一种高压交流电缆中间接头应力锥的设计方法与流程

本发明涉及高压交流电缆附件设计技术领域，更具体地，涉及一种高压交流电缆中间接头应力锥的设计方法。

背景技术：

高压交流输电技术的输电线路一般采用的是以聚合物为绝缘的塑料电缆。交联聚乙烯(xlpe)以其优越的性能以及在高压交流电缆上的成功运用而成为交流电缆绝缘材料的首选。

高压交流电缆通常需要与接头附件连接，连接时剥除绝缘材料，从而使屏蔽末端电应力集中，因此需要在附件中用装置应力锥消除应力。设置的应力锥增加了导体到屏蔽层间的距离，使电力线展开并在高压区域增加了额外的绝缘。

现有高压电缆多数采用预制式附件，附件内半导体内屏蔽、主绝缘、半导体外屏蔽及应力锥全都在工厂预制成型。应力锥对于附件降低电应力的功能至关重要。现有的应力锥设计方法着眼于材料的介电常数，而没有考虑到交流电缆中附件在扩张情况下电场分布与扩径程有关。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高压交流电缆中间接头应力锥的设计方法，该方法可以根据不同的扩径率，实现确定应力锥具体形状的目标，使电场计算更加方便有效。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高压交流电缆中间接头应力锥的设计方法，其中，包括如下步骤：

s1.采用数学模型软件建立连接有电缆的预制接头的模型；

s2.不断改变步骤s1中得到的模型中预制接头的扩径距离x，从而得出一系列对应的应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h以及应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l，并计算出每个扩径距离x对应的应力锥根部与预制接头内表面的切角α；

s3.采用最小二乘法线性拟合分别得出应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h与扩径距离x之间的函数关系式、应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l与扩径距离x之间的函数关系式以及应力锥根部与预制接头内表面的切角α与扩径距离x之间的函数关系式；

s4.将实际需要的扩径距离x带入到所述步骤s3中所得到的各函数关系式中，即可得出实际需要的应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h、应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l以及应力锥根部与预制接头内表面的切角α，其中实际需要的扩径距离x选取需要满足扩径后预制接头内部界面压力小于5mpa。

进一步的，所述步骤s2中，将连接有电缆的预制接头等效为同心圆柱体，扩径距离x为预制接头扩径后内表面半径与预制接头初始内表面半径r之差，应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h即为应力锥端部高度，应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l即为应力锥端部长度。

进一步的，所述步骤s2中，应力锥端部为应力锥顶端圆弧中点，应力锥根部为应力锥与预制接头内表面相切点。

进一步的，所述步骤s2中，扩径距离x与预制接头初始内表面半径r的比值为扩径率p，不断改变模型中预制接头的扩径距离x时需满足扩径率间隔δp为定值。

进一步的，所述步骤s2中，将应力锥根部和预制接头结合处采用有限元分析方法等效为直角三角形，根据以下三角函数公式计算应力锥根部与预制接头内表面的切角α：

式中，a，b分别表示直角三角形的底和高。

进一步的，所述步骤s3中，最小二乘法线性拟合的拟合公式如下：

y＝anxⁿ+an-1x^n-1+…+a1x+b1

式中，an、an-1、…、a1、b1为最小二乘法线性拟合后公式的系数。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

本发明的应力锥设计可以根据不同的扩径率，实现确定应力锥具体形状的目标，使电场计算更加方便有效。

附图说明

图1是本发明的设计原理示意图。

图2是本发明预制接头整体结构示意图。

图3是本发明中应力锥根部和预制接头结合处采用有限元分析方法等效为直角三角形的示意图。

图4是本发明中应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h与扩径距离x之间的函数关系图。

图5是应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l与扩径距离x之间的函数关系图。

图6是应力锥根部与预制接头内表面的切角α与扩径距离x之间的函数关系图。

图中：1-应力锥；2-预制接头中心线；3-预制接头内表面；4-预制接头中轴线；5-电缆外屏蔽层；6-电缆绝缘层；7-预制接头绝缘层；8-高压屏蔽管；9-预制接头外屏蔽层；10-线芯连接屏蔽管；11-电缆线芯。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

一种高压交流电缆中间接头应力锥的设计方法，其中，包括如下步骤：

s1.采用数学模型软件建立连接有电缆的预制接头的模型；

s2.不断改变步骤s1中得到的模型中预制接头的扩径距离x，从而得出一系列对应的应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h以及应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l，并计算出每个扩径距离x对应的应力锥根部与预制接头内表面的切角α；

s3.采用最小二乘法线性拟合分别得出应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h与扩径距离x之间的函数关系式、应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l与扩径距离x之间的函数关系式以及应力锥根部与预制接头内表面的切角α与扩径距离x之间的函数关系式；

s4.将实际需要的扩径距离x带入到所述步骤s3中所得到的各函数关系式中，即可得出实际需要的应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h、应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l以及应力锥根部与预制接头内表面的切角α，其中实际需要的扩径距离x选取需要满足扩径后预制接头内部界面压力小于5mpa。

如图1所示，所述步骤s2中，将连接有电缆的预制接头等效为同心圆柱体，扩径距离x为预制接头扩径后内表面半径与预制接头初始内表面半径r之差，应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h即为应力锥端部高度，应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l即为应力锥端部长度。

本实施例中，所述步骤s2中，应力锥端部为应力锥顶端圆弧中点，应力锥根部为应力锥与预制接头内表面相切点。

本实施例中，所述步骤s2中，扩径距离x与预制接头初始内表面半径r的比值为扩径率p，不断改变模型中预制接头的扩径距离x时需满足扩径率间隔δp为定值。

如图3所示，所述步骤s2中，将应力锥根部和预制接头结合处采用有限元分析方法等效为直角三角形，根据以下三角函数公式计算应力锥根部与预制接头内表面的切角α：

式中，a，b分别表示直角三角形的底和高。

本实施例中，所述步骤s3中，最小二乘法线性拟合的拟合公式如下：

y＝anxⁿ+an-1x^n-1+…+a1x+b1

式中，an、an-1、…、a1、b1为最小二乘法线性拟合后公式的系数。

如图2所示，本实施例中，预制接头由外到内依次为外屏蔽层、绝缘层、内屏蔽层。预制接头外屏蔽层和内屏蔽层所用材料为添加导电炭黑的硅橡胶，预制接头绝缘层所用材料为硅橡胶(sir)，电缆绝缘层所用材料为交联聚乙烯(xlpe)。选取固定扩径率间隔δp＝7％，然后折算成扩径距离x，分别计算得出对应的应力锥根部与预制接头内表面的切角α、应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l，应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h。将得到的数据导入matlab软件，

参照最小二乘法采用拟合公式：

y＝anxⁿ+an-1x^n-1+…+a1x+b1

得出应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h与扩径距离x之间的函数关系式、应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l与扩径距离x之间的函数关系式以及应力锥根部与预制接头内表面的切角α与扩径距离x之间的函数关系式分别为：

h＝-1.8974×10^-5x³+0.0042x²-5036x+48.3448(mm)

l＝-0.0012x²+0.5794x+268.5892(mm)

α＝3.3018×10^-7x⁴-5.0908×10^-5x³+0.0035x²-0.1543x+7.1239(°)

应力锥端部到预制接头内表面的垂直距离h与扩径距离x之间的函数关系图、应力锥端部到预制接头中心线的垂直距离l与扩径距离x之间的函数关系图以及应力锥根部与预制接头内表面的切角α与扩径距离x之间的函数关系图分别如图4、图5和图6所示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。