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35kv冷缩电缆终端头的绝缘结构设计

来源:上海民熔电气集团有限公司 发布时间:2025-07-19 20:53:00

35kv 冷缩电缆终端头的绝缘结构设计是平衡电场分布、抵御环境侵蚀与长期可靠性的核心,其核心目标是将电缆绝缘末端的电场畸变控制在安全范围(电场强度≤25kV/mm),同时通过材料与结构的协同,实现 “无间隙密封 + 动态适应” 的双重功能。针对 35kV 电压等级的绝缘特性(额定电压 35kV,工作电压 40.5kV),其绝缘结构需通过 “主绝缘强化 + 应力控制优化 + 屏蔽协同” 的三层设计,满足工频耐压 95kV/1min、雷电冲击耐压 200kV 的严苛要求,适配配电线路、变电站等多场景应用。
一、绝缘结构的核心组成:从 “电场控制” 到 “环境防护”
35kv 冷缩电缆终端头的绝缘结构由内至外可分为四个功能单元,各单元既独立发挥作用,又通过参数匹配形成协同绝缘体系。
1. 应力控制单元:解决电场集中的 “关键防线”
电缆绝缘屏蔽层在终端头处的截断会导致电场急剧集中(峰值可达 100kV/mm,远超绝缘材料耐受限),应力控制单元通过 “几何优化 + 材料非线性” 双重手段分散电场:
  • 应力锥结构:采用 “指数曲线” 轮廓设计(锥角 30°-45°),从屏蔽层断口向终端头末端平滑过渡,使电场强度从 50kV/mm 梯度降至 10kV/mm 以下。锥长需满足 L≥1.5× 电缆绝缘厚度(如电缆绝缘厚 10mm 时,锥长≥15mm),电场分布均匀;

  • 非线性电阻材料:应力锥主体采用添加碳化硅(SiC)颗粒的三元乙丙橡胶(EPDM),其体积电阻率随电场强度升高而降低(电场从 1kV/mm 增至 10kV/mm 时,电阻率从 10¹⁴Ω・cm 降至 10⁸Ω・cm),通过 “高场强区分流” 效应进一步抑制电场峰值。

某 35kV 终端头的电场仿真显示,优化后的应力锥可使屏蔽断口处的电场强度从 80kV/mm 降至 20kV/mm,处于 EPDM 橡胶的耐受范围内(击穿场强≥30kV/mm)。
2. 主绝缘层:绝缘强度的 “基础载体”
主绝缘层是终端头抵御工作电压与过电压的核心,其设计需兼顾厚度与材料性能:
  • 材料选择:采用高密度交联三元乙丙橡胶(EPDM),介电常数控制在 3.0±0.2(与电缆绝缘的聚乙烯介电常数 2.3 接近,减少界面反射),体积电阻率≥10¹⁴Ω・cm,绝缘电阻≥1000MΩ;

  • 厚度设计:主绝缘层厚度按 “工作场强≤5kV/mm” 计算,35kV 终端头的绝缘厚度需≥8mm(40.5kV 工作电压 ÷5kV/mm=8.1mm),且在应力锥根部等关键区域加厚至 10mm,形成局部强化;

  • 工艺控制:采用模压硫化工艺(温度 160℃±5℃,压力 10MPa),橡胶交联度≥80%,避免内部气泡(直径≤0.1mm)导致的局部放电(1.73 倍额定相电压下局部放电量≤5pC)。

3. 内屏蔽与外屏蔽层:电场边界的 “封闭系统”
屏蔽层的设计需实现 “电缆屏蔽 - 终端屏蔽 - 接地系统” 的平滑过渡,避免边界处的电场畸变:
  • 内半导电屏蔽层:紧包电缆绝缘表面,采用半导电 EPDM 橡胶(体积电阻率 10³-10⁵Ω・cm),与电缆屏蔽层搭接长度≥20mm,电流连续导出,消除界面电场;

  • 外半导电屏蔽层:覆盖主绝缘层外侧(除伞裙区域),厚度 1-2mm,通过法兰与接地端子连接,将表面感应电荷导入大地,避免表面电场集中(表面场强≤3kV/mm);

  • 屏蔽过渡区:内、外屏蔽层在应力锥末端形成 “渐变过渡”(长度≥50mm),电阻率从 10⁵Ω・cm 线性过渡至 10¹⁴Ω・cm,防止屏蔽边界的电场突变。

4. 伞裙与护套层:绝缘与环境防护的 “复合屏障”
35kV 冷缩终端头的外层结构需兼顾绝缘延伸与环境耐受,其设计与绝缘性能直接相关:
  • 伞裙结构:采用 “大伞 + 小伞” 交替设计(大伞直径 200mm,小伞 160mm,间距 40mm),爬电比距≥25mm/kV(35kV 终端头总爬电距离≥875mm),在潮湿环境中通过增加沿面距离降低闪络风险;

  • 护套材料:外层护套采用耐候型 EPDM(添加 2% 炭黑),邵氏硬度 60±5,断裂伸长率≥200%,在 - 40℃~90℃温度循环下不龟裂,同时具备抗紫外线(氙灯老化 1000 小时性能保持率≥80%)与耐盐雾(500 小时无开裂)能力。

二、电场优化设计:从 “仿真验证” 到 “结构落地”
35kV 冷缩终端头的绝缘结构设计需通过电场仿真指导参数优化,理论设计与实际性能一致,核心在于解决三个关键电场问题。
1. 屏蔽层断口的电场控制
  • 问题:电缆绝缘屏蔽层截断处因 “导电 - 绝缘” 边界突变,电场会形成 “尖端效应”,峰值可达正常场强的 5-8 倍;

  • 解决方案

  • 应力锥轮廓采用 “余弦曲线”(y=Acos (Bx)+C),通过调整系数使电场强度随距离呈指数衰减;

  • 在屏蔽断口内侧设置 “半导电缓冲环”(宽度 10mm),通过介电常数梯度(从电缆绝缘的 2.3 过渡到终端绝缘的 3.0)降低界面反射。

仿真数据显示,采用该设计后,屏蔽断口处的电场峰值从 80kV/mm 降至 22kV/mm,处于安全范围。
2. 终端头与电缆的界面防护
  • 问题:电缆绝缘与终端头主绝缘的界面若存在气隙(≥0.05mm),会因介电常数差异(空气 1.0,橡胶 3.0)导致电场集中(可达 50kV/mm),引发局部放电;

  • 解决方案

  • 终端头内壁预涂半导电胶(介电常数 3.5),填充界面微小缝隙,使气隙率≤0.1%;

  • 冷缩收缩力控制在 0.2-0.3MPa,界面压力稳定,避免温度变化导致的间隙产生。

3. 伞裙边缘的电场优化
  • 问题:伞裙边缘为 “绝缘 - 空气” 边界,易形成沿面电场集中,雨天水膜会进一步加剧;

  • 解决方案

  • 伞裙边缘采用圆角设计(R≥5mm),降低曲率半径导致的电场增强(边缘场强从 30kV/mm 降至 15kV/mm);

  • 相邻伞裙的直径差≥40mm,避免上下伞裙间的电场叠加(叠加系数从 1.5 降至 1.1)。

三、材料协同设计:绝缘性能的 “化学保障”
35kV 冷缩终端头的绝缘结构性能,依赖各层材料的参数匹配,任何一种材料的性能偏差都可能导致整体绝缘失效。
1. 主绝缘与应力控制材料的参数协同
  • 介电常数匹配:主绝缘 EPDM 的介电常数(3.0)与应力锥非线性材料(3.2)差值≤0.3,避免界面电场畸变;

  • 硫化特性同步:主绝缘与应力锥采用相同硫化体系(过氧化物硫化),在硫化过程中同步交联(交联度偏差≤5%),避免因收缩率差异产生内应力。

2. 屏蔽材料与绝缘材料的导电梯度
内屏蔽层的体积电阻率(10³-10⁵Ω・cm)需与主绝缘层(10¹⁴Ω・cm)形成 10⁹倍以上的梯度,电荷快速导出但不影响绝缘性能;外屏蔽层则需与接地系统可靠连接(接触电阻≤50mΩ),避免悬浮电位产生。
3. 环境耐受材料的性能叠加
外层护套的耐候性能需与主绝缘的长期稳定性匹配:
  • 耐臭氧性能(200pphm×48 小时无裂纹)在工业环境中不老化;

  • 耐化学腐蚀(3% 盐水浸泡 1000 小时,体积变化率≤5%)适配沿海、化工场景;

  • 阻燃性能(UL94 V-0 级)满足变电站等防火要求。

四、结构设计的标准依据与测试验证
35kV 冷缩电缆终端头的绝缘结构设计需严格遵循 GB/T 12706.4《额定电压 1kV 到 35kV 挤包绝缘电力电缆附件》,核心测试验证项目包括:
1. 电气性能测试
  • 工频耐压:95kV/1min 无击穿、无闪络;

  • 局部放电:1.73 倍额定相电压(35kV/√3≈20.2kV)下,局部放电量≤5pC;

  • 雷电冲击耐压:200kV(1.2/50μs)正负性各 10 次无击穿。

2. 环境适应性测试
  • 热循环试验:-30℃~90℃循环 30 次后,绝缘电阻保持率≥90%,局部放电量无明显增长;

  • 水树老化试验:在 0.1% NaCl 溶液中施加 1.73 倍相电压,1000 小时后无可见水树(长度≤50μm)。

某厂商的 35kV 冷缩终端头通过全项测试,其绝缘结构在热循环后的局部放电量仍保持 3pC,电场分布均匀性(场强 / 平均场强 = 1.2)优于行业平均水平(1.5)。
结语:35kV 绝缘设计的 “平衡之道”
35kv 冷缩电缆终端头的绝缘结构设计,本质是 “电场控制 - 材料性能 - 环境适应” 的三维平衡:通过应力控制单元解决电场集中,依靠高品质 EPDM 橡胶绝缘强度,借助屏蔽与伞裙设计实现边界防护。这种设计既满足 35kV 电压等级的绝缘要求,又通过冷缩技术的弹性特性,适应电缆运行中的热胀冷缩与环境应力,终实现 20 年以上的免维护寿命。
对于电力工程而言,这种结构设计的价值不仅在于通过标准测试,更在于实际运行中的 “零故障” 表现 —— 在多雨山区、沿海盐雾等复杂环境中,其绝缘结构能始终将电场控制在安全范围,成为 35kV 配电系统可靠运行的 “隐形基石”。


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