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。     

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。     

基于电-热-力场的10 kV电缆终端典型缺陷仿真研究

为了研究电缆终端硅橡胶/交联聚乙烯（SR/XLPE）复合界面典型缺陷对电场、温度场以及应力场分布的影响，采用COMSOL Multiphysics仿真软件建立了10 kV电缆终端仿真模型，对复合界面存在金属微粒、半导电微粒以及划痕缺陷时的电-热-力场分布情况进行仿真。结果表明：电缆终端复合界面存在金属微粒或半导电微粒时，界面缺陷区域的电场、温度场以及应力场存在不同程度的畸变，金属微粒对界面各物理场分布的影响更加明显。对于外半导电层截断处因交联聚乙烯划伤导致气隙缺陷的情况，发现界面气隙缺陷处电场发生畸变进而产生局部热点。界面涂覆硅脂对划痕处电场和温度场的畸变具有明显的改善作用，但划痕区域由于硅脂的填入导致应力分布不均匀，应力呈现两端高中间低的分布规律。     

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。     

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。     

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。     

10kV三相无屏蔽层电缆的多物理场仿真研究

近年来配电网管廊中10 kV三相电缆的金属屏蔽频繁被盗，无屏蔽层电缆极易引发绝缘问题，严重影响配电网管廊的安全性。为此以YJV22型10 kV无屏蔽层电缆为对象，针对深度为1.95 mm、2.45 mm、2.95 mm的划伤，100～300 Pa压强下的挤压变形，0～31.9 mm间距松散结构等状态开展电磁-热-结构场仿真研究。仿真结果表明：不同尺寸的划伤缺陷会引发电缆内部电场发生不同程度的畸变，且在缺陷充水情况下的畸变场强远高于缺陷充空气情况下的畸变场强；无屏蔽层电缆在受到不同大小挤压力后会发生不同程度的形变，进而影响电缆内部电场发生变化，受挤压位置处电场强度大；松散分布的无屏蔽层电缆交流电阻减小，导体温度降低，载流量增大。根据以上分析结果，提出必要的维修措施以避免由畸变场强造成的击穿事故。     

气隙对车载电缆终端电—热场影响仿真研究

在急速温变、振动等工况下,多层热缩复合绝缘结构车载电缆终端绝缘层间容易产生气隙缺陷,气隙将导致电缆终端电场和热场畸变,引起终端内部局部放电及绝缘材料老化.文中通过有限元仿真建立了车载电缆终端气隙三维模型,分析了气隙长度、厚度及跨度对电缆终端热场和电场的影响.仿真结果表明:气隙的存在造成了电缆终端内部电场严重畸变,畸变场...     

非线性应力管电缆终端的电-热场分析

笔者基于变分原理,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,分别利用商用软件Integrated Engineering 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,并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...     

基于响应表面法的非线性电缆终端的材料与结构参数优化

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,并引进了响应表面法,实现了响应表面法与时域有限元方法的结合,针对含非线性应力管(Stress Control Tube,SCT)的电缆终端,进行了材料和结构的参数优化。优化后的结果表明,终端体积达到最小,使用的材料明显减少;损耗明显减少,终端中各部分运行时的温度明显降低,利用响应表面法和有限元相结合的优化方法对电缆终端的设计是可行的。     

10kV交联聚乙烯电缆终端主绝缘含空气气隙缺陷试验

为研究电缆终端主绝缘在含有空气气隙缺陷时对电缆终端电场分布的影响,使用基于有限元法的电场仿真软件,建立了静电场下电缆终端含空气类缺陷模型,并进行了相关的电场仿真计算。结合缺陷宽度不同对电场畸变程度的影响,着重分析了电场畸变最大值的分布规律。该规律显示电缆缺陷的宽度与电场畸变的程度成反比例关系,且最大电场场强值已超过正常的电场场强分布规定值。为验证电场仿真的正确性,采用振荡波电压法进行电缆终端含有空气气隙的相关试验,试验指出空气气隙会引发明显的局部放电现象,继而验证了该类缺陷会引起明显的电场畸变。     

10 kV电缆中间接头典型施工缺陷的电场及局放特性研究

电力电缆故障多发生于中间接头位置,而施工缺陷是引发中间接头故障最主要的原因。为评估电缆中间接头典型施工缺陷的危害性,文中建立电缆中间接头三维有限元模型,分析电缆中间接头存在硅脂涂抹不均匀、主绝缘划伤和接头受潮3种施工缺陷时的电场分布规律,探究不同缺陷位置与场强之间的关系,并搭建工频交流电压局放试验平台对试样进行局放试验。结果表明:硅脂涂抹不均匀时,空气间隙在应力锥周围造成的电场畸变程度最严重;远离应力锥时,场强逐渐减小。主绝缘划伤时,电场畸变最为严重,空气间隙在外半导切断处场强最大。接头受潮后,当水膜位于应力锥附近时,电场畸变程度最为剧烈。相同加压条件下,接头受潮、硅脂涂抹不均匀、主绝缘划伤3种缺陷造成局部放电的次数依次增加。     

接地不良缺陷对高压XLPE电缆终端的影响

为了研究接地不良对高压交联聚乙烯(XLPE)电缆终端的影响,通过ANSYS有限元分析软件建立电缆终端仿真模型以及在实验室环境下进行实物模拟实验,从高压XLPE电缆终端的电参数计算、温度场分析以及化学产物三方面,对接地不良缺陷给高压XLPE电缆终端造成的影响进行了研究,仿真及实物模拟实验结果均表明接地不良会导致高压XLPE电缆终端严重发热。研究结论说明终端接地不良将导致电压悬浮、流经绝缘屏蔽电流过大、温度异常升高,并会相伴产生金属氧化物、羧酸盐等多种化合物,对电缆安全运行造成严重影响。     

皱纹铝套变形对挤包绝缘直流电缆电场分布的影响

为研究高压直流电缆皱纹铝套受力变形对电缆绝缘结构造成的损伤,以及在运行过程中对电气性能的影响,针对500 kV直流电缆开展绝缘线芯热膨胀测试和皱纹铝套压扁试验,确定皱纹铝套变形在绝缘线芯表面造成的缺陷情况。建立有限元模型,分析绝缘场强分布随温差变化情况,以及皱纹铝套变形导致绝缘线芯表面缺陷后的场强分布情况。仿真结果表明：电缆在负载过程中绝缘场强随着绝缘温差的变化而变化,此外绝缘表面存在缺陷会进一步导致场强畸变,且畸变程度与外加电压和绝缘温差有关。     

皱纹铝套变形对挤包绝缘直流电缆电场分布的影响

为研究高压直流电缆皱纹铝套受力变形对电缆绝缘结构造成的损伤,以及在运行过程中对电气性能的影响,针对500 kV直流电缆开展绝缘线芯热膨胀测试和皱纹铝套压扁试验,确定皱纹铝套变形在绝缘线芯表面造成的缺陷情况。建立有限元模型,分析绝缘场强分布随温差变化情况,以及皱纹铝套变形导致绝缘线芯表面缺陷后的场强分布情况。仿真结果表明：电缆在负载过程中绝缘场强随着绝缘温差的变化而变化,此外绝缘表面存在缺陷会进一步导致场强畸变,且畸变程度与外加电压和绝缘温差有关。     

配网电缆接头内部缺陷电场特征研究及电树发展分析

配网交联聚乙烯(cross linked polyethylene, XLPE)电缆的严重击穿故障大多发生在电缆接头处,主要由电缆接头在制造和安装过程中的工艺缺陷引起。文中采用模拟电荷法研究电缆接头4种典型缺陷,即气隙、水膜、金属碎屑和金属外破附近的电场分布特征;然后采用电场计算与随机漫步理论相结合的方法,分析缺陷引发的电树枝的分布规律。同时,测量带缺陷配网XLPE电缆接头样本周围的实际电场分布,并比较测量结果与计算结果。结果表明,采用电场测量的方法可以直接有效地识别电缆接头内部缺陷类型,相比气隙、水膜缺陷,导电缺陷造成的电场畸变更为显著。缺陷引发的电场畸变大于临界电场值时会引起电树发展,电树发展的轨迹长度与场强大小呈正相关,导电缺陷引发的电树枝有较大概率向缆芯方向发展,更易引起XLPE绝缘击穿。     

施工缺陷对超导电缆中间接头内电场分布的影响

中间接头在高温超导电缆中是最薄弱的环节,制造和施工环节中造成的任何缺陷都有可能在运行时产生电场畸变,缩短中间接头使用寿命,施工缺陷严重时可能引发电缆局部放电、击穿等事故。为此本文利用有限元仿真软件分析了绝缘层划伤、绝缘层杂质、超导带焊接毛刺三种典型施工缺陷对接头内电场分布的影响规律。研究结果表明,绝缘层划伤存在空气隙时,最大电场强度随着空气隙厚度增加而减小;而当空气隙厚度保持不变时,最大场强与空气隙长度呈正相关增大。绝缘层残留杂质时,半导电层切断处、超导带焊接部位附近的绝缘层杂质周围电场畸变最严重,且超导带焊接部位周围最大场强大于半导电层切断处。此外,杂质大小、位置及带电与否均会对电场造成很大影响。随着杂质半径增加,超导带焊接部位和半导电层切断附近杂质周围场强近似呈正比例增长;杂质不同电荷量和电性对电场畸变程度同样有重大影响,特别是当部分杂质为电负性时,周围最大场强均超过5MV/m。超导带焊接毛刺的位置及大小对场强有较大影响,其中在超导带焊接部位与绝缘层分界面处场强最大,且沿超导带焊接部位径向的毛刺周围场强高于沿轴向的场强。研究成果为分析超导电缆故障原因,制定接头施工工艺提供一定参考。     

预制式电缆终端应力锥安装错位的影响分析

运用有限元法,研究了电缆终端应力锥安装错位时的高压静电场的分布和数值大小,计算了加载110 kV恒定电压于电力电缆上时,其终端的静电场分布与数值。应力锥正确安装时,覆盖电缆半导电层为60 mm,分析了应力锥覆盖电缆半导电层50、46、73 mm的电场分布和半导电层末端周围的电场畸变。最后对不同模型的仿真结果进行了比较,得出,应力锥安装过盈时,即覆盖半导电层超过60 mm,电场畸变严重,在工频下存在剧烈的局部放电现象。通过现场试验,验证了有限元分析结果的正确性。