电缆接头与终端电应力控制：可靠电力系统最佳实践
如何控制电缆接头与终端的电应力？
引言
电力电缆在电力传输和配电系统中至关重要。
终端和接头是电力电缆的基本附件，用于线路间连接或连接电气设备。
设计电缆终端和接头时需考虑多方面因素，因为它们必须具备与相关电缆同等完整性，在室内和室外应用中建立连接。
最关键方面是高压电缆接头和终端的介质应力控制，源于屏蔽层终止点–电应力控制。
电应力与应力控制
高压和中压电缆终端和接头必须管理端部电场。当绝缘屏蔽层从电缆移除时，高电位梯度集中在切割点，如图1所示。
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图中可见，电缆接地屏蔽（0%）被切除，等势线（从20%至80%）集中在接地电极边缘，导致高电应力。
这些点的电场增强可产生局部放电，导致沿绝缘表面闪络或介质击穿引起电缆故障。
电缆安装中，屏蔽电力电缆终止时需要电应力控制。
电缆终端和接头设计旨在消除屏蔽终止处应力集中以避免电缆击穿–电场必须在电缆终端和接头中受控。
导体接头处应力分布因使用铁芯导致轮廓变化而显著变化。
尖锐边缘和凸起在接头处，若未缓解也会导致应力梯度突变。
因此，导体必须具有光滑轮廓，以免应力过度集中。
然而，应力控制更重要的方面适用于绝缘屏蔽终止位置。
应注意，不仅介质应力在终端区域增加，而且介质与周围介质界面沿线建立电位梯度。
介质在屏蔽终止处的应力将远高于设计应力，可能导致过早失效。
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此外，若周围介质为空气，或介质与填充介质间存在空隙，则该区域应力可能导致空气甚至在工作电压下也允许放电。
纸对这些放电略有抵抗力，但对聚合物绝缘如XLPE（交联聚乙烯），此类放电将迅速侵蚀介质最终导致失效。
不采用应力控制，将发生放电，不利影响接头和终端的寿命。
图2显示无应力控制与有应力控制时电场分布。
- 另读：内部布线用布线系统选择与电缆类型
成因
高压和中压电缆终端和接头需应力控制的主要薄弱环节有：
- 压接管允许水分渗透导体芯
- 未消除气囊
- 芯线交叉导致局部放电
- 电缆准备不良
- 水分渗透
- 相间和相地间隙不足
- 树枝化
- 接头说明不良
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应力控制方法
不存在通用终端或接头。有各种类型终端和接头，各有优劣。
电缆终端优化通过研究各种结构实现。
合适的终端方法应提供良好电气和机械完整性。
设计合适终端，应在关键区域进行电场分布分析。
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应力锥法
应力控制常用方法是使用应力锥，如图3所示。
- 另读：绝缘与介质材料 – 类型、特性与应用
应力锥是控制屏蔽终止区域电容的手段，从而沿梯度将介质应力降至终止点可接受限度。
应力锥延伸至屏蔽终止点之外，使介质表面电位梯度降至不发生放电的水平。
高压和中压纸绝缘电缆接头中，应力锥通常按预定轮廓手工应用绝缘纸带构建，而在终端中应力锥为手工应用或预制。随着聚合物和弹性体电缆发展，预制应力锥也已引入。
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应用应力锥前，需降低导体接头处电应力，因前文所述原因。
概念是提供光滑轮廓使应力均匀分布。通过‘电缆纸分级’实现，即分级移除纸绝缘，从内导体表面到外绝缘表面形成梯级。
两根电缆端如此处理并连接后，手工应用浸渍纸带覆盖组件形成接头介质。
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热缩应力控制管法
另一种常用方法是热缩应力控制管，用于控制中压塑料和纸绝缘电缆接头和终端中绝缘屏蔽终止点的高电应力，最高至36 kV。
它们也控制接头连接器上的高应力。
应力控制管由热稳定交联高介电常数和高电阻率聚合物材料制成。
- 另读：电缆绝缘电阻 | 为什么电缆要绝缘？
其他应力控制方法
其他方法包括：
- 高电阻带或涂层，及非线性电阻层材料。材料恒定表面电阻率通过小电流建立线性电压梯度。使用非线性电阻率材料可获得更好应力分布，允许层内小电流增加，材料电阻下降，沿施加长度实现平滑线性电压梯度。
- 相对介电常数显著高于电缆介质的材料。基于当不同介电常数材料在其总厚度上承受电位梯度时，最低介电常数材料承受最高应力的原理。从示意图可见，等势线从介质逐渐发出，在介质表面产生平滑梯度。
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作者简介：Manuel Bolotinha
- 电气工程学士 – 能源与电力系统（1974 – 里斯本高等技术学院/里斯本大学）- 电气与计算机工程硕士（2017 – 诺瓦里斯本大学科学技术学院）
- 变电站与电力系统高级顾问；专业讲师
工业技术