改善电缆终端电场分布的有效方法

在35kV及以下电压等级的电力电缆中，改善电缆金属护套或屏蔽断开处电场分布的办法有：胀喇叭口、预留统包绝缘、剥除半导电屏蔽层、制作应力锥、切削反应力锥、等电位法和装设应力控制管等。

1.胀喇叭口

胀喇叭口就是在电缆铅（铝）包的割断处，把铅（铝）包边缘撬起，使之成为喇叭口的形状，这个工艺过程称为胀铅。经过胀铅后的喇叭口边缘应光滑、圆整、对称，不得有毛刺，否则在毛刺处又会造成新的不均匀电场分布。一般35kV及以下电压等级的统包电缆或分相铅（铝）包电缆，喇叭口的直径应为原铅（铝）包直径的1.2倍左右。

图3-1-5　喇叭口的作用分析

喇叭口改善铅（铝）包切口处电场分布的原理分析如图3-1-5所示。

图中：a点为胀喇叭口之前，铅（铝）包内绝缘表面上的一点，b点是与a点相距Δl的绝缘表面上的另一点，c点为胀喇叭口之前铅（铝）包上的一点。胀喇叭口之前，a点与c点的电位均为零，即

Ua=Uc=0

b点电位

Ub＞0

a、b两点间的电位差，即轴向应力为

Uba=Ub-Ua

Uba=Ub＞0

胀喇叭口之后，c点的电位仍为零，a点由于与铅（铝）包脱离了接触，其电位不再是Ua，而是，且有

此时a、b两点间的电位差减小为

可见，胀铅形成喇叭口以后，铅（铝）包切口处绝缘表面的电场分布得到改善，轴向应力较胀喇叭口以前减小了。

2.预留统包绝缘

预留统包绝缘是专门针对油浸纸绝缘电力电缆的终端电场改善方法。它是在铅包切口至电缆线芯分开点之间留有一段统包绝缘。其作用在于延长“滑移击穿”的爬闪距离。从理论上讲，统包绝缘段留的越长越好。但电缆三头结构又不允许电缆线芯始终不分开。因此，10kV及以下的油浸纸绝缘电力电缆，通常预留统包绝缘的长度为25～30mm，当采用干包式电缆终端头时，其预留长度增加到50mm。

3.剥除半导电屏蔽层

10kV及以下的油浸纸绝缘电力电缆中，在统包绝缘层外包绕1～2层半导电屏蔽纸（俗称碳黑纸），它是在电缆纸浆中加入胶体碳粒（碳粒大小为25～250μm）制成的，其厚度为0.12mm，体积电阻系数为105～106Ω·cm。

半导电屏蔽纸在电缆中，可起到均匀电场的作用以减少电场畸变，同时还可以借助半导电屏蔽纸中的胶质碳，来吸收电缆绝缘中的气体等有害物质，以改善电缆绝缘的电性能。

长期以来，人们一直认为在电缆三头内，从铅包切断处的喇叭口到电缆绝缘之间留一段半导电屏蔽纸作为过渡，会使电场沿轴向分布得到一定的均匀作用。因此，在电缆三头制作时，通常作法是将铅护套剥去后，留下5mm长的半导电屏蔽纸。运行经验与实验表明，要使轴向电场均匀化，半导电层材料的体积电阻系数应为109Ω·cm，介电系数应为25左右。我国目前电缆用半导电纸的体积电阻系数低于上述数值，不能起到均匀轴向电场的作用。相反，留下5mm长的半导电屏蔽纸以后，还会使半导电纸边缘电场集中，引起电缆三头的放电与击穿。因此，在设计电缆三头时，应将半导电纸剥除到喇叭口以内，使半导电纸边缘处于喇叭口改善电场分布的保护作用区以内，以避免半导电纸边缘的电场集中。

4.制作应力锥

对于橡塑绝缘电力电缆，或20kV及以上电压等级的油浸纸绝缘电力电缆，一般均为分相屏蔽或分相铅包结构。这些电缆在屏蔽或铅包的断开处，电场分布的变化比较大，此时不能靠胀铅成喇叭口来达到改善电场分布的目的，而通常采用制作应力锥的办法，即用绝缘带和半导电带及金属薄带绕包成锥体，其原理就是人为地将屏蔽层扩大，以达到均匀电场的目的。

应力锥接地屏蔽段纵剖面的轮廓线AB，从理论上讲，应是复对数曲线，其形状如图3-1-6所示。

图3-1-6　应力锥

在图3-1-6中，从应力锥起始点A作y坐标轴，通过电缆导电线芯的中心线作x坐标轴，则在x-y坐标系中应力锥纵剖面轮廓线AB与轴向应力的关系可由下列公式表示

式中　Et——轴向应力，kV/m；

U——相电压，kV；

r——导体半径，m；

r1——线芯绝缘半径，m；

y——附加绝缘半径，m；

x——应力锥长度，m。

如果附加绝缘材料与电缆本体绝缘材料不同时，Et应改写成以下形式

式中　ε1——电缆本体绝缘介电系数；

ε2——电缆三头应力锥附加绝缘介电系数；

其余各物理量含义同式（3-1-1）。

由式（3-1-1）和式（3-1-2）可知。

（1）应力锥接地屏蔽段纵剖面轮廓线AB的形状取决于运行电压、电缆结构尺寸、电缆本体和附加绝缘材料的特性等。

（2）在一定的电压U作用下，应力锥的长度x越长，则轴向应力Et越小。

（3）当应力锥长度x固定时，附加绝缘厚度增加（即y值增大），会使轴向应力Et增大，所以绕包应力锥时，不应使坡度太陡或增绕太厚的绝缘。(www.xing528.com)

（4）当允许轴向应力Et确定后，附加绝缘半径y随着应力锥长度x的加大而增大，而且，增大的幅值越来越大。因此，绕包应力锥时，其坡度应由小平滑过渡到大。

（5）当ε2＞ε1时，轴向应力较式（3-1-1）的计算值小。

图3-1-7　8.7/15kV交联电缆终端头应力锥工艺尺寸

1—绝缘线芯；2—塑料自粘带；3—橡胶自粘带；4—半导电屏蔽层；5—金属屏蔽层

（6）当ε2=ε1时，式（3-1-2）可化成式（3-1-1）。

通过以上理论分析与计算，得到了应力锥理想的复对数曲线。在生产实际中，要把应力锥接地屏蔽段纵剖面轮廓线AB绕包成复对数曲线是十分困难的，通常只规定一定的工艺尺寸，并要求应力锥坡度先小后大，以接近理想曲线。

近年来，交联聚乙烯绝缘电力电缆的冷缩附件和预制附件中，都有设计精良、制作完美的应力锥，制作电缆三头时直接安装，无须手工制作应力锥。

8.7/15kV交联聚乙烯绝缘电力电缆终端头的应力锥工艺尺寸如图3-1-7所示。

5.切削反应力锥

在10kV及以上电压等级电缆的中间接头线芯割断处，应力集中问题也比较严重。前文中已经讨论过，电缆中同一断面由不同绝缘材料组成时，其电场强度的分布与绝缘材料的介电系数ε有关。因此，在接续管附近，由于有电缆本体绝缘和增补绝缘这两种不同的绝缘材料，其电场分布发生恶变，使同一层绝缘上相邻两点之间产生一定的电位差，即轴向场强。为了改善这一恶变的电场分布，需要将电缆本体绝缘在接续管两端切削成像“铅笔头”一样的反应力锥。其作用与应力锥相仿，也是起均匀电场作用。

反应力锥结构如图3-1-8所示。

图3-1-8　反应力锥

以导线绝缘末端C点作y坐标轴，电缆线芯中心线作x坐标轴，则在x-y坐标系中，反应力锥纵剖面轮廓线CD与轴向应力的关系可由下列公式表示

式中　——轴向应力，kV/m；

U——相电压，kV；

r——导体半径，m；

R——中间接头绝缘半径，m；

y——反应力锥曲线上任意一点离导体中心线的距离，m；

x——应力锥长度，m。

当附加绝缘材料与电缆本体绝缘材料不同时，E′t应改写成以下形式

式中　ε1——电缆本体绝缘介电系数；

ε2——中间接头附加绝缘介电系数；

其余各物理量含义同式（3-1-3）。

由式（3-1-3）和式（3-1-4）可知。

（1）反应力锥纵剖面轮廓线CD的形状取决于运行电压、电缆结构尺寸、电缆本体和附加绝缘材料的特性等。

（2）在一定的电压U作用下，反应力锥的长度x越长，则轴向应力E′t越小。

（3）增加中间接头绝缘半径R，可以降低轴向应力。

（4）当允许轴向应力E′t确定后，电缆本体绝缘半径y随着反应力锥长度x的减小而有所增加，而且增大的幅值越来越大。因此，切削反应力锥时，其坡度应由小平滑地过渡到大。

（5）当ε2＜ε1时，轴向应力较式（3-1-3）的计算值小。

（6）当ε2=ε1时，式（3-1-4）可化成式（3-1-3）。

利用式（3-1-3）和式（3-1-4）计算出的反应力锥曲线CD，也是复对数曲线，在生产实际中，很难切削成和理论曲线CD一样的反应力锥曲线。因此，一般是选择两个合适的轴向应力数值，再根据这两个数值得出两条反应力锥控制曲线，并在其中将绝缘层分成若干个梯级来切削，形成“绝缘梯步”，然后按照绝缘梯步的大小，规定一定的工艺尺寸进行切削。

绝缘梯步如图3-1-9所示。

图3-1-9　绝缘梯步

r—导体半径；r1—电缆绝缘半径

6.等电位法

等电位法就是在电缆三头的各线芯根部绝缘表面上绕包一段金属带，并将其连接在一起。等电位法的作用是：改善线芯三叉口处的电场分布。等电位法在油浸纸绝缘电力电缆的干包型电缆三头和交联聚乙烯绝缘电力电缆三头中的应用十分广泛。

7.装设应力控制管

绕包应力锥是通过增加屏蔽层末端外的电缆绝缘厚度来达到均匀电场的目的，其不足之处是绕包费时且质量不易控制，又必须增大电缆外径。因此，在20世纪70年代末期，一种新型的控制应力用半导体橡胶带被研制成功，继而又发展为一种热缩性非线性半导体橡塑应力控制管，达到了体积小、施工简便、性能可靠的要求。

目前，国际上在35kV及以下电压等级的电缆三头附件中，大量采用这种应力控制材料和热缩应力控制管，尤其在橡塑绝缘电力电缆中应用更广。