電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)-110kv電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)分析(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　110kV電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及

2、其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　110kV電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)分析</p&g

3、t;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　在電力系統(tǒng)中，電纜附件是重要的組成部分，在故障發(fā)生的概率中，電纜附件的故障概率約為70%，所以電纜附件的質(zhì)量好壞，直接影響電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，而確保附件質(zhì)量的關(guān)鍵是要有科學(xué)合理的絕緣結(jié)構(gòu)，即用合理的絕緣結(jié)構(gòu)是保證附件質(zhì)量的首要工作。所以電纜連接盒作為電纜附件之一，它的開發(fā)和研究是刻不容緩的事。</p><

4、;p>　　在連接電纜時(shí)會(huì)使電纜絕緣中原來的均勻徑向分布的電場梯度被破壞，此時(shí)的電纜終端電場沿電纜長度方向分布不均勻，比較集中在線芯和金屬屏蔽層處，而且在靠近金屬屏蔽層邊緣處的電場強(qiáng)度最大。所以本文對電纜終端電場分布和連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，主要闡述了高壓電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。并且利用計(jì)算機(jī)對110kv級復(fù)合絕緣高壓電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，通過比較電纜連接盒在有無應(yīng)力錐,有無反應(yīng)力錐，應(yīng)力錐不同形狀和反應(yīng)力錐不

5、同形狀時(shí)的電位分布及電場分布情況，確定應(yīng)力錐及反應(yīng)力錐的作用，優(yōu)化應(yīng)力錐及反應(yīng)力錐的形狀。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電纜連接盒；絕緣結(jié)構(gòu)；應(yīng)力錐；電場分析</p><p>　　The insulation structure analysis of 110kV power cable joint</p><p><b>　　Abstract</b

6、></p><p>　　In the power system, the electric cable accessory is an important part. In the probability of failure, the probability of the electric cable accessory fault is about 70%. So the quality of the

7、electric cable accessory directly influences the power supply quality. The key to ensure the quality of the attachment is to create a scientific and reasonable insulation structure. Namely, using a reasonable insulation

8、structure is the first work to guarantee the quality of the electric cable accessory. T</p><p>　　Connecting the power cables will destroy the electric field gradient of the original uniform radial distributi

9、on in the cable insulation. The electric field along the cable length of cable terminal is uneven distribution, and more concentrates on the line core and metal shield. Furthermore, the electric field strength reaches it

10、s maximum near the edge of metal shield. This paper analyzed the electric field distribution of electric cable terminal and the insulation structure of the cable joint, m</p><p>　　Keywords: electric cable co

11、nnection box; insulation structure; stress-relief cone; electric field distribution</p><p>　　不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p

12、><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.1 電力電纜連接盒的分類1</p><p>　　1.1.2 電力電纜連接盒的發(fā)展趨勢3</p><p>　　1.

13、2 本文研究意義3</p><p>　　1.3 本文主要工作4</p><p>　　第2章 電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)分析5</p><p>　　2.1 電纜終端電場分布5</p><p>　　2.1.1 電纜終端電場分布特點(diǎn)5</p><p>　　2.1.2 電纜終端電場分布的等效回路分析6</p>

14、;<p>　　2.2 電力電纜連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.2.1 主要絕緣結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.2.2 各絕緣結(jié)構(gòu)的作用10</p><p>　　2.3 連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算11</p><p>　　2.4 本章小結(jié)18</p><p>　　第3章 有限元方法及連接

15、盒絕緣模型19</p><p>　　3.1 有限元法19</p><p>　　3.1.1 有限元法基礎(chǔ)19</p><p>　　3.1.2 有限元方法的計(jì)算步驟23</p><p>　　3.2 電纜連接盒絕緣模型24</p><p>　　3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)24</p><p>　　

16、3.2.2 建立電纜連接盒絕緣模型25</p><p>　　3.3 本章小結(jié)26</p><p>　　第4章 連接盒絕緣結(jié)構(gòu)電場計(jì)算分析27</p><p>　　4.1 電場計(jì)算27</p><p>　　4.1.1 建立模型27</p><p>　　4.1.2 網(wǎng)格劃分27</p><p

17、>　　4.1.3 附加邊界條件和求解27</p><p>　　4.1.4 后處理27</p><p>　　4.2 結(jié)果分析29</p><p>　　4.2.1 應(yīng)力錐分析29</p><p>　　4.2.2 反應(yīng)力錐分析36</p><p>　　4.3 結(jié)果總結(jié)43</p><p&

18、gt;　　4.4 本章小結(jié)44</p><p><b>　　結(jié)論45</b></p><p><b>　　致謝46</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p><p>　　附錄A英文文獻(xiàn)48</p><p>　　附錄B中文

19、翻譯59</p><p>　　千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　電力電纜中

20、間連接盒是將兩根電纜連接起來的部件，是高壓及超高壓電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)必不可少的附件。當(dāng)高壓電纜線路較長(一般為500 m 以上) 時(shí)，因電纜接續(xù)以及電纜線路金屬套互連接地的需要，必須采用中間連接盒。目前超高壓電力電纜所用的連接盒，乃是110-220千伏結(jié)構(gòu)的延伸，僅僅是尺寸加大而已。英國已在400千伏線路中使用了這類連接盒。隨著地下電纜線路逐漸作為城市輸電的主要手段，連接盒的使用愈來愈多。</p><p>　　電

21、力電纜連接盒的分類</p><p>　　110kV及以上電壓等級的XLPE電纜在中國已有了20余年的運(yùn)行歷史。這類電纜在安裝后的試驗(yàn)中和運(yùn)行中發(fā)生過不少絕緣擊穿故障。除安裝質(zhì)量外，這些故障主要是由于電纜附件本身存在的缺陷引起的。</p><p>　　目前在中國應(yīng)用的高壓XLPE電纜中間接頭連接盒有4種型式：繞包型、模塑型、預(yù)制組裝型和預(yù)制型。下面將對這4種接頭作簡要地分析。</p&g

22、t;<p><b>　　1．繞包型</b></p><p>　　繞包型式的接頭已應(yīng)用到220kV。為了使電場場強(qiáng)分布均勻并降低軸向場強(qiáng)。繞包型接頭都有兩個(gè)較長的削成鉛筆頭狀的電纜絕緣末端和兩個(gè)由手工或?qū)Ｓ美@帶機(jī)繞成的應(yīng)力錐。由于接頭是在現(xiàn)場用絕緣帶繞包的，特別是在手工繞包情況下，絕緣帶層間就會(huì)包纏進(jìn)一些氣隙和雜質(zhì)。與此同時(shí)，所繞包出的錐的形狀也難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此其設(shè)計(jì)電場強(qiáng)

23、度要比其他形式接頭的設(shè)計(jì)場強(qiáng)低，并且接頭體積較大。此外還存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：</p><p>　　a．對現(xiàn)場的環(huán)境條件要求高；</p><p>　　b．對現(xiàn)場的安裝技術(shù)要求高；</p><p><b>　　c．安裝時(shí)間長；</b></p><p>　　d．運(yùn)行中接頭絕緣部分的外型不穩(wěn)定。</p><p&

24、gt;　　繞包型接頭的主要優(yōu)點(diǎn)是在不同絕緣類型、不同電壓等級和不同電纜截面的使用中具有很高的適應(yīng)性。對于110kV及以下電壓等級的高壓電纜接頭來說，不失為事故備品的一種好形式。</p><p><b>　　2．模塑型</b></p><p>　　模塑型接頭采用與電纜絕緣同樣材料制成的可交聯(lián)帶子繞包。在加以適當(dāng)溫度并經(jīng)過合適的加熱時(shí)間后，在接頭位置上的絕緣層就形成了，所

25、繞包的帶子就會(huì)與電纜絕緣溶為一體。這類接頭與電纜本體在直徑上差別不大。在電纜的軸向上幾乎不存在電場。這類接頭的缺點(diǎn)是：</p><p>　　a．現(xiàn)場的安裝環(huán)境條件和安裝的技術(shù)要求更高，安裝的時(shí)間更長；</p><p>　　b．現(xiàn)場交聯(lián)受多方面因素的影響加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱長度和電纜的截面等)并且難以控制。</p><p>　　這類接頭在我國應(yīng)用較少，且有過事故記

26、錄。除特殊情況，一般不推薦使用這類接頭。</p><p><b>　　3．預(yù)制組裝型</b></p><p>　　預(yù)制組裝型接頭是由置于中間的環(huán)氧樹脂絕緣筒、位于兩端的應(yīng)力錐和壓力元件組成的。當(dāng)應(yīng)力錐與電纜絕緣之間和應(yīng)力錐與環(huán)氧樹脂絕緣之間具有適當(dāng)?shù)膲簭?qiáng)時(shí)，就可得到一個(gè)理想的場強(qiáng)沿應(yīng)力錐均勻遞減的分布。</p><p><b>　　其

27、它的一些優(yōu)點(diǎn)有：</b></p><p>　　a． 由于是在工廠預(yù)制的，所以有較高的絕緣可靠性；</p><p>　　b．現(xiàn)場安裝時(shí)間短：</p><p><b>　　c．易于安裝；</b></p><p>　　d．對現(xiàn)場環(huán)境條件要求較低。</p><p>　　預(yù)制型接頭中也存在一些缺

28、點(diǎn)：</p><p>　　a． 電纜絕緣材料(XLPE)和應(yīng)力錐材料(EPDM)的膨脹系數(shù)與環(huán)氧樹脂的膨脹系數(shù)差別很大。在溫度變化時(shí)各部件會(huì)發(fā)生相對位移。這就需要在接頭的兩端加裝一組壓力彈簧，不僅要保證應(yīng)力錐與電纜之間、應(yīng)力錐與環(huán)氧樹脂絕緣筒之間的壓強(qiáng)，還要保證它們的穩(wěn)定性。因此，接頭的長度增加了，安裝的工作量增多了。</p><p>　　b． 在導(dǎo)電線芯連接前，要將應(yīng)力錐和環(huán)氧樹脂筒套至

29、電纜上，這就增加了電纜外護(hù)套和外半導(dǎo)電層的剝切長度，并且增加了安裝的工作量。</p><p>　　c． 接頭的體積大并且笨重，在安裝過程中耗費(fèi)了較多的勞動(dòng)。例如，在220kV接頭中，其環(huán)氧樹脂絕緣套筒的重量超過了200kg。</p><p><b>　　4．預(yù)制型</b></p><p>　　預(yù)制型接頭被廣泛的用于220kV及以下電壓等級的XL

30、PE電纜。它是由硅橡膠或三元乙丙橡膠(EPDM)制成的。應(yīng)力錐、導(dǎo)體屏蔽、絕緣屏蔽和接頭的主絕緣在工廠中被集為一體。在電纜絕緣與應(yīng)力錐的結(jié)合面上，等位線間的距離很大且很均勻，軸向應(yīng)力遠(yuǎn)低于電纜本體和預(yù)制接頭本體的應(yīng)力。因此安裝工作變得簡單，安裝時(shí)間縮短，并且對現(xiàn)場安裝條件的要求也較低。只要處理好電纜和接頭的界面，就能容易地獲得較高的安裝質(zhì)量。接頭的材料具有較好的彈性，膨脹系數(shù)接近。因此在溫度變化時(shí)各部件之間不易發(fā)生位移。在將預(yù)制件套入電

31、纜時(shí)，半導(dǎo)體材料有可能對電纜絕緣表面產(chǎn)生污染。為了獲得較高的接頭絕緣強(qiáng)度，在套入預(yù)制件的過程中必須確保接頭部分的絕緣不能有任何污染。因此，在套入預(yù)制件時(shí)不做任何防范技術(shù)措施的做法無論如何是危險(xiǎn)的。預(yù)制件套入電纜技術(shù)也就成了安裝這類接頭的技術(shù)關(guān)鍵。</p><p>　　電力電纜連接盒的發(fā)展趨勢</p><p>　　在上面提到的4種電纜接頭中，對于110kV及以上電壓等級的高壓XLPE電纜，預(yù)

32、制型接頭應(yīng)是未來的發(fā)展方向，除了用于事故備品外，繞包型接頭不應(yīng)再被使用。預(yù)制型接頭中“插入”型具有較為理想的結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先使用。對于預(yù)制型接頭，擴(kuò)張技術(shù)也是一種較好的技術(shù)。出于對造價(jià)的考慮，對于制造接頭的絕緣材料來說，三元乙丙橡膠(EPDM)優(yōu)于硅橡膠(SIR)。在接頭的設(shè)計(jì)中，對在制造中產(chǎn)生的電纜絕緣層內(nèi)機(jī)械應(yīng)力的釋放應(yīng)加以考慮。安裝簡便、安裝時(shí)間短、現(xiàn)場安裝技術(shù)要求低、現(xiàn)場環(huán)境條件要求低和安裝質(zhì)量易于控制也是接頭發(fā)展的重要方面之一。&

33、lt;/p><p>　　對于交聯(lián)電纜及其配套附件，目前我國對110kv等級的XLPE電纜附件仍需大量進(jìn)口。因此在我國研制XLPE電纜預(yù)制型連接盒具有廣闊的市場前景。世界各國XLPE電纜附件技術(shù)發(fā)展的過程及發(fā)展方向理應(yīng)成為我國XLPE電纜附件生產(chǎn)的借鑒、開拓創(chuàng)新的階梯。</p><p><b>　　本文研究意義</b></p><p>　　在電力系統(tǒng)

34、中，電纜附件是重要的組成部分，在故障發(fā)生的概率中，電纜附件的故障概率約為70%，所以電纜附件的質(zhì)量好壞，直接影響電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，而確保附件質(zhì)量的關(guān)鍵是要科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)，即用合理的結(jié)構(gòu)是保證附件質(zhì)量的首要工作。這里將主要研究一下電纜連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)的電場分布。</p><p>　　在任何絕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是電場分布特點(diǎn)和規(guī)律。連接盒也不例外，電纜連接盒的電場分布比電纜絕緣層內(nèi)的分布要復(fù)雜得多，與高壓套管相似，電

35、場集中在靠近金屬護(hù)套邊緣，并且具有很大的軸向分量，這就要求電纜附件具有較好的絕緣性能。為了有效地降低金屬屏蔽層邊緣處的場強(qiáng)，必須采取措施，或在金屬屏蔽層邊緣的絕緣表面涂以半導(dǎo)電漆，可以減少沿表面的阻抗和金屬屏蔽層附近的電位梯度；或在金屬屏蔽層附近加裝接地屏蔽環(huán)，增大曲率半徑；或采用應(yīng)力錐，均化電場。</p><p>　　為設(shè)計(jì)合理的絕緣結(jié)構(gòu)需進(jìn)行合理的電場分析。而高壓靜電場分析是高電壓絕緣技術(shù)的一個(gè)重要方面。電氣

36、設(shè)備的絕緣在高電壓作用下可能會(huì)發(fā)生擊穿破壞，更確切地說造成絕緣介質(zhì)擊穿的原因是高電壓作用下在絕緣中形成的強(qiáng)電場。研究和改善高電壓設(shè)備中的電場分布情況是高電壓技術(shù)的重要任務(wù)之一。</p><p>　　目前，高壓電氣設(shè)備主要在工頻 50Hz 交流電壓下工作，電極間電壓隨時(shí)間的變化是比較緩慢的，所以一般電氣設(shè)備在任一瞬間的電場都可以近似地認(rèn)為是穩(wěn)定的，可以按靜電場來分析。研究靜電場分布的規(guī)律，常常希望能夠定量計(jì)算絕緣各

37、部位的電位和電場強(qiáng)度。但是由于電極形狀、介質(zhì)分布（場域的邊界條件）比較復(fù)雜，計(jì)算常會(huì)遇到很多困難，除了極少數(shù)簡單幾何形狀的電極和介質(zhì)分布外，一般很難用解析計(jì)算方法求解，甚至不可能求解。工程上常常用近似方法，簡化電極形狀，來估算場域中某部分的解（主要是最大場強(qiáng)值）。近些年來由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的普遍使用，靜電場數(shù)值計(jì)算方法得到了廣泛應(yīng)用，一些邊界比較復(fù)雜的靜電場問題也都能獲得比較滿意的數(shù)值解。</p><p>

38、;<b>　　本文主要工作</b></p><p>　　本課題通過對電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的電場分析，優(yōu)化了高壓電力電纜連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)。主要做了如下工作：</p><p>　　研究電力電纜終端的電場分布；</p><p>　　研究高壓電力電纜連接盒的典型絕緣結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算原理；</p><p>　　掌握有限元方法，為電

39、纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)電場仿真和數(shù)值分析做準(zhǔn)備。</p><p>　　用ANSYS軟件仿真高壓電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)電場分布情況，比較有無應(yīng)力錐、有無反應(yīng)力錐、應(yīng)力錐形狀不同和反應(yīng)力錐形狀不同時(shí)的區(qū)別，優(yōu)化初始設(shè)計(jì)的絕緣結(jié)構(gòu)，確定一套最優(yōu)可行性的方案。</p><p>　　電力電纜連接盒絕緣結(jié)構(gòu)分析</p><p><b>　　電纜終端電場分布</b>&

40、lt;/p><p>　　電纜終端電場分布特點(diǎn) </p><p>　　在連接電纜時(shí)，為了避免引起線芯和金屬屏蔽層間短路，需要將電纜終端處的外護(hù)層、鎧裝層和金屬屏蔽層剝?nèi)ァＳ捎趯⒔饘倨帘螌觿內(nèi)?，電纜絕緣中原來的均勻徑向分布的電場梯度被破壞，此時(shí)的電纜終端電場分布如圖：</p><p>　　圖2-1 電纜終端電場分布 圖2-2電纜絕緣剝?nèi)ズ蟮碾娏€分

41、布</p><p>　　左邊—只剝?nèi)ル娎|的鉛套 </p><p>　　右邊—同時(shí)剝?nèi)ル娎|的絕緣層和鉛套</p><p>　　1—線芯 2—絕緣層 3—鉛套</p><p>　　電纜終端的電場分布比電纜本體復(fù)雜得多，電場不僅有垂直電纜絕緣方向的徑向分量，還有沿電纜絕緣的軸向分量，在沿絕緣表面易引起滑閃放電。且沿電纜長度方向電場分布也不均勻，

42、比較集中在線芯和金屬屏蔽層處，而且在靠近金屬屏蔽層邊緣處的電場強(qiáng)度最大。其原因是在電纜終端等效電路中忽略電感和電阻，主要考慮電容作用的時(shí)候，其等效電容可以認(rèn)為是由體積電容和表面電容組成的電容鏈。電容電流由高電位流向低電位，這樣在金屬屏蔽層附近所匯集的電容電流最大，在認(rèn)為沿電纜長度方向阻抗大致相同的前提下，金屬屏蔽層附近的壓降也就最大，因而此處電位的變化率最大，故場強(qiáng)最大。</p><p>　　另一方面，把金屬屏蔽

43、層剝開后，其絕緣為兩種以上的介質(zhì)，此時(shí)電場的方向斜射到介質(zhì)的分界面上，在分界面上會(huì)產(chǎn)生電場的彎折，從而電場就會(huì)產(chǎn)生徑向和軸向分量。一般介質(zhì)的軸向方向的耐電強(qiáng)度低，且在界面上易混有氣隙和雜質(zhì)，在一定條件下就會(huì)產(chǎn)生放電，造成絕緣的破壞。</p><p>　　電纜終端電場分布的等效回路分析</p><p>　　在剝?nèi)ヒ欢ǔ叽绲耐庾o(hù)層和金屬屏蔽層后，電纜終端可以用電容和電阻的集中參數(shù)等效的表示，可

44、將終端簡化為鏈形的等效回路，如圖所示：</p><p>　　圖2-3 電纜終端的等效電路圖</p><p>　　如圖2-3，絕緣體和絕緣外表面均可看成電阻和電容并聯(lián)的等效電路。并設(shè)為單位長度電纜絕緣層的體積復(fù)導(dǎo)納；為單位長度電纜絕緣層的表面復(fù)導(dǎo)納；為單位長度電纜絕緣層的體積電阻；為單位長度電纜絕緣層的體積電容。則有</p><p><b>　?。?-1）&

45、lt;/b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　若 （2-4）</p><p>　　則

46、 （2-5）</p><p>　　式中 ---------線芯半徑；</p><p>　　R----------絕緣外半徑；</p><p>　　--------介質(zhì)體積電阻率；</p><p>　　---------真空介電常數(shù)；</p><p>　　----------介質(zhì)的相

47、對介電常數(shù)；</p><p>　　---------單位長度表面電阻；</p><p>　　--------單位長度周圍媒質(zhì)電阻；</p><p>　　K--------和表面情況有關(guān)的常數(shù)。</p><p>　　若金屬屏蔽層處的電位為零。設(shè)為絕緣表面距原點(diǎn)（金屬屏蔽層邊緣）處的電壓，線芯對金屬屏蔽層的電壓（電位）為，則可認(rèn)為在微分元素內(nèi)，電

48、位的增量為，為電位變化率，或?yàn)閱挝婚L度電壓的增量。因?yàn)槲⒎衷?，故在?nèi)I可近似認(rèn)為定值，故有</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　又因?yàn)殡娏鳛轶w積電流和表面電流之和，當(dāng)很小時(shí)，可認(rèn)為的變化和表面電流無關(guān)，即電流變化近似認(rèn)為僅由體積電流引起的，電流沿方向遞減，故</p><p>　　或

49、 (2-7)</p><p>　　由式（2-6）對求導(dǎo)，得</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　將式（2-7）代入式（2-8）得</p><p><b>　　（2-9）</b></p><p

50、>　　設(shè)，則有 （2-10）</p><p>　　此為二階齊次微分方程，其通解為</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中，、----------積分常數(shù)；</p><p>　　根據(jù)初始條件，當(dāng)時(shí)，；時(shí)，故得</p>&l

51、t;p><b>　　，</b></p><p>　　則 （2-12）</p><p>　　故切向場強(qiáng) (2-13)</p><p>　　圖2-4 切向場強(qiáng)與x關(guān)系圖</p><p>

52、　　式（2-13）即沿方向絕緣界面的切向場強(qiáng)表達(dá)式。式中負(fù)號表示切向場強(qiáng)和方向相反。式中，，稱為等效半徑。</p><p>　　從式（2-13）中可以看出：</p><p>　　1、的分布和有關(guān)，當(dāng)時(shí)， （2-14）</p><p>　　雙曲余切函數(shù)，由圖2-4可知當(dāng)自變量為零時(shí)取得極大值，故當(dāng)絕緣長度時(shí)，即金屬屏蔽層邊緣處場強(qiáng)最大，從上述數(shù)

53、學(xué)分析中又一次得到驗(yàn)證。</p><p>　　2、隨絕緣長度的增加，呈下降趨勢，但當(dāng)時(shí)，趨近于1，則增加絕緣的長度，對金屬屏蔽邊緣處的場強(qiáng)并無多大影響。</p><p>　　3、為了有效地降低金屬屏蔽層邊緣處的場強(qiáng)，可以采取下列措施：</p><p>　?。?）在電纜絕緣上施加新的絕緣層，以增大等效半徑；</p><p>　?。?）增大，可將

54、絕緣浸入介電常數(shù)較大的油中；</p><p>　?。?）降低，選擇介電常數(shù)較小的絕緣材料，亦可減少電容電流；</p><p>　　（4）在金屬屏蔽層邊緣的絕緣表面涂以半導(dǎo)電漆，可以減少沿表面的阻抗和金屬屏蔽層附近的電位梯度；</p><p>　?。?）在金屬屏蔽層附近加裝接地屏蔽環(huán)，增大曲率半徑；</p><p>　　（6）采用應(yīng)力錐，均化電

55、場；</p><p>　　電力電纜連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　主要絕緣結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　連接盒的絕緣由電纜絕緣、應(yīng)力錐、反應(yīng)力錐和增繞絕緣組成。如圖2-5：</p><p>　　圖2-5絕緣結(jié)構(gòu)三維圖</p><p><b>　　增繞絕緣</b&g

56、t;</p><p>　　電纜線芯連接處電場集中，需要增加絕緣厚度、降低接頭工作場強(qiáng)來確保連接頭的安全運(yùn)行，因此需要在電纜絕緣上面繞包增繞絕緣，增繞絕緣的兩端形成應(yīng)力錐面。按其制作工藝分，有繞包帶型、模塑型、模鑄型及預(yù)制式的增繞絕緣。</p><p><b>　　應(yīng)力錐</b></p><p>　　應(yīng)力錐是均化場強(qiáng)應(yīng)力的錐形體。對于油紙絕緣電纜

57、，應(yīng)力錐是在電纜絕緣上用紙帶繞包而成。錐面上纏繞鉛絲后與金屬屏蔽層相連，以實(shí)現(xiàn)電位為零。對于橡塑絕緣電力電纜，應(yīng)力錐是用乙丙橡膠或硅橡膠預(yù)先加工制成。電纜連接的時(shí)候套在電纜本體絕緣上。其應(yīng)力錐面使用導(dǎo)電膠或半導(dǎo)電膠擠壓成型。如圖2-6：</p><p><b>　　圖2-6應(yīng)力錐</b></p><p><b>　　反應(yīng)力錐</b></p&

58、gt;<p>　　自導(dǎo)電線芯的連接處開始，將電纜本體絕緣切削成像一“鉛筆頭”形，此時(shí)的錐形曲線恰好與應(yīng)力錐曲線反方向，電纜本體絕緣與填充絕緣的交界面稱為反應(yīng)力錐錐面。如圖2-7：</p><p><b>　　圖2-7反應(yīng)力錐</b></p><p><b>　　各絕緣結(jié)構(gòu)的作用</b></p><p>　　1

59、、增繞絕緣的作用：</p><p>　　因?yàn)殡娎|線芯連接處電場集中，在電纜絕緣上面繞包增繞絕緣可以增加絕緣厚度、降低接頭工作場強(qiáng)來確保連接頭的安全運(yùn)行。</p><p><b>　　2、應(yīng)力錐的作用：</b></p><p>　　在金屬屏蔽層邊緣處電場分布最不均勻，場強(qiáng)最高，最容易發(fā)生擊穿事故，在連接盒里，應(yīng)力錐主要將電纜外屏蔽端口處用半導(dǎo)電材

60、料進(jìn)行延伸，通過改變其幾何形狀的方法，來增大終端等效回路中的表面電容，從而改善電場強(qiáng)度分布極不均勻的情況，以達(dá)到提高介電強(qiáng)度降低電場強(qiáng)度，均勻電場的目的。比較圖2-8,2-9可知，有應(yīng)力錐時(shí)的電場分布更為均勻。</p><p>　　圖2-8無應(yīng)力錐電位分布圖</p><p>　　圖2-9有應(yīng)力錐電位分布圖</p><p>　　3、反應(yīng)力錐的作用：</p>

61、<p>　　電纜中間頭斷面上由不同絕緣材料組成時(shí)，其電場強(qiáng)度的分布與絕緣材料的介電常數(shù)有關(guān)，因此，在接續(xù)管附近，由于有電纜本體絕緣和填充絕緣兩種不同的絕緣材料，其電場分布不一樣，使同一層絕緣上相鄰兩點(diǎn)之間產(chǎn)生一定的電位差，即軸向場強(qiáng)。為了改善這一部分的電場分布，需將電纜本體絕緣切削成與應(yīng)力錐曲線相反的形狀，即反應(yīng)力錐，從而達(dá)到均勻電場的目的。比較圖2-10,2-11可知，有反應(yīng)力錐時(shí)電場更為均勻。</p>&

62、lt;p>　　圖2-10無反應(yīng)力錐電位分布圖</p><p>　　圖2-11有反應(yīng)力錐電位分布圖</p><p>　　連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　增繞（或填充）絕緣層的厚度計(jì)算</p><p>　　計(jì)算增繞絕緣層的厚度可根據(jù)連接接頭盒絕緣最大允許場強(qiáng)來確定。該部分的絕緣是在敷設(shè)安裝現(xiàn)場施加，絕緣質(zhì)量必將受到影響，加上連

63、接線芯套管場強(qiáng)增加，故在設(shè)計(jì)時(shí)，該處線芯表面最大工作場強(qiáng)應(yīng)取電纜本體最大工作場強(qiáng)的45%~60%左右。</p><p>　　設(shè)增繞絕緣和填充絕緣的相對介電常數(shù)為；線芯連接套外半徑為，增繞絕緣外半徑為，則有 </p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　式中，U-------相電壓；</p><p

64、>　　-------線芯連接套表面電場強(qiáng)度。</p><p>　　故由式（2-15）可得</p><p><b>　　（2-16）</b></p><p>　　從而增繞絕緣厚度為 （2-17）</p><p>　　式中，R---------電纜本體絕緣外半徑。</p>

65、;<p><b>　　應(yīng)力錐的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　如前所述，將應(yīng)力錐施加于金屬屏蔽層邊緣的場強(qiáng)集中處，可使場強(qiáng)均勻分布。應(yīng)力錐的表面為一錐形曲面。由其形狀所決定，曲面上的軸向場強(qiáng)為一恒定值，或小于某一允許值，錐面一定與金屬屏蔽層相連，使其電位為零，所以錐面亦為等位面。先分析軸向場強(qiáng)和徑向場強(qiáng)的關(guān)系。根據(jù)圖2-12：</p><p>　　圖2

66、-12 連接盒電氣計(jì)算說明</p><p>　　1—線芯 2—電纜本體絕緣 3—填充絕緣 4—增繞絕緣 5—連接管 6—電纜金屬護(hù)套 7—鉛絲繞包屏蔽</p><p>　　電力線與錐面正交，為過點(diǎn)F的切線與X軸正交的交角，在應(yīng)力錐表面任一點(diǎn)F的軸向場強(qiáng)與該點(diǎn)徑向場強(qiáng)的關(guān)系為 </p><p>　　絕緣為分階絕緣，則過F點(diǎn)的徑向場強(qiáng)可

67、近似按圓柱形電場計(jì)算</p><p><b>　　（2-18）</b></p><p>　　式中 U------電纜承受電壓；</p><p>　　、------電纜本體分階絕緣的內(nèi)外層相對介電常數(shù)；</p><p>　　-------增繞絕緣的相對介電常數(shù)；</p><p>　　-----

68、--電纜線芯半徑；</p><p>　　-------電纜絕緣分階半徑；</p><p>　　R-------電纜絕緣外半徑；</p><p>　　令，，則式（2-18）改寫為</p><p><b>　　（2-19）</b></p><p>　　令，則式（2-19）可寫為 </p>

69、<p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　且 （2-21）</p><p>　　即，兩邊同時(shí)積分 </p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　選擇曲面形狀，使沿錐面的軸向場強(qiáng)為一常數(shù)

70、，則得出錐面的方程為</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　當(dāng)時(shí)，，即應(yīng)力錐長度</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　軸向場強(qiáng)決定了應(yīng)力錐面的長度，一般取為連接盒絕緣層最大允許軸向場強(qiáng)，以縮短連接盒的尺寸。</p>&l

71、t;p>　　在實(shí)際制作和敷設(shè)安裝時(shí)，很難做出如式（2-23）給出的錐面。為了工藝的可行性，一般是用一根或幾根直線所組成的錐面來代替由式（2-23）所表示的曲面。圖2-13為用兩條直線錐面代替曲線錐面的示意圖。</p><p>　　圖2-13 用直線錐面代替=常數(shù)曲線錐面的應(yīng)力錐</p><p>　　因，故不再為常數(shù)，但錐面上的軸向場強(qiáng)均小于錐面起點(diǎn)A，即金屬屏蔽層邊緣的場強(qiáng)。<

72、/p><p>　　如圖2-13用兩根直線所組成的錐面代替AB曲線錐面，最大軸向場強(qiáng)只可能在A和點(diǎn)。而且A點(diǎn)的軸向場強(qiáng)最大，可令其等于接頭中允許最大軸向場強(qiáng)，那么在各層介質(zhì)幾點(diǎn)常數(shù)相等時(shí)應(yīng)力錐的長度方程為</p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　式中，為點(diǎn)的縱坐標(biāo)，可根據(jù)L為最小值來確定。</p><

73、p>　　為此令式（2-25）對微分并令,得</p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　式中， （2-27）</p><p>　　當(dāng)滿足（2-26）時(shí)，應(yīng)力錐長度最小。</p><p>　　為了計(jì)算方便，圖

74、2-14繪制了不同值時(shí)的方程（2-26）的k~曲線。一般情況下；兩條直線所組成的錐面長度約為原理想錐面長度的120%~150%。</p><p>　　圖2-14 k-曲線</p><p><b>　　反應(yīng)力錐設(shè)計(jì)</b></p><p>　　反應(yīng)力錐的設(shè)計(jì)是連接盒設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵部位。未來防止沿此面發(fā)生移滑放電，反應(yīng)力錐的形狀也是根據(jù)沿此面的軸

75、向場強(qiáng)為一常數(shù)或小于某一常數(shù)確定的。如圖2-15所示，</p><p>　　圖2-15 計(jì)算反應(yīng)力錐面說明圖</p><p>　　1—線芯 2—本體絕緣 3—填充及增繞絕緣</p><p>　　反應(yīng)力錐處的電位 （2-28） </p><p>　　式中， ------電纜導(dǎo)電線芯相電壓；</p><p>　

76、　y---------錐面上任意一點(diǎn)的縱坐標(biāo)；</p><p>　　--------連接套半徑；</p><p>　　-------電纜絕緣相對介電常數(shù)；</p><p>　　--------增繞絕緣的相對介電常數(shù)；</p><p>　　且有 （2-

77、29）</p><p>　　則軸向場強(qiáng) （2-30）</p><p>　　如為一常數(shù)，將上式變換，并對積分得</p><p><b>　?。?-31）</b></p><p>　　于是反應(yīng)力錐沿電纜長度方向的長度</p><p><b>　　（2-32）

78、</b></p><p>　　對于單一直線組成的反應(yīng)力錐面，其最大軸向場強(qiáng)位于處，可由（8-30）得，當(dāng)時(shí)， （2-33）</p><p>　　而反應(yīng)力錐長度為 （2-34）</p><p>　　若用兩根直線代替反應(yīng)力錐曲線，其最大軸向場強(qiáng)與直線斜率的關(guān)系也可用類似方法求得，如圖2-16：</p&g

79、t;<p>　　圖2-16 用兩直線代替理想反應(yīng)力錐說明</p><p><b>　　（8-35）</b></p><p>　　于是兩根直線組成的反應(yīng)力錐沿電纜長度方向總長為</p><p><b>　?。?-36）</b></p><p>　　當(dāng)時(shí)，長度有最小值，即交界面選在

80、 （2-37）</p><p>　　為半徑的圓周上時(shí)，長度最小，此時(shí)</p><p><b>　?。?-38）</b></p><p>　　則 (2-39)</p><p>　　連接接頭盒中的軸向場強(qiáng)，主要根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)選定。應(yīng)力錐軸向場強(qiáng)一般取電纜徑向場強(qiáng)

81、的1/10~1/20左右，大約0.5kV/mm；反應(yīng)力錐的軸向場強(qiáng)一般取應(yīng)力錐軸向場強(qiáng)的50%~90%左右，一般約為0.12kV/mm。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過對電纜終端的電場分布的分析，從而確定了電纜終端連接盒的絕緣結(jié)構(gòu)，并介紹了各絕緣結(jié)構(gòu)的作用，最后運(yùn)用理論計(jì)算了各絕緣結(jié)構(gòu)的尺寸。</p><

82、p>　　有限元方法及連接盒絕緣模型</p><p><b>　　有限元法</b></p><p><b>　　有限元法基礎(chǔ)</b></p><p>　　電場數(shù)值分析的方法有多種，如有限差分法、有限元法和模擬電荷法等。由于用有限元法解非線性場及多層介質(zhì)中的電磁場不受場域邊界形狀的限制，且對第二類、第三類及不同媒質(zhì)分界面

83、的邊界條件能自動(dòng)滿足，不必作單獨(dú)處理，因而用有限元法解電纜終端的電磁場較為適宜。</p><p>　　電力電纜終端的場，可用圓柱坐標(biāo)系中軸對稱二維拉普拉斯方程來描述。電磁場的計(jì)算問題，也即求解拉普拉斯方程的為。而求解拉普拉斯偏微分方程可通過有限元法將其轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，然后結(jié)合邊界條件求解。</p><p>　　因滿足給定邊值的拉普拉斯形式的偏微分方程將有唯一解，故求解拉普拉斯方程又稱為邊

84、值問題。而求解邊值問題又可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的變分問題，也就是所謂泛函的極值問題。然后利用剖分插值將變分問題離解為多元函數(shù)的極值問題，最終歸結(jié)為一組多元的代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問題的數(shù)值解。</p><p><b>　　泛函和變分</b></p><p>　　電纜屬于軸對稱場，絕緣中無自由電荷，即，則采用圓柱坐標(biāo)，位函數(shù)是和的函數(shù)，即，故有</p><

85、;p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中為位函數(shù)，即為電力電纜的相電壓；為介質(zhì)相對介電常數(shù)。</p><p><b>　　場域的剖分</b></p><p>　　在有限元中需將連續(xù)域剖分成有限個(gè)數(shù)單元。如在二維場中，常用三角形或四邊形剖分。這樣泛函的面積可表示為每個(gè)單元面積的總和。</p&

86、gt;<p>　　剖分時(shí)，各單元只能以頂點(diǎn)相交，不同單元的相同點(diǎn)電位相等，每個(gè)單元頂點(diǎn)的編號順序一致。單元中任意點(diǎn)的函數(shù)值可用單元各頂點(diǎn)的函數(shù)值表示為</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中，-------剖分單元的頂點(diǎn)數(shù)；</p><p>　　-------單元中各頂點(diǎn)處的電位值；</p&

87、gt;<p>　　------單元形狀函數(shù)。</p><p>　　基函數(shù)應(yīng)具備完備性、一致性和相容性，即這個(gè)基函數(shù)中的有限元和能使以任何精度接近于真值且將式(3-2)代入式(3-1)能使泛函存在，而且函數(shù)在單元邊界處連續(xù)。</p><p>　　由上述有限元的離散化，在各個(gè)三角元內(nèi)，分別給定對于呈線形變化的插值函數(shù)，即</p><p><b>

88、　　(3-3)</b></p><p>　　以此近似替代三角單元內(nèi)的待求函數(shù)。式中三個(gè)未知數(shù)由三角單元的三個(gè)頂點(diǎn)處的坐標(biāo)及電位值決定。將它們分別代入上式，有</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　解上述聯(lián)立方程組，有</p><p><b>　　(3-5)</b&

89、gt;</p><p>　　上列各式中 (3-6)</p><p>　　即，表示該三角單元的面積。</p><p>　　將求出的代入插值多項(xiàng)式(3-3)，經(jīng)整理可得</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>

90、　　上式表示三角中任意點(diǎn)電位和該單元各頂點(diǎn)電位值之間的關(guān)系。</p><p>　　若用矩陣表示，上式可寫成</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　式中 (3-9)</p><p>　　式(3-23)統(tǒng)稱為三節(jié)點(diǎn)三角元的形狀函數(shù)。剖分時(shí)，

91、每一種單元只能有一種介質(zhì)。</p><p>　　3、有限元方程的建立和求解</p><p>　　將式(3-9)中的用代替，y用z替代，便成了軸對稱面上的形狀函數(shù)，其表達(dá)式為 （3-10）</p><p>　　軸對稱場的單元系矩陣為</p><p><b>　　（3-11）</b></p&

92、gt;<p>　　在利用式可使上式變?yōu)?lt;/p><p><b>　　（3-12）</b></p><p>　　系數(shù)矩陣中各元素的一般式為</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　若場域剖分成個(gè)單元，共有個(gè)節(jié)點(diǎn)，則其泛函為</p><p&

93、gt;<b>　　（3-14）</b></p><p>　　式中 K-------介方陣</p><p>　　------由個(gè)節(jié)點(diǎn)電位組成的列陣</p><p>　　求的極值時(shí)，必須令對每個(gè)節(jié)點(diǎn)電位的一階偏導(dǎo)數(shù)為零，即令</p><p><b>　?。?-15）</b></p>&

94、lt;p>　　將式（3-14）代入上式，可得</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　　寫成矩陣形式，有</b></p><p><b>　　（3-17）</b></p><p>　　上式便是拉普拉斯方程的有限元方程，它是聯(lián)立線性代數(shù)方

95、程組。</p><p>　　通常把解線性代數(shù)方程組的方法分成直接法和迭代法兩類。對電纜終端的電場，因方程組階數(shù)不高，采用直接法較好。由于位于邊界上的節(jié)點(diǎn)電位值是被給定的，即是“強(qiáng)加的”，必須對強(qiáng)加邊界條件進(jìn)行處理，即把強(qiáng)加邊界條件綜合到有限元方程中去。</p><p>　　4、等位線的繪制和電場強(qiáng)度的計(jì)算</p><p>　　為了形線的描述電場的分布，需畫出電場的等

96、位線圖，其中相鄰的等位線間電位差相等，這樣從等位線的疏密程度，就可判斷電場強(qiáng)度的強(qiáng)弱。</p><p>　　為描繪等位線，需在已知各節(jié)點(diǎn)電位值的基礎(chǔ)上，求出對應(yīng)于各條等位線的空間函數(shù)。實(shí)踐中常用插值方法建立待求函數(shù)的近似式。</p><p>　　設(shè)需用線性插值法繪制電位為的等位線，首先將與全部剖分單元上的節(jié)點(diǎn)電位值和進(jìn)行比較，若，則表示值介于 和之間，然后可用線性插值公式找出電位等于值得相

97、應(yīng)插值點(diǎn)的空間坐標(biāo)。設(shè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為；節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為，而對應(yīng)于電位 的值的待求插值點(diǎn)的空間坐標(biāo)為，則上述線性插值公式可綜合為</p><p><b>　　（3-18）</b></p><p>　　于是把一系列插值點(diǎn)相連，即得所欲繪制的電位為的等位線。同理，可逐一地求出各等位線，描繪出待求電場的等位線圖。</p><p>　　電纜附件裝置的設(shè)計(jì)，最需

98、要知道其電場強(qiáng)度的分布，特別是最大電場的強(qiáng)度的分布情況。因此，在求得各離散點(diǎn)電位值的基礎(chǔ)上，需計(jì)算有關(guān)場域中的電場強(qiáng)度。</p><p>　　將式（3-7）分別對x及y求導(dǎo)，可得電場強(qiáng)度沿x方向及y方向的分量 </p><p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　?。?-20）</b></p&

99、gt;<p>　　因在每一個(gè)單元中各點(diǎn)和分別相等，即在每個(gè)單元內(nèi)部，電場強(qiáng)度E為一個(gè)定值，但位于單元周界上的一般與相鄰幾個(gè)單元發(fā)生聯(lián)系。為了將有關(guān)單元的和，然后去其算術(shù)平均值，即</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　式中------指與指定節(jié)點(diǎn)相關(guān)的單元數(shù)</p><p>　　有限元方法的計(jì)算步驟

100、</p><p>　　1、明確場域范圍，將場域剖分為有限個(gè)單位（二維場域可用三角形或四邊形基本單元，三維場域可用四面體、五面體或六面體基本單元）；</p><p>　　2、計(jì)算單元電場能系數(shù)矩陣的元素；</p><p>　　3、計(jì)算總電場能系數(shù)矩陣的元素；</p><p>　　4、列出有限元方程[][]=[]-[]</p>&l

101、t;p>　　式中[]—內(nèi)節(jié)點(diǎn)電位列向量；</p><p>　　[]—階系數(shù)矩陣，其元素為；</p><p>　　[]—自由項(xiàng)列向量； </p><p>　　[]—第二類邊值列向量；</p><p>　　5、求解有限元方程，求出各節(jié)點(diǎn)電位。</p><p>　　6、根據(jù)各節(jié)點(diǎn)電位可求出電場的其它各量。</p

102、><p><b>　　電纜連接盒絕緣模型</b></p><p><b>　　結(jié)構(gòu)參數(shù)</b></p><p>　　如圖3-1為一個(gè)110kV高壓電纜連接接頭盒。</p><p>　　圖3-1 110kV電纜連接盒絕緣主要尺寸</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)尺寸如表

103、3-1</b></p><p>　　表3-1 連接接頭盒有關(guān)尺寸</p><p>　　在計(jì)算過程中，關(guān)鍵是要考慮幾個(gè)界面的軸向場強(qiáng)與徑向場強(qiáng)的大小不能超過要求的數(shù)值，滿足電纜終端的設(shè)計(jì)要求。這里參考國內(nèi)外設(shè)計(jì)預(yù)制電纜終端的經(jīng)驗(yàn)及對各主要絕緣部位電場梯度值的要求，作為本次電纜終端電氣設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。</p><p>　　1. 應(yīng)力錐硅橡膠絕緣絕緣件與 XL

104、PE 絕緣界面的軸向場強(qiáng)要均勻，且切向場強(qiáng)小于0.5kV/mm；</p><p>　　2. 反應(yīng)力錐硅橡膠絕緣與XLPE絕緣界面的軸向場強(qiáng)為一常數(shù)，切向場強(qiáng)一般取0.12kV/mm；</p><p>　　建立電纜連接盒絕緣模型</p><p>　　1、物理模型（三維）</p><p>　　電纜連接盒的三維物理模型如圖2-5。</p>

105、;<p><b>　　2、計(jì)算模型</b></p><p>　　圖3-2,3-3所示為計(jì)算場域模型的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)殡娎|終端是完全軸對稱的模型，所以可以用二維軸對稱場域進(jìn)行計(jì)算。圖3-4為110kv級電纜終端仿真模型剖分圖，單元類型使用PLANE121單元。XLPE的相對介電常數(shù)取2.3，硅橡膠的相對介電常數(shù)取3.7。</p><p>　　圖3-2電纜連接接

106、頭盒絕緣結(jié)構(gòu)二維模型（線）</p><p>　　圖3-3電纜連接接頭盒絕緣結(jié)構(gòu)二維模型（面）</p><p>　　圖3-4電纜連接接頭盒絕緣結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了有限元法計(jì)算電纜終端絕緣結(jié)構(gòu)的電場。掌握有限元法的原理與處理問題的方法，了解有限元法在使

107、用中需注意的一些問題，以便為選擇有限元應(yīng)用軟件及實(shí)際建模計(jì)算提供理論依據(jù)，更好的優(yōu)化模型以減小有限元法的自身存在的問題。</p><p>　　并且通過對電纜終端連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的物理模型的了解，使用ANSYS軟件建立起連接盒絕緣結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　連接盒絕緣結(jié)構(gòu)電場計(jì)算分析</p><p><b>　　電場計(jì)算</b></

108、p><p>　　通過對模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)電場數(shù)值分析，對比有無應(yīng)力錐，有無反應(yīng)力錐，應(yīng)力錐與反應(yīng)力錐不同形狀時(shí)的模型，從而得出連接盒絕緣的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　建立模型</b></p><p>　　根據(jù)表3-1所示的數(shù)據(jù)，建立電纜連接盒絕緣的二維模型，如圖3-2,3-3所示。</p><p><b&

109、gt;　　網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　設(shè)置單元類型：設(shè)置單元類型為PLANE121</p><p>　　設(shè)置并分配材料屬性：此模型中有兩種材料：電纜本體絕緣相對介電常數(shù)為2.3，填充絕緣的相對介電常數(shù)為3.7</p><p>　　網(wǎng)格劃分：將材料屬性分配給相應(yīng)的材料后，在將1面的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為3，將2面的網(wǎng)格尺寸設(shè)定為6，劃分結(jié)果如圖3-4所示

110、。</p><p><b>　　附加邊界條件和求解</b></p><p>　　因?yàn)閼?yīng)力錐表面纏以鉛絲與金屬屏蔽層相連，所以設(shè)為零電位，電纜線芯設(shè)為110kV。如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1電纜連接接頭盒絕緣結(jié)構(gòu)加載電壓</p><p><b>　　后處理</b></p>

111、<p>　　在后處理其中查看連接盒和絕緣的電位分布和電場分布。</p><p>　　圖4-2整體電位分布圖</p><p>　　圖4-3沿X軸方向電場分布圖</p><p>　　圖4-4沿Y軸方向電場分布圖</p><p>　　圖4-5合成電場分布圖</p><p><b>　　結(jié)果分析<

112、/b></p><p><b>　　應(yīng)力錐分析</b></p><p><b>　　有無應(yīng)力錐分析</b></p><p>　　通過等位線圖4-6和4-8的對比，可以看出應(yīng)力錐在電纜終端中的確起到了改善此處電位分布的作用，使電位分布得更均勻。通過應(yīng)力錐附近合成電場分布圖4-7和4-9的對比，從中可以看出應(yīng)力錐起到了均

113、化電場的作用，避免了電場的集中，并且可以看出電纜終端場強(qiáng)最高的地方出現(xiàn)在電纜終端金屬屏蔽層處，而該處為不均勻電場，其場強(qiáng)可根據(jù)同軸圓柱電極間隙中電場分布的解析式進(jìn)行理論計(jì)算?？梢酝ㄟ^比較，看出軟件ANSYS有限元法的計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果非常接近，所以用ANSYS的到的計(jì)算電纜終端時(shí)是可信的。</p><p>　　圖4-6有應(yīng)力錐時(shí)電位分布圖</p><p>　　圖4-7有應(yīng)力錐時(shí)合成電場

114、分布圖</p><p>　　圖4-8無應(yīng)力錐時(shí)電位分布圖</p><p>　　圖4-9無應(yīng)力錐時(shí)合成電場分布圖</p><p><b>　　應(yīng)力錐長度分析</b></p><p>　　圖4-10，4-11和4-12分別為應(yīng)力錐長度97mm，117mm，137mm時(shí)的合成電場分布圖，比較上述三個(gè)圖可知應(yīng)力錐長度117mm時(shí)

115、電場分布最合理。可由圖列出下表：</p><p><b>　　表4-1</b></p><p>　　可以看出當(dāng)應(yīng)力錐長度為117mm時(shí)，最大場強(qiáng)值和最小場強(qiáng)值都小于其他兩種情況，說明應(yīng)力錐的長度的設(shè)計(jì)需要滿足一定的條件，而通過ANSYS軟件分析得出的結(jié)論與上文中式（2-24）的理論計(jì)算相符合。</p><p>　　圖4-10 97mm長度應(yīng)力

116、錐合成電場分布圖</p><p>　　圖4-11 117mm長度應(yīng)力錐合成電場分布圖</p><p>　　圖4-12 137mm長度應(yīng)力錐合成電場分布圖</p><p><b>　　應(yīng)力錐曲面分析</b></p><p>　　圖4-13，4-14和4-15為應(yīng)力錐長度為117mm，形狀分別為直線、曲率半徑大，曲率半徑

117、小時(shí)的合成電場分布圖，可由圖列出下表：</p><p><b>　　表4-2</b></p><p>　　可以看出應(yīng)力錐形狀為直線時(shí)，電場強(qiáng)度最大值和最小值都大于其他兩種情況，而應(yīng)力錐曲率半徑小時(shí)，電場強(qiáng)度明顯降低了，說明曲率半徑小的應(yīng)力錐更能使電場分布均勻，并且不增加應(yīng)力錐的結(jié)構(gòu)長度。</p><p>　　圖4-13 117mm直線應(yīng)力錐合成

118、電場分布圖</p><p>　　圖4-14 117mm大曲率半徑的應(yīng)力錐合成電場分布圖</p><p>　　圖4-15 117mm小曲率半徑應(yīng)力錐合成電場分布圖</p><p>　　4、應(yīng)力錐關(guān)鍵點(diǎn)分析</p><p>　　電纜終端中應(yīng)力錐附近的場強(qiáng)分布比較復(fù)雜，其中應(yīng)力錐根部場強(qiáng)，應(yīng)力錐曲面，應(yīng)力錐上曲率半徑最小處的場強(qiáng)是需要重點(diǎn)考查的幾個(gè)

119、值，分別對應(yīng)圖 4-16中 1，2，3各部分的場強(qiáng)。表4-3列出了這些界面上在電壓等級為110kv時(shí)的場強(qiáng)結(jié)果。</p><p>　　圖4-16 應(yīng)力錐關(guān)鍵點(diǎn)局部圖</p><p><b>　　表4-3</b></p><p>　　由表4-3 可知場強(qiáng)最大值為9.259kV/mm，在應(yīng)力錐的根部，而最小值2.332kV/mm在應(yīng)力錐與增繞絕緣交

120、界處，且應(yīng)力錐面上的場強(qiáng)介于兩者之間，說明應(yīng)力錐面上的場強(qiáng)從應(yīng)力錐根部開始隨應(yīng)力錐的延伸而減小，到交界處達(dá)到最小值。</p><p>　　將1處局部放大如圖4-17所示，分析應(yīng)力錐根部各節(jié)點(diǎn)，討論出場強(qiáng)最大節(jié)點(diǎn)位置。將各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和場強(qiáng)列于表4-4所示，可以看出136節(jié)點(diǎn)處場強(qiáng)最大。</p><p>　　圖4-17應(yīng)力錐最大場強(qiáng)點(diǎn)分析</p><p><b>

121、;　　表4-4</b></p><p><b>　　反應(yīng)力錐分析</b></p><p>　　1、有無反應(yīng)力錐分析</p><p>　　通過等位線圖4-18和4-20的對比，可以看出反應(yīng)力錐在電纜終端中的確起到了改善此處電位分布的作用，使電位分布得更均勻。通過反應(yīng)力錐附近合成電場分布圖4-19和4-21的對比，從中可以看出反應(yīng)力錐起