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高压电缆终端应力锥应力变化的现场测试分析
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0引言
以往电力系统故障发生概率的统计表明，电缆附件发生故障的比例占到电缆运行故障的一半以上[1]。电缆附件包括电缆终端和接头[2]。由于电缆终端本身结构、制作和连接及运行条件的复杂性，极易发生故障，是电力系统安全运行的薄弱环节 [3]。高压电缆终端一旦发生故障，将会造成大面积的停电事故，造成很大的直接和间接经济损失。为了避免电缆终端故障的发生，通过在电缆屏蔽末端套上橡塑预制件等方法，可使电缆绝缘和屏蔽层的直径得到扩大，形成应力锥，改善电缆终端的电场集中现象，从而增加电力输配系统的安全性。橡胶应力锥和电缆绝缘之间应保持一定的界面压力[4-7]。界面压力和电缆终端的电气性能关系密切，随着界面压力的增加，界面所承受的电应力会变大，但是当界面压力达到了一定程度以后，界面所能承受的电应力将不再有变化。如果界面压力太大，电缆绝缘在界面压力的作用下有可能发生变形，影响电缆绝缘的电气性能。文[8]采用在电缆附件中预埋压力传感器的方法，对界面压力和界面所能承受最大电应力之间的关系进行实验研究。文[9]采用光弹性实验的方法测得初装电缆附件应力锥和环氧套管接触界面压力的分布状况。文[10]采用有限元方法计算了应力锥的位移和应力分布。文[11]利用在自制电缆接头模型的铝管内部粘贴应变片的方法，研究了初装接头的界面压力的分布。
电缆终端的破坏通常发生在运行状态下，对运行状态下电缆终端界面压力变化情况目前国内外的研究较少，因此进行运行状态下电缆终端的界面压力变化情况的研究是十分必要的。笔者根据橡胶预制应力锥电缆终端的结构特点，提出现场电测实验方案，对运行状态下电缆终端橡胶应力锥受力变化情况进行测试，籍此反映界面压力的变化规律。
1测试原理与方案
笔者研究的高压电缆终端结构技术特点是橡胶应力锥和环氧套管共同作为绝缘增强元件及电应力控制元件起作用，同时采用弹簧结构对橡胶应力锥施压，将其顶在环氧套管内侧，从而增加橡胶应力锥对电缆绝缘表面的压力，并维持长期可靠的工作压力，达到增加终端沿电缆绝缘表面的击穿强度的目的。根据这一特点，提出了现场橡胶应力锥应力变化电测的实验方案，通过粘贴应变片的方法测量应变。应力锥受到压力和测量应变之间的关系为F=Geπd3/2(2d-d) (1)
式(1)中，F为应力锥受到的压力，。为测量应变，d为弹簧丝直径，D为弹簧直径和弹簧丝直径之差，G为弹簧材料的剪切弹性模量。
当测得应变以后，根据式(1)，可以求得应力锥受到的压力。应力锥应力的变化情况可通过应力锥受到压力的变化情况反映出来。采用现场静、动态应变测试的数据，计算出高压电缆终端运行过程中应力锥受到压力的变化情况，反映出橡胶应力锥和电缆绝缘之间界面压力的变化规律。
2实验仪器和设备
该实验所需的仪器和设备有:WDW-100A电子万能试验机、YJ28A-P10R静态数字电阻应变仪、测位移百分表、千分尺、DH5935动态应变测试系统、便携式微机、应变片、导线、划线高度尺、烙铁、丙酮、万用表、220 kV橡胶预制应力锥式高压电缆终端。
3数据采集
3.1电缆终端初装时的数据采集
初始安装时利用YJ28A-P10R静态数字电阻应变仪进行数据采集。YJ28A-P lOR静态数字电阻应变仪见图1，安装好的测试装置见图2。弹簧压紧装置安装好时，记下应变数值，为617x10-6。
3.2电缆终端运行时的数据采集
实验中采用的电缆为铜芯聚乙烯绝缘及护套电缆，电缆承载的电流为交流电，两次实验电压不同，分别为110 kV和220 kV。该实验利用DHDAS数据采集系统采集动态应变信号，动态应变测试系统见图3，采集结果见图4。图4中横坐标为采集的时间，纵坐标为采集的应变数值，可以看出，采集到的信号为震荡信号。
4数据处理及分析
根据式(1)，计算得到初装完成时应力锥受到每个弹簧的压力为214.7 N。该电缆终端共采用8只弹簧均匀分布压紧应力锥，应力锥受到的总压力为1717.6 N。
为了描述电缆终端运行时应变的变化幅度和变化趋势，从采集的数据中每30 s分别取出一个最大应变值、最小应变值，得到应变的变化曲线，见图5,6。运行时采集的数据没有计人初装应变，故在数据处理时应该考虑初装应变。将考虑初装数据的应变代人式(1)，计算得到应力锥受到压力的变化曲线，见图7,80。
从图5可知，当施加的电压为110 kV时，应变最大值经历一个先变小后变大的过程，并最终达到稳定。在通电时间为3 000 s左右时，应变最大值中出现一个最小值，然后应变最大值逐渐变大，到9 000 s以后趋于稳定;当施加电压为220 kV时，应变最大值的变化规律和施加电压为110 kV时类似，值约为110 kV的两倍。从图6可知，应变值小于0，表示较初装时，弹簧变形减小，应力锥受到的压力变大。当施加电压分别为110 kV和220 kV时，应变最小值和应变最大值的变化规律相似，在通电时间为3000s左右时，应变最小值中出现一个最小值，然后应变最大值逐渐变大，到9 000 s以后趋于稳定。电压为220 kV时的应变最小值大约为110 kV时的2倍。
从图7可知，应力锥受到的最大压力经历一个先变小后变大的过程，并最终达到稳定。在通电时间为3 000 s左右时，最大压力值中出现一个最小值，然后最大压力值逐渐变大，到9 000。以后趋于稳定;当施加电压为220 kV时，最大压力值的变化规律和施加电压为110 kV时类似，值约为110 kV的2倍。从图8可知，当施加电压分别为110 kV和220 kV时，应力锥受到的最小压力的变化规律和受到最大压力时的过程类似。但是，当施加电压为220 kV时，应力锥受到的最小压力值约施加电压为110 kV时的1/2。
5结语
初始安装压力符合应力锥安装受到压力的设计标准，说明实验是可行的，数据采集是可靠的。实验测得初装时应力锥变形、受力和文[10、12]的数值模拟初装结果相一致。
应力锥应力的变化幅度和电压有关，电压越大，变化幅度越大。通电一段时间以后，应力锥受到压力的变化幅度趋于稳定。在运行状态下，橡胶应力锥的应力变化和电缆终端施加电压有关，说明界面压力的变化也和电压有关。220 kV时应力锥受到的最大压力比110 kV时应力锥受到的最大压力要大，而最小压力的情况则与之相反，这也说明电压为220 kV时，电缆终端更容易发生事故。