数函数关系;然而,应力锥根部电场强度最大值不受影响。在正极性雷电脉冲下,应力锥根部电场强度最大值随热活化能的减小或非线性相关系数的增大而减小;在负极性雷电脉冲作用下,应力锥根部电场强度最大值随热活化能的减小或非线性相关系数的增大而增加。     

基于有限元法对±320 kV直流XLPE电缆中间接头电场与空间电荷的仿真计算

电场、温度场及空间电荷分布是高压直流(HVDC)交联聚乙烯(XLPE)电缆中间接头设计优化的重要参数。为此,利用COMSOL仿真软件计算了组合预制式、整体预制式2种电缆中间接头的电场分布、温度场分布、以及空间电荷分布,并分析了不同类型电缆中间接头各自的特点,提出了选型建议;针对2种类型的电缆中间接头,研究了材料参数、结构尺寸等因素对其性能的影响。结果表明:相较于整体预制式电缆中间接头,组合预制式电缆中间接头拥有更好的应用前景;通过对材料参数以及尺寸的研究发现,当使用硅橡胶(SR)作为电缆附件主要绝缘材料且硅橡胶电导率与电缆本体绝缘XLPE电导率的比值k约为10时,绝缘界面上的电场、温度场和空间电荷分布最优;优化应力锥曲线曲率半径、压接管厚度、内屏蔽层厚度等尺寸均能改善电场分布,且尺寸变化所达到的优化效果不如材料改性的优化效果显著,但却更具针对性。因此高压直流电缆中间接头的设计应以材料研制为主,以尺寸修正为辅。     

弹簧收缩泄能方式的220 kV电缆接头保护装置的防爆设计和测试

玻璃钢无法满足220 kV电缆接头短路爆炸的防爆要求，而铝镁合金防爆装置的直接开孔泄能方法不能防水防潮，无法控制爆炸时喷溅物溅出。文中提出了220 k V电缆接头铝镁合金保护装置的弹簧收缩泄能方式，即在泄能孔加上盖板，由弹簧拉紧，接头短路爆炸时弹簧动作、泄能。通过分析弹簧收缩泄能方式的原理，给出了其设计方法和关键部位的设计原则。利用温度场、流场和位移场耦合的有限元计算方法，确定了泄能孔开口半径最宜为80 mm；得到了弹簧的弹性系数为7.56×10⁴N∕m。以最大应力值小于5系铝镁合金材料的断裂应力为判据，确定了防爆装置的最佳匹配壁厚为8 mm。通过等效电弧能量的110 g 8701炸药的爆破试验证明了设计的可靠性。弹簧收缩泄能方式的保护装置具有防水防潮性能，可进一步降低短路爆炸时喷溅物造成的二次伤害，为输电电缆接头保护装置的防爆设计提供了理论依据和方法指导。     

110 kV电缆中间接头的开/合闸过电压仿真

110 kV电缆线路近年发生过多起断路器跳闸检修后在再次合闸送电时电缆接头爆炸的事故,为寻找接头故障原因,研究了电缆中间接头在断路器开合闸过程中的过电压特性。首先建立中间接头的RLC等效模型,在PSCAD软件中搭建含有中间接头的电缆线路模型,分析开合闸相角、电缆长度和接头数量对接头过电压的影响,找出过电压最严重的接头;再利用ANSYS软件仿真过电压最严重的接头内部电场分布情况。仿真结果表明:B、C相线路60%～75%处的接头过电压较为严重;且开合闸过程中接头屏蔽层的电压含有超过40 kHz的高频分量;接头内部硅橡胶与交联聚乙烯界面场强最大值和高压屏蔽管端部场强最大值均比没有过电压时增加1倍,界面场强最大值超过了安全阈值。在断路器跳闸后合闸送电的过程中,断路器的不同期合闸使得接头承受多次过电压造成的复合界面和高压屏蔽管端部场强的突增以及屏蔽层的高频振荡,容易引发接头故障。     

防爆电气设备电缆引入装置夹紧试验装置的研制

电缆引入装置是允许将一根或多根电缆或光缆引入防爆电气设备内部并能保证其防爆性能的装置。依据GB 3836.1、GB 12476.1标准规定的试验要求,提出了一种防爆电气设备电缆引入装置夹紧试验装置的设计方案。该装置使用标准砝码配重,以钢丝绳及滑轮系统组成的拉力传导系统为试验电缆引入装置加载拉力;装置装载平台可沿水平面正交向X、Y平移并可绕X轴旋转来调节试样的空间坐标,以确保试验精度;应力应变传感器检测拉力值,百分表检测被试件位移量。详细介绍了试验装置的测试方法,试验结果表明该装置稳定、准确、可靠。     

110 kV电缆中间接头的合闸过电压仿真研究

近年来发生多起110 kV电缆中间接头在断路器合闸时爆炸的事故。为研究110 kV电缆接头在断路器合闸送电时的过电压特性,首先建立了电缆中间接头的RLC等效模型;然后在PSCAD软件中搭建含有中间接头的电缆线路模型,分析合闸相角、电缆长度、接头数量对接头过电压的影响,找出过电压最严重的接头;再利用Ansys软件仿真过电压情况最严重的接头内部电场分布。结果表明:B相线路60%～90%处的接头过电压最严重;合闸过程中接头屏蔽层的电压含有超过40 kHz的高频分量;过电压最严重的接头内部硅橡胶与交联聚乙烯界面场强最大值和高压屏蔽管端部场强最大值均比没有过电压时增加1倍,界面场强最大值超过了安全阈值;且断路器的不同期合闸使得接头承受多次过电压造成的复合界面和高压屏蔽管端部场强的突增以及屏蔽层的高频振荡,容易引发接头故障。     

110kV XLPE电缆GIS内锥插拔式快速中间接头的设计EI北大核心CSCD

故障快速修复目前高压交联聚乙烯电力电缆迫切需要解决和完善的问题。为缩短电缆故障时的抢修时间以及节约硬件成本,将电缆终端气体绝缘开关(GIS)技术创新化地运用到电缆中间接头上,开发出了一种用于110KV交联聚乙烯电缆或电缆接头在发生主绝缘故障后临时连接用的GIS内锥插拔式快速接头。利用有限元分析对接头的应力锥、高压屏蔽电极、附件材料电性参数的配合进行了优化设计,得出了最优配合,完成了接头样机的研制并进行了现场试验验证。结果表明:应力锥的轴向长度及端部半径最优值分别为135 mm和25 mm;应力锥与半导体屏蔽层的介电系数比值以及应力锥与主绝缘的电导率比值越小越好;高压屏蔽电极的倒角半径及电极长度最优值分别为10 mm及40 mm。使用设计的接头,可在4 h内完成电缆附件的安装。该接头可以实现异径电缆对接,通用性强,主体部分可以重复使用,满足系统的运行要求。     

110kV XLPE电缆GIS内锥插拔式快速中间接头的设计

故障快速修复目前高压交联聚乙烯电力电缆迫切需要解决和完善的问题。为缩短电缆故障时的抢修时间以及节约硬件成本,将电缆终端气体绝缘开关(GIS)技术创新化地运用到电缆中间接头上,开发出了一种用于110KV交联聚乙烯电缆或电缆接头在发生主绝缘故障后临时连接用的GIS内锥插拔式快速接头。利用有限元分析对接头的应力锥、高压屏蔽电极、附件材料电性参数的配合进行了优化设计,得出了最优配合,完成了接头样机的研制并进行了现场试验验证。结果表明:应力锥的轴向长度及端部半径最优值分别为135 mm和25 mm;应力锥与半导体屏蔽层的介电系数比值以及应力锥与主绝缘的电导率比值越小越好;高压屏蔽电极的倒角半径及电极长度最优值分别为10 mm及40 mm。使用设计的接头,可在4 h内完成电缆附件的安装。该接头可以实现异径电缆对接,通用性强,主体部分可以重复使用,满足系统的运行要求。     

320kV XLPE高压直流电缆接头附件仿真分析和结构优化设计

应用在高压直流输电系统的挤出式交联聚乙烯(crosslinked polyethylene,XLPE)电缆,通常用工厂预制的硅橡胶(silicon rubber,SR)中间接头在现场进行连接。为了研究接头的电场分布并对接头结构进行优化设计,对影响附件电场的电缆绝缘和附件绝缘的材料电导率关系、以及附件应力锥和高压屏蔽管的几何参数进行了深入研究。从两种绝缘材料的电导率和电场、温度的非线性关系入手,结合试验数据,通过数据拟合得到了XLPE和SR的电导率表达式,在仿真分析中代入电导率的表达式,可以判断两种材料的电导率配合是否使得电场分布不超过设计值。通过合理设计应力锥和高压屏蔽管结构,降低了应力锥根部和高压屏蔽管端部电场强度,抑制了绝缘交界面切向方向的电场强度。可知:当应力锥使用该文提出的形状、高压屏蔽管的厚度适当增加且电缆绝缘和附件绝缘的电导率相匹配时,附件电场的分布最优。