高压电缆多应力界面附件装置的建模方法与流程

本发明涉及有限元方法领域，更具体地说，是涉及一种高压电缆多应力界面附件装置的建模方法。

背景技术：

高压电缆附件是电缆线路中绝缘的薄弱环节，容易发生局部放电现象.其质量关系到电缆系统供电的安全性和可靠性，为了改善电缆连接处的电场分布，采用了多种减少电场畸变的终端处理措施:①在电缆绝缘层上施加新的绝缘层,可以增大等效绝缘半径；②在电缆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屏蔽层附近的电位梯度；③在屏蔽层附近加装屏蔽接地环，增大曲率半径；④釆用电缆附件，强迫电场均匀分布等。目前采用第④种方法的较多，主要有绕包式、模塑式、组合预制式和全预制式四种类型,绕包式不适合110kv及以上等级的电缆接头,因而110kv及以上等级电缆的接头型式主要是模塑式和预制式。模塑式电缆接头采用和电缆相同的材料，没有异种材料界面,采用小型挤塑机在模具中挤出并注入与xlpe电缆相同的超净可交联料,并经加热加压固化形成与xlpe电缆绝缘成为一体的接头增强绝缘,是一种小型化、高质量接头，但存在的主要问题是接头质量几乎取决于现场施工,对安装工艺、现场质量监督管理以及施工操作人员技术素质要求很高，且施工时间长。为提高可靠性，使施工简单化，缩短安装时间，降低成本，意大利、英国等开发并推广使用了可以和组合预制式接头相媲美的全预制式接头。该接头可以有效利用原有设备，安装后可以移动和弯曲，且其内部结构致密，并不存在绝缘界面，只要安装完成后将电缆的切向电场强度控制在一个安全值内，就能确保电缆附件安全可靠运行。预制式接头从20世纪90年代以来，迅速普及，随着在275kv等级电缆的实用化发展,500kv等级电缆上的开发试验也已完成，应用预制式接头技术开发的y分支接头已被广泛应用在275kv以下等级电缆上,在欧洲各主要城市,225kv和400kv等级xlpe电缆设备量逐渐增加,组合预制式和全预制式接头成为主流。日本也正致力于开发小型化的预制式终端，以改善和电力系统其他部分的连接和安装。目前中国北京、上海、广州等大城市已经在运行220kv电缆线路,而500kv电缆主要还是作为水电站、抽水蓄能电站的高压端引出线使用。随着城市电网负荷的不断增加，北京、上海等地也正在建设500kv电缆系统,中国已经具备生产包括500kv等级的超高压电缆的能力,但是目前能提供220kv及以上等级电缆附件的厂家不多,500kv电缆附件还处于攻关开发阶段.国网电科院电缆所正在推动500kv电缆本体和220kv电缆附件的国产化.由于超高压电缆挤包绝缘的绝缘厚度减薄趋势的要求,将会使电缆本体绝缘的工作场强提高,如何提高在高场强下运行的电缆及其附件的绝缘性能非常重要，尤其是高压电缆附件的研究，电缆附件是整个电力电缆线路的薄弱点，但是针对它的结构设计、电气性能和高电压试验等研究资料却相对匮乏,除了几个基本公式外，可参考文献较少，传统方法是用多折线和多圆弧样条曲线来近似模拟单应力对数曲线模型，却无法达到理想的设计要求。

技术实现要素：

本发明目的提供一种通过有限元方法，将高压电缆附件装置的应力面设计成多应力界面模型的建模方法，从而使高压电缆附件电场的分布得到更进一步地均匀优化，以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案：高压电缆多应力界面附件装置的建模方法，是采用有限元方法，通过高温硫化液体硅橡胶、半导电材料和高介电常数填料建立多应力界面形状的有限元计算模型，所述有限元计算模型按二维轴对称结构进行建模，其中，增绕绝缘层厚度附件轴向长度附件应力面对数曲线模型方程其中，ε1是电缆本体绝缘相对介电常数；rc是导体层外半径；r是本体绝缘外半径；u1是电缆承受电压，根据不同标准取设计电压uac；rn是增绕绝缘层外半径；εn是电缆增绕绝缘的相对介电常数；et是切向场强；en是法向场强。

附件应力面可采用多折线、多段圆弧样条曲线模型取代对数曲线模型。

本发明的有益效果是：

本发明是应用有限元方法，采用高温硫化液体硅橡胶、半导电材料和高介电常数填料，分别建立单、多应力界面形状的有限元计算模型，设计计算程序，展开电场强度的计算和分析，通过观察了解附件内部每个点的电场分布情况,通过求解观查比较两种模型内部电场的分布情况,多界面电缆附件接头具有更高的技术指标。

附图说明

图1是二维轴对称结构模型结构示意图。

图2是单应力界面有限元二维计算模型结构示意图。

图3是多应力界面有限元二维计算模型结构示意图。

图4是单、应力界面电场强度局部云图。

图5是多应力界面电场强度局部云图。

图6是单应力界面电场强度局部矢量图。

图7是多应力界面电场强度局部矢量图。

图8是单应力界面上电场值图。

图9是多应力界面上电场值图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参见图1-9，本发明公开一种高压电缆终端附件的数学模型与有限元计算模型分析方法，电缆和终端头属于轴对称结构，可按二维轴对称结构进行建模。高压线路中有工频工作场强和冲击耐压场强之分，终端附件装置只考虑绝缘的工频工作场强。模型尺寸大小按传统计算公式通过经验值来计算，如模型图1所示，增绕绝缘层厚度为附件轴向长度并根据电场分布原理推导电缆附件应力面的形状曲线方程如下：由于附件的电场应力面与电缆屏蔽层连接,电位为零，所以附件应力面是一个等电位面，在电缆附件锥面上任取一点f,锥面为等位面,故电力线与之正交。α为过f点的切线与电缆径向方向的交角，则切向场强和法向场强的关系为过f点的法向场强en按圆柱形电场计算，得附件应力面对数曲线模型方程其中，ε1—电缆本体绝缘相对介电常数；rc—导体层外半径；r—本体绝缘外半径；u1—电缆承受电压，根据不同标准取设计电压uac；rn—增绕绝缘层外半径；εn—电缆增绕绝缘的相对介电常数；et—切向场强；en—法向场强。

由于对数曲线方程模型的应力面在机床上成形存在实际加工操作上的困难，数控机床中的刀具不能以曲线的实际轮廓去走刀，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只具备直线插补和圆弧插补的功能，对于非直线和非圆弧曲线则采用直线和圆弧分段拟合的方法进行插补，传统方法是采用多折线和圆弧曲线近似模拟附件应力曲面形状，根本无法达到设计的理想要求。这里采用多折线、多段圆弧样条曲线将附件应力面设计成多应力曲线取代对数应力面曲线模型(见图1所示)。根据图1应按二维场结构模型分析，然而在工程实践中，往往存在许多无界电磁场问题，不能直接利用ansys进行计算，常在远离中心场域处设一电位或磁位衰减为零的人工边界，边界范围取值的大小会影响计算的精度(范围越大，精度越低；范围越小，精度越高)。本发明取35kv高压电缆附件附件为例，根据发明人使用经验取边界范围值为500mm。同时取线芯截面积为50mm²，电缆附件绝缘层长度为70mm。按国家标准“gb/11017--2002额定电压u(um＝(1+10％)u交联聚乙稀绝缘电力电缆及其附件第3部分”,建立单、多应力界面二维有限元计算模型(如图2)，模型中硅橡胶介电常数为εn、交联聚乙烯介电常数为ε1和空气介电常数为ε0,经公式计算和模型参数查找列表1如下，开展电场强度的计算与分析。

表1模型相关参数

有限元计算方法与模型的边界条件：

模型结构的对称性决定了它们的电场分布也呈轴对称性，由于导体外没有自由电荷分布(即ρ＝0)，模型区域内的导体外电场唯一确定,其电位分布满足泊松方程即在模型1求解域内求解按第一类边界条件已找到方程相应的泛函数其中表示电位的梯度，d表示求解域；选用plane121三角形单元去分割，对求解的场域进行离散。该单元属于2维8节点静电单元，单元的每节点只有电压一个自由度，8节点具有协调的电压形函数，能够较好地适应曲线边界。整个域上的泛函可以表示成各单元上泛函之和；引人插值函数并用结点场量表示单元内任一点的场量后，泛函近似转化为多元函数，变分极值近似转化为多元函数的极值；在对场量取偏导并令之为零后，得到每个单的代数方程，在整个求解域中则得到代数方程组，根据图2模型的参数和gb/12706--2008检验依据引入工频耐压强加的模型边界条件(1)式和冲击耐压试验强加的模型边界条件(2)式，求解有限元方程组即可求出各结点场量值。

依据电缆附件附件模型，结合其工作特性方程和材料的性能，输入求解问题的二维拓扑结构和边界条件(这里计算工频耐压试验强加的模型边界条件),设计ansys计算程序，就可自动生成有限元计算网格,然后进行计算、分析并得出结果，考虑电场应力的分布复杂性只取电缆附件单、多应力界面处的电场局部云图和电场强度局部矢量图，图片上的数值表示该点的电场e的大小。

通过电场图可以观察到附件内应力面处附近电场的分布情况。从图可以看到，无论是在电缆附件的直线部分还是曲线部分，电场线都垂直于电缆附件的表面，这是因为电缆附件的表面是一个电压为零等电位面，在电磁场中，等电位面和等电场线相互垂直，电场方向由电缆线芯指向电缆附件表面。同时由图6-7可知附件内界面最容易引起电场应力集中，取附件内应力界面的电场为重点研究对象，在计算模型中设在电缆附件绝缘层上屏蔽层断口处的节点定义为起始节点s，以内应力界面线为映射路径，沿该路径上不同节点距起始节点的路径长度为s(起点s＝0.0000mm),分别得出单、多应力界面上e、ex、ey与s的关系图8-9，其中ex、ey分别表示电场x、y方向的分量。根据图8-9所示，由于沿内界面节点多，数据量庞大，这里取映射路径上的屏蔽层切口处、电场两个波峰值处附近的节点电场值列入表2中，与图8-9中试验数据进行比较。

表2沿映射路径取关键节点的场量数据(单位为v/mm，,s单位为mm)

对比图8-9和表2中数据可以看出e值沿映射路径的变化规律，无论是单应力界面还是多应力面的附件电场最大值远小于25kv/mm(常规设计硅橡胶外表面的最大切向电场强度控制值)，也远小于硅橡胶表面闪络电场强度22kv/mm。再通过表2可知，多应力界面的附件在电缆屏蔽层断口处需增大硅橡胶绝缘厚度，在映射路径中多应力界面附件的两次波峰值均小于单应力界面附件的波峰值，说明多应力界面能使电场的分布得到更进一步地均匀优化。由于多界面之间的联接又能减弱电压波的冲击，使得附件的冲击耐压试验效果非常理想(如表3数据所示)。

表3技术标准与试验数据

本发明是对复杂实体进行了模型简化，采用多折线、多段圆弧样条曲线近似模拟并取代难以加工的对数曲线，建立了单、多应力界面的二维实体计算模型，克服了在机床上成形实际加工操作上的困难，运用了有限元方法分别对建立的二维模型进行了电场仿真分析计算，重点取出附件内最容易引起电场应力集中的应力界面为研究对象，,并将仿真结果和试验进行对比分析，多应力界面附件的电场均匀分布效果更加明显，冲击电压试验结果非常理想。表明了多应力界面的电缆附件设计方案是合理的，有限元的优化方法也是行之有效的，为解决电缆附件装置设计和进一步地电场均匀分布提供了新的思路。这些结论为制造业企业正确运用有限元方法提供可资借鉴的技术依据，同时发挥该方法在质量控制中的作用，希望有限元的方法在工业环境下得到更为广泛的应用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同替换所限定，在未经创造性劳动所作的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。