高铁用27.5 kV电缆终端电场及电位仿真分析

高铁用27.5 kV电缆终端电场及电位仿真分析
张大鹏;杨平;夏俊峰;孙建生
【摘要】在中低压电缆中,电缆终端通常采用热缩模式.这种终端具有良好的收缩性能,可以和多种截面的电缆进行配合.但热缩电缆终端在高速列车车载电缆连接中应用存在一些问题需要解决.结合某一型号热缩电缆终端在高速列车使用过程中遇到的实际问题,利用计算机仿真技术对该型终端不同设计结构进行了有限元仿真计算,得到关键位置的电场以及电位分布情况,并提出一种比较适合高速列车用的热缩电缆终端结构,为该型热缩终端的设计和使用提供依据.
【期刊名称】《电线电缆》
【年(卷),期】2019(000)002
【总页数】4页(P43-46)
【关键词】高速铁路机车;电缆终端;电场;有限元计算
【作者】张大鹏;杨平;夏俊峰;孙建生
【作者单位】上海电缆研究所有限公司,上海200093;宝胜科技创新股份有限公司,江苏扬州225800;上海电缆研究所有限公司,上海200093;上海电缆研究所有限公司,上海200093
【正文语种】中文
【中图分类】TM247.1
0 引言
近些年国内高速铁路的快速发展，不仅对电气化铁路的供电系统提出了更加严苛的要求，也在考验车载电气设备的安全可靠性。

在车载供电系统中，受电弓与车载变压器之间通过电缆进行电气连接。

由于我国铁路采用交流27.5 kV电压供电，需要在电缆终端加装电缆连接附件来均化电场。

通常27.5 kV机车用电缆终端采用的是热缩终端安装模式，并在伞裙末端热缩绝缘套管做接地处理。

在机车运行过程中，电缆终端的热缩绝缘套管一旦发生故障就会严重影响机车安全运行。

本文将利用Comsol Multiphysics对电缆终端的电场进行有限元仿真计算，以得到电缆终端各关键位置的电场及电位情况。

1 电缆终端应用研究现状
电缆终端作为高压电缆连接的重要组件，通过其内部的应力锥或者应力管起到均匀电缆终端电场的作用。

动车组车顶高压电缆及其终端需要长期承受高速和长距离运行中产生的高风阻、频繁的震动冲击、高低温变化等复杂的运行环境。

所以通常采用机械强度相对较高，使用寿命更长的热缩或冷缩电缆终端进行电气连接。

这种终端具有结构简单、安装方便等特点。

电缆通常采用交联聚乙烯（XLPE）或者乙丙橡胶（EPR）等高分子化合物作为绝缘体，这些材料具有较好的介电特性。

电缆绝缘形状通常为规则的同心圆柱体，绝缘内部的电场从导体侧到外半导电屏蔽侧均匀降低。

但在电缆外屏蔽切断处，电场不仅存在垂直于绝缘层的径向分量，还会存在平行于绝缘层的轴向分量。

因此为了保证电缆端部具有与电缆相同的电场强度，就需要采取措施来改善电缆端部的电场强度分布。

对于35kV以下的电缆，通常采用连接带有应力锥（或应力管）的电缆终端来改善电缆外屏蔽切断处电场集中的问题。

西安交通大学张龙等对10kV XLPE电缆终端进行了电场仿真分析，通过建立相应的缺陷模型，得到电缆终端内部的电场分布情况，并对带有缺陷的电缆终端进行了局部放电测试，验证了所建立的仿真模型的正
确性［1］。

华南理工大学王超等利用有限元方法对电缆终端应力进行了计算，结果表明凹陷的存在将导致周围电场分布畸变，局部场强过大［2⁃3］。

但电缆终端外部电场的分布以及影响还没有比较详尽的仿真分析，为此本文结合某型热缩电缆终端应用，计算出其外部电场数值，为电缆终端进一步完善设计提供依据。

2 仿真模型的建立
2.1 高压电场计算理论基础
电缆以及电缆终端上施加电压后，导体会在电缆和电缆终端的绝缘中激发出相应的电场，对于规则圆形电缆中的电场可以采用解析公式进行计算。

设电缆绝缘的内半导电层的外半径为ro，外半导电层的内半径为ri，可以得到电缆绝缘中的距离中
心位置为r处的电场强度E为：
式中，U为电缆内半导电层与外半导电层之间的电压。

但对于安装电缆终端附件后的电缆来说，为了平衡电缆端部电场的轴向分量以及提高爬电距离，电缆附件的几何形状并不是简单的圆柱体。

因此利用解析公式对电缆进行计算需要较大的计算量。

对于这一问题可借助于计算机仿真软件，利用数值分析方法对电缆终端进计算。

宏观的电磁场的基本规律可以利用麦克斯韦方程组来表示。

其微分形式可以表示为：
式中：H为磁场强度（A／m）；E 为电场强度（V／m）；B 为磁感应强度（T）；
D 为电位移向量（C／m2）；J为电流密度（A／m2）；ρ为电荷密度（C／
m3）。

对于工频下的电场分析，因电场随时间变化较慢，故可采用电准静态场来处理，麦克斯韦方程组可改写成：
2.2 电缆终端物理模型建立
本文对某型应用在高铁列车上的27.5 kV电缆终端进行解剖，对电缆终端的各层
结构尺寸进行测量，得到该型终端的物理模型，如图1所示。

图1 电缆终端结构图
通过拆解故障终端，得到终端中各结构的材料属性，如表1所示。

表1 电缆终端中各结构的材料典型参数材料相对介电常数体积电阻率／（Ω·cm）半导电层100 1×105 EPR 2.25 1×1015应力管25 1×1010热缩绝缘伞裙 5.2
5×1014
3 电缆终端电场仿真
本文使用的有限元软件为Comsol Multiphysics，它是一款多物理场仿真软件，
可以将热传导、流体流动、结构力学以及电磁场等不同物理场结合起来，分析比较复杂的工程实际问题。

同时其具有较为强大的求解器，十分适合工程上的仿真计算［4⁃5］。

针对高速列车上电缆终端热缩绝缘套管发生的燃烧故障，重点分析了该型电缆终端附件的内外两部分的电场和电位分布情况。

为了降低此型电缆终端附件燃烧的可能性，提出了两种不同的热缩套管结构（绝缘套管内部加半导电套管和半导电套管），并分析计算了这两种改进热缩套管结构的内外两部分的电场和电位分布情况。

3.1 热缩绝缘套管结构
在Comsol中，根据图1和表1相关的结构以及参数，建立了二维轴对称仿真模型。

在电缆导体上施加频率为50 Hz的27.5 kV交流电压，电缆绝缘屏蔽处进行
接地处理。

得到该结构下的电场和电位分布情况，如图2和图3所示。

图2 电缆终端电场分布情况（单位kV／m，频率50Hz）
图3 电缆终端电位线分布情况（单位kV，频率50Hz）
图4 绝缘套管内外侧电位曲线
从图2可以看出，电场主要集中在电缆的绝缘层中，并在绝缘层与电缆绝缘屏蔽
切断口处较为集中。

由于电应力管的存在，这一集中的情况已经得到进一步改善。

在电缆终端附件的外部热缩绝缘套管中，电场远小于电缆绝缘中的电场强度。

该电场强度并未达到绝缘套管的击穿场强。

但从图3电缆终端电位分布图中可以看出，电位在靠近导体侧的绝缘中较高，并随着绝缘厚度的增加，电位在逐步降低。

而位于电缆外部的热缩绝缘套管中，还存在相应的电位差，这极有可能引起故障。

图4为沿绝缘套管内外两侧的电位曲线。

3.2 对热缩绝缘套管的两种改进方式
为进一步降低电缆终端底部的电位，对热缩绝缘套管结构做了改进，提出如图5
所示的两种结构。

图5 电缆终端底部热缩管改进结构
图6 两种改进结构的电场分布情况
为了分析这两种改进设计的可行性，本文对这两种设计的电场以及电位进行了相应的仿真计算。

这两种设计中加装的半导电热缩管都进行了接地处理，得到的结果如图6和图7所示。

图6a为第一种结构即热缩绝缘套管加热缩半导电管的电场；图6b为第二种单热缩半导电管结构下的电场分布。

对比两种结构的电场，可以看出
电缆终端内部的电场分布并未发生明显的变化。

这说明改变电缆终端底部结构不会对内部绝缘以及起均匀电场作用的电应力管产生影响，而且这两种结构下的终端外电场都比较小，主绝缘击穿风险相对较低。

图7为两种结构的电位线分布情况。

从图7可以看出，同样这两种结构中的电缆终端内部电位和单热缩绝缘套管（见
图3）的电位分布相差不大。

图7 两种改进结构的电位分布情况
但是在电缆终端尾部的电位存在差异，如图8所示。

从中可以清晰地看出，图8a
中复合结构的内外侧电位曲线同样像图4中热缩绝缘管一样存在电位差，由于半
导电热缩管进行了接地，内外电势最大差值在10 V左右，小于热缩绝缘管的30 V。

图8b中半导电热缩管结构中内外层电位曲线重合并且为0V，这是由于将半导
电热缩管进行了接地处理。

接地后就降低了电缆终端击穿以及烧毁的风险。

图8 两种改进结构的内外层电位曲线
4 结束语
通过对应用在高速机车上的电缆终端进行仿真分析计算，得到了该型电缆终端的电场电位分布状况。

可以发现原有的热缩绝缘管结构虽未对电缆终端内部电场造成影响，但热缩绝缘管中存在一定的电位差。

由于高速机车行驶过程中存在复杂环境下的运行工况，这就增大了电缆终端底部击穿的危险。

同时，本文也对电缆终端进行了相关改进设计，并对其进行了仿真计算，解决电缆终端底部电位抬高的问题。

比较有效的设计为：将电缆终端原有的热塑绝缘管替换成半导电热缩管，并对其进行接地处理，将电缆终端底部降为零电位。

当然，进一步的设计检验还需要高压可靠性实验加以验证。

参考文献:
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