常规电缆头附件应用及应力分析

摘要：主要分析了高压电缆应力分布状况，特别是高压电缆屏蔽切断处的电场力，通过当前普遍使用的几种中压电缆附件介绍，使我们详细了解了不同的电缆附件材料的性能、特点、使用注意事项，对电缆头制作及故障分析提供帮助。

关键词：电场力 屏蔽层 应力椎 电缆附件

1 概述

高压电缆头是电气连接中最薄弱的环节，一旦故障对重要的负荷造成很大的经济损失，随着各种节能电器如变频器、软起动器等电子产品的应用，线路中也产生了各种倍频的高次谐波，对电缆头附件产生较大的危害，电缆头附件应用及应力分析就显得格外重要。下面就电缆头电场应力分布及中压电缆附件性能、特点及其应力均衡作用详细分析如下。

2 高压电缆附件及制作的基本要求

电缆终端头与中间头统称为电缆附件。电缆附件应与电缆本体一样能够长期安全运行具有较长的使用寿命。

电缆附件应具有以下特性：接线端子或连接管与线芯连接要好: 主要是连接电阻小而且连接应牢固，能经受起短路电流的冲击；长期运行后其接触电阻不应大于电缆线芯本体同长度电阻的1.2倍。

附件绝缘性能好: 电缆附件的绝缘性能应高于电缆本体，所用绝缘材料的介质损要低，电缆附件能对电缆截面主绝缘电场的突变能够有较大的改善，有明显改善电场分布的特性。

电缆附件运行稳定性良好：附件与电缆本体一样随温度的变化不会改变附件的电特性（绝缘性、介质损）、化学稳定性（高分子结构、耐腐蚀性）及物理性能（机械强度、耐振动），也不会随时间的改变产生上述变化。

3 电场力分析

根据电磁场理论，理想状态下同轴电缆的坡印亭定理，离线芯为R处的电场强度E是与电压U成正比的，与R成反比，对高压电缆来说，电压是交变的工频电压而且叠加了高倍频谐波，电场强度不只是正弦稳态时变场也是高频时变场，因此，对电缆主绝缘内某一点来说，叠加在该点的场量（电场强度、磁场强度）的幅值将随频率的变化而变化，其相量不仅是空间的函数，也是时间的函数，在导体表面及主绝缘（有介质损耗，不是完全绝缘体）中各点的电场强度除径向方向的分量外，尚有沿导线线芯（切线）方向的分量。

根据高压电缆结构，每一相线芯外均有一接地的（铜）屏蔽层，导电线芯与屏蔽层之间形成径向分布的电场，正常电缆的电场只有从（铜）导线沿半径向（铜）屏蔽层的电力线，而且是均匀分布的（如果无介质损的话），局部电位是均衡的；就电缆本体而言，芯线外表面不可能是标准圆，芯线对屏蔽层的距离也不会相等，根据电场概念，电场强度也不尽相同，这对不同部位电缆主绝缘产生的作用是不一样的。为尽量使电缆内部电场均匀，主绝缘层两面由填充及均压作用的半导电层构成，使芯线及芯线与铜屏蔽层之间的主绝缘层形成理想的圆形尺寸，使主绝缘层的厚度基本相等，达到电场力均匀分布的目的。

在做电缆头时，剥去了屏蔽层与半导电层，改变了电缆原有的电场分布状况，使电场分布产生显著的突变，将产生对主绝缘极为不利的沿导线轴向分布的不同角度的电力线，对电缆屏蔽切断处而论增加了场量密度，电力线密度大大增加，剥去屏蔽层芯线的电力线向屏蔽层断口处集中，该处的电场强度就大大增强，电场力也会变大，主绝缘层内的离散带电粒子在高强度电场力的作用下的运动就会加快，带电粒子高速运动碰撞将产生更多的带电粒子，加快了该处的泄漏电流的增加，那么在屏蔽层断口处就是电缆最容易击穿的部位，许多电缆头击穿故障都是这样形成的；另外需要说明的是，我们在制作电缆头时主绝缘是不能损坏的，内部有刀口、凹坑、灰尘等都有可能导致电缆的击穿损坏，其机理是一样的；电缆最容易击穿的屏蔽层断口处，我们通常采取分散聚集中的电力线（电应力），降低势垒效应，一般用应力椎或电应力控制管，套在屏蔽层断口处，用以分散断口处的电场应力（电力线），保证电缆头或中间头能可靠运行。

根据以上分析,要使电缆可靠运行，电缆头制作中应力椎或电应力控制管所起作用非常重要，必须是在不破坏主绝缘层的基础上，才能达到分散电应力的效果，起主要绝缘作用的还是电缆的主绝缘层，电缆头制作附件所起的作用是分散电场力、保护内部主绝缘，增加外部闪络距离。

4 中低压电缆附件主要有热收缩、预制式、冷缩式。就材料性能、使用特点介绍如下：

所用材料一般为以聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯（EVA）及乙丙橡胶等多种材料组分的共混物组成。该类产品主要采用应力管处理电应力集中问题。应力管是一种体积电阻率适中（1010-1012Ωcm），介电常数较大（20--25）的特殊电气参数的热收缩管，利用电气参数使电缆绝缘屏蔽断口处的应力疏散成沿应力管较均匀的分布。这一技术一般用于35kV及以下电缆附件中。

4.1 预制式附件

所用材料一般为硅橡胶或乙丙橡胶。主要采用几何结构法即应力锥来处理应力集中问题。 其主要优点是材料性能优良，安装更简便快捷，无需加热即可安装，弹性好，使得界面性能得到较大改善。存在的不足在于对电缆的绝缘层外径尺寸要求高，通常的过盈量在2～5mm（即电缆绝缘外径要大于电缆附件的内孔直径2～5mm），过盈量过小，电缆附件将出现故障；过盈量过大，电缆附件安装非常困难（工艺要求高）。

4.2 冷缩式附件

所用材料一般为硅橡胶或乙丙橡胶。冷缩式附件一般采用几何结构法与参数控制法来处理电应力集中问题。几何结构法即采用应力锥缓解电场集中分布的方式要优于参数控制法的产品。

与预制式附件一样，材料性能优良、无需加热即可安装、弹性好，使得界面性能得到较大改善，与预制式附件相比，它的优势是安装更为方便，只需在正确位置上抽出电缆附件内衬芯管即可安装完工。所使用的材料从机械强度上说比预制式附件更好，对电缆的绝缘层外径尺寸要求也不是很高，只要电缆附件的内径小于电缆绝缘外径2mm就完全能够满足要求。因此冷缩式附件施工安装比较方便。其最大特点是安装工艺更方便快捷，安装到位后，其工作性能与预制式附件一样。

通过上面系统的应力分析,较为详细的介绍了常见的几种高压电缆附件材料、结构、性能，使我们充分了解了电应力的形成及各种电缆头附件制作的机理,为我们今后在电缆头制作、安装以及电缆头故障分析提供有力的帮助。

参考文献：

[1] 电缆附件说明书.

[2]《电磁场》第二版.冯慈璋主编.

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