基于均衡应力分布的高压电缆接头保护装置安全裕度提升方法.pdf

第 17 卷 第 7 期2023 年 7 月南方电网技术SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGYVol.17，No.7Jul.2023基于均衡应力分布的高压电缆接头保护装置安全裕度提升方法雷佳成1，杨鑫1，董盼1，仇炜2，蒋凌峰1，刘尧3（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114；2.广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000；3.国网北京市电力公司，北京 100031）摘要：高压电缆接头短路电弧易引发爆炸、失火，造成二次伤害，需加装保护装置。而保护装置结构的不均匀性导致应力分布畸变，出现防爆薄弱环节，针对性地提出了基于均衡应力分布的电缆接头保护装置安全裕度的提升方法。采用爆源等效方式，利用基于温度场、流体场、位移场耦合的有限元计算方法，对保护装置内部短路电弧冲击过程进行仿真计算。以220 kV弹簧收缩泄能方式电缆接头保护装置为计算实例，保护装置内部应力最集中的区域位于端头收缩处，应力畸变率达到24%，端头收缩处的应力导致装置的安全裕度值仅为4.09%。因此认为提升电缆接头保护装置安全裕度的关键在于降低应力畸变率。进而提出了在电缆接头保护装置内侧应力集中区域覆盖陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料的方法来提升保护装置的安全裕度，经计算选择6 mm厚的材料覆盖内侧应力集中区域，可将装置的应力畸变处的畸变率降至7%，安全裕度值提升至31.81%，使保护装置整体的安全裕度提升至18.18%。与传统提升方法相比，更具针对性，促进设备的轻质化发展，为220 kV高压电缆接头安全设计提供了新的解决思路与方法。关键词：高压电缆接头；均衡应力分布；安全裕度；高分子材料；多物理场耦合Safety Margin Improvement Method of High Voltage Cable Joint Protection Device Based on Equilibrium Stress DistributionLEI Jiacheng1,YANG Xin1,DONG Pan1,QIU Wei2,JIANG Lingfeng1,LIU Yao3（1.School of Electrical Engineering Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China；2.Zhuhai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Zhuhai,Guangdong 519000,China；3.State Grid Beijing Electric Power Company,Beijing 100031,China）Abstract：High-voltage cable joint short-circuit arcs can easily cause explosions and fires,resulting in secondary damage,so protective devices need to be installed.The irregular structure of the protection device leads to the deformation of the stress distribution,which becomes the weak link of explosion protection.A method to improve the safety margin of cable joint protection device based on equilibrium stress distribution is proposed.Using the explosion source equivalent method and the finite element calculation method of coupling temperature field,magnetic flux field and displacement field,the simulation calculation of the short-circuit arc impact process in the protection device is carried out.Taking the 220 kV spring contraction energy release method cable joint protection device as a calculation example，the area with the most concentrated stress inside the protective device is located at the end contraction,with a stress distortion rate of 24%,and the stress at the end contraction results in a safety margin value of only 4.09%for the device.It is considered that the key to improve the safety margin of the cable joint protection device is to reduce the stress distortion rate.A method of covering the inner stress concentration area of the cable joint protection device with ceramic silicon rubber polymer composite refractory material is proposed to improve the safety margin of the protection device.After calculation,a material with a thickness of 6 mm is selected to cover the inner stress concentration area,which can reduce the stress of the device.The distortion rate at the stress distortion point is reduced to 7%,and the safety margin value of the protection device is increased to 31.81%,increasing the overall safety margin of the protection device to 18.18%.Compared with the traditional improvement method,it is more targeted,promotes the development of lightweight equipment,and provides new solutions and methods for the safety design of 220kV high-voltage cable joints.Key words：high-voltage cable joint；equilibrium stress distribution；safety margin；polymer materials；multi-physics coupling文章编号：1674-0629（2023）07-0027-10 中图分类号：TM75文献标志码：ADOI：10.13648/ki.issn1674-0629.2023.07.004基金项目：国家自然科学基金面上基金资助项目（52177015）；广东电网有限责任公司科技项目（GDKJXM20161905）。Foundation item：Supported by the General Project of National Natural Science Foundation（52177015）；the Science and Technology Project of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.（GDKJXM20161905）.南方电网技术第 17 卷0引言高压电缆线路作为城市电网的骨干网络，对城市电网的安全运行发挥着越来越重要的作用。由于电缆接头结构复杂，需要现场安装且安装工艺参差不齐，使其成为电缆线路的绝缘薄弱环节1-2。据统计，电缆接头短路电弧故障约占电缆运行事故的70%以上3-4。高压电缆接头短路电弧能量巨大，易引发爆炸事故，破坏周围电力设施，危及运维人员的人身安全5。为了构建电缆设备的安全失效模式，降低电缆接头短路电弧故障带来的二次破坏，通常采用在电缆接头处加装保护装置，以起到防爆和灭火作用6。对高压电缆接头来说，由于短路电弧能量巨大，爆炸后通过爆轰和燃烧导致装置内部产生爆炸冲击波，会对保护装置造成极大冲击。因而，本文的研究主要侧重于防爆功能的实现。高压电缆接头保护装置的防爆功能主要从保护装置材料、泄能孔和泄能方式3个方面实现。1）目前保护装置采用的材料以阻燃性玻璃钢和铝镁合金为主，由于玻璃钢无法承受 220 kV高压电缆接头燃弧试验的爆炸波能且散热性较差，220 kV接头保护装置宜采用铝镁合金材料7。2）现有铝镁合金保护装置通常在壳体采用双泄能孔设计，即在电缆接头两端的应力锥所对应保护装置的位置（接头易故障部位）分别开设一个泄能孔，最有利于泄能8-9。3）接头保护装置的泄能方式大都采用直接开口式，即泄能孔处仅有一层薄膜覆盖；但该方式下，发生接头内部短路故障时，仍会有大量高温高压气体和固体喷溅物从泄能孔直接喷出，会对周围电力设备和运维人员造成二次伤害。针对高压电缆接头保护装置的开口方式，前期研究中提出了在泄能孔处加装带弹簧收缩式泄能装置，最大程度减少从泄能孔喷出的固体喷溅物对周围设备和人员造成伤害。但由于泄能装置的弹簧有一定的启动时差，造成短路电弧初期保护装置仍处于密封环境，释放的能量不能及时有效排出，导致带弹簧收缩式保护装置设计的壁厚比不安装泄能装置的保护装置厚2 mm10，并且在测试过程中发现某些部位存在安全裕度较低的问题。因此，迫切需要进一步提升弹簧收缩泄能方式的高压电缆接头保护装置的安全裕度。为此，需要在弹簧收缩式泄能装置动作之前，对其内部发生短路电弧的冲击过程进行有效仿真计算。目 前 基 于 流 体 动 力 学（computational fluid dynamics，CFD）的短路电弧冲击过程仿真计算方法是近些年来尝试采用的方法，文献 11-12 提出基于磁流体动力学原理，构建电弧等离子模型，计算得到的压力数值准确度较高，但计算量过于庞大，对实际工程计算的应用有限。综上，本文采用爆源等效方式，利用温度场、流体场、位移场耦合有限元计算方法，对弹簧收缩式保护装置在短路电弧冲击作用下安全裕度进行仿真计算，指出影响保护装置安全裕度的薄弱部位。采用在影响安全裕度的薄弱部位覆盖能起缓和、均衡短路电弧冲击作用力高分子复合材料，提高薄弱部位的安全裕度和整体安全裕度，进而提升保护装置整体的安全性能。与传统提升方法相比，更具针对性，促进装置的轻质化发展，为高压电缆接头保护装置安全等级提升提供了新的解决思路与方法。1电缆接头保护装置内部短路电弧冲击过程仿真计算方法1.1基于多物理场耦合和爆源等效的冲击过程仿真计算原理和方法1.1.1多物理场耦合计算原理与方法高压电缆接头保护装置内部短路电弧的发生过程涉及复杂多变的物理及化学过程13。这些过程涉及快速时间变换和空间分布，其中有较多高度非线性参数14，同时又涉及可压缩气体的流动、热量的发散与吸收、物体性质的变化、物质的构成、电磁场的分布等15-17。在设置爆源能量后，爆炸冲击过程可按图1耦合作用所示。温度会影响流体场中材料的相关参数，而流场在变化过程中影响温度传递；空气受热图1耦合作用形式Fig.1Coupling effect form28第 7 期雷佳成，等：基于均衡应力分布的高压电缆接头保护装置安全裕度提升方法膨胀后对外壁产生冲击，使外壁发生形变，反过来又会影响空气的流速，应力在温度的影响下发生变化，导致固体结构产生形变，而固体结构发生的形变反过来又会影响温度场的数值离散求解区域大小18。针对图1的耦合机制，本文基于温度场、流体场、位移场耦合的有限元方法进行数值计算，物理场方程、耦合方程及边界条件与文献 18 的设置相同。1.1.2电弧能量爆源等效方法文献 19 对电缆接头短路电弧能量采用基于磁流体动力学模型的方法进行了仿真计算，得到了不同短路电流下的故障电弧电压以及绝缘电弧击穿通道内的等效热损耗。根据 220 kV电压等级下继电保护的相关整定原则，针对通流量为 2 000 A 的220 kV高压电缆，发生接地短路的继电保护动作时间为130 ms。按磁流体动力学模型计算可得这一过程产生的电弧能量为6.23107 J。该能量值与后文额定等级12 kV、50 kA的试验电源在130 ms时间内产生的能量近似相等。220 kV高压电缆接头绝缘击穿的短路电弧通常为直径为2.2 mm、高度为24 mm（绝缘层厚度）的圆柱形等离子体模拟。本文仿真中在设定电弧模型时，为降低计算复杂度，以等体积原则，将220 kV高压电缆接头绝缘击穿产生的电弧等效为半径4.4 mm的热源球体，对应的电弧能量换算至该球体的能量热损耗密度即为 2.31015 W/m3。在设定爆源能量后，对其释放时间设为130 ms，假定其在130 ms时间内持续均匀释放。由于电缆接头短路电弧的位置多出现在附件两端应力锥和外半导体剥离层处18，为了使仿真结果与实际情况更为符合，将爆源位置设在模型中轴线上正对泄能孔处。1.2冲击过程的三维仿真模型参考文献 18-20 以及实际 220 kV XLPE绝缘高压交流电缆附件各部位的几何参数，根据国内附件厂家生产附件原型以及材料承受的电场强度，可在COMSOL Multiphysics仿真软件中按照1：1的比例建立三维仿真模型。本文模型中，220 kV金属型电缆接头保护装置采用5系铝镁合金材料，装置长度为2 200 mm，宽度为 460 mm。保护装置主体仿真模型图如图 2所示。1.3仿真计算条件由于实际电缆接头及保护装置结构复杂且尺度相差较大，不同材料、形状的附件较多；因而对实际电缆接头加装保护装置进行建模时，不但要考虑建模复杂度，而且网格剖分不能过于细化。因此，有必要对实际电缆接头加装保护装置的结构在一定的精度下进行简化计算条件的处理，以适应于电缆接头加装保护装置发生短路电弧冲击过程的仿真计算21-23。1）由于保护装置内部发生短路电弧故障至泄能孔开启泄压的时间较短（一般为40 ms），因此不考虑保护装置微小气缝泄漏作用，对孔隙作封闭处理。2）为了实现最严重情况下的仿真计算，直观地体现短路电弧产生的高温、高压气体对保护装置的冲击效果，对电缆接头保护装置内部作空腔处理，以此来校验保护装置的极限抵受性能。3）多物理场中温度场所采用边界条件为最外层设置为物体表面与周围环境对流交换的系数24；流体场所采用边界条件是设置边界为壁25；应力场采用边界条件为保护装置表面设置为壁26。1.4计算方法的可靠性验证采用上述仿真计算方法，包括下列步骤：1）基于爆源等效，利用温度场、流体场、位移场耦合的有限元计算方法，把爆源能量按能量热损耗密度设为 2.31015 W/m3；2）220 kV 高压电缆接头直接开口泄能方式的保护装置采用5系铝镁合金材料时，按总长度为2 200 mm、直径为460 mm的尺寸进行图2高压电缆接头保护装置仿真模型图Fig.2Simulation model diagram of high-voltage cable joint protection device29南方电网技术第 17 卷建模；3）计算得到泄能孔开口直径为160 mm，装置壁厚为 6 mm，端头收缩部位偏折角度为 60。能满足内部短路电弧冲击过程的安全设计要求，即泄能孔顺利打开，壳体不被撕裂。直接开口泄能方式保护装置仿真模型图如图3所示。按上述设计参数进行加工，得到了 220 kV 电缆接头直接开口泄能方式的保护装置。保护装置内置截面为2 500 m2的220 kV电缆及其成套电缆接头装置，对其进行了冲击大电流燃弧试验。试验现场布置如图4所示。试验在苏州电器科学研究院股份有限公司进行。按GB/T18890.22015额定电压220 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第2部分：电缆27规定试验的电源装置选择额定电压为12 kV、额定电流为 50 kA。试验中设定短路持续时间设为 t=130 ms，以此校验保护装置的防爆安全性能。试验前，首先对 220 kV 高压电缆接头内部人为设置短路引弧点，即将缆芯和铜壳通过铜线进行人工短接。试验设置的短路连线示意图如图 5所示。高压电缆接头燃弧试验过程中记录的电压电流波形和试验数据如图6、表1所示。高压电缆保护装置燃弧试验现场观察到的现象主要为：在燃弧过程中，爆炸产生的高速气体通过泄能孔快速泄能，起到有效保护作用。燃弧试验结束后，保护装置外壳未发现明显变形，未见烧穿痕迹；泄能孔未见变形且可被顺利被打开，测得的由泄能孔喷发的反射压力与爆源等效方式的仿真测量的冲击压力值相近。经过燃弧试验后的保护装置如图7所示。测试证明由1.1节计算方法设计的直接开口泄能方式的保护装置满足 GB/T 18890.22015 的内图3直接开口泄能方式保护装置仿真模型图Fig.3Direct opening discharge mode protection device simulation modeling diagram图4高压电缆接头保护装置试验布置图Fig.4Test layout drawing of high-voltage cable joint protection device图5人为设置试验短路故障点连线示意图Fig.5Artificially short circuit fault point connection setting diagram图6电缆接头内部燃弧试验电压电流波形图Fig.6The waveform of voltage and current in internal arc test of cable joint表1燃弧试验数据Tab.1Arc-burning test data样品名称带保护装置接头试验相数单相试验电压/kV12.1短路电流对称电流/kA50.7峰值电流/kA127.4短路持续时间/ms13030第 7 期雷佳成，等：基于均衡应力分布的高压电缆接头保护装置安全裕度提升方法部电弧燃弧试验规定27。从而验证了本文所提出基于爆源等效方式并利用温度场、流体场、位移场耦合的有限元计算方法的可靠性。2220 kV电缆接头保护装置安全裕度计算2.1弹簧收缩泄能方式的 220 kV 电缆接头保护装置本文以 220 kV 弹簧收缩泄能方式的保护装置为实例对象，尺寸和材料见1.2节，实物图如图8所示。带弹簧收缩式泄能装置采用的弹簧数量为8根，均匀分布在泄能孔四周。电缆接头正常运行时弹簧拉紧泄能孔，泄能孔闭合；电缆接头发生短路电弧故障时，产生的冲击应力增加到一定程度，使弹簧收缩，泄能孔打开泄能10。该泄能方式可以最大限度地降低爆炸时泄能孔的喷溅物，电缆正常运行时又可以起到防潮防水的作用，已在珠海供电局电缆线路上应用。该保护装置通过设计弹簧的弹性系数，可使发生短路电弧冲击到泄压打开需要40 ms10，即弹簧动作时间tmax=40 ms。在40 ms以内可以认为保护装置内部仍处于密封环境，导致带弹簧收缩式保护装置在t=40 ms时刻保护装置所受应力最大；在40 ms以后，泄压板打开，内部膨胀气体迅速释放，保护装置受力迅速下降。因而，选择040 ms之间的时间段进行保护装置安全设计的参考时段。通过前期的计算，端头收缩部位是内部应力分布集中的部位。为降低该处应力值，结合装置的经济性，采用端头收缩部位弯折角度为60 28。2.2电缆接头保护装置的安全裕度及其计算实例为反映保护装置的安全性能，定义保护装置的应力畸变率为装置应力最大时刻下，最大应力值与平均应力值的差值与平均应力值的比值。由式（1）计算。D=g-aveave 100%（1）式中：D为应力畸变率；g为保护装置所受最大冲击应力值；ave为保护装置内壁平均应力。定义保护装置的安全裕度为装置应力最大时刻下，材料断裂应力值与最大应力值之差与材料断裂应力值的比值，由式（2）得到。K=j-gj 100%（2）式中：K为安全裕度；g为保护装置所受最大冲击应力值；j为材料的极限断裂应力，采用铝镁合金材料时，j取值为2.2108 N/m2。保护装置的安全裕度计算关键在于壳体所能承受的最大冲击应力值。对220 kV弹簧收缩泄能方式的保护装置来说，电缆接头保护装置所受最大冲击应力值g应为泄压板动作时刻tmax装置承受的最大应力值。计算实例以2.1节220 kV弹簧收缩泄能方式的保护装置的原型为模型，采用电弧能量密度为Q=2.31015 W/m3，电缆接头保护装置采用5系铝镁合金材料，装置长度为2 200 mm，宽度为460 mm。图7高压电缆接头保护装置爆后实物图Fig.7Post-explosion diagram of high-voltage cable joint protection device图8220 kV高压电缆接头保护装置实物图Fig.8220 kV high-voltage cable joint protection device31南方电网技术第 17 卷通过仿真计算，在t=40 ms时，找到短路电弧冲击过程中保护装置内壁应力最大点g所在位置，如图9所示。应力最大点的位置位于保护装置端头收缩部位折线顶点处。装置内壁上应力最大点对应的 g=2.11108 N/m2，平均应力值为 ave=1.71108 N/m2。由式（1）计算可得应力最大区域端口折线部位的应力畸变率达到了24%。由于电缆接头保护装置一般采用铝镁合金材料，j一般取值为2.2108 N/m2。通过（2）式可得电缆接头保护装置的安全裕度K=4.09%。2.3电缆接头保护装置安全性能分析选取图2所示内壁截线，绘制内壁截线所受应力曲线图，如图10所示。图10红色标记线为该内壁截线的应力平均值，由式（1）（2）可知，应力极值越大，应力畸变率越大，装置的安全裕度越小。因此，保护装置安全裕度受应力集中区域的应力极值影响最大。由2.2节可知，保护装置的安全裕度值由应力分布极值处的应力值决定。从图9的应力分布云图来看，由于保护装置端头收缩部位的应力分布集中，导致整个装置的安全裕度值较低，使其安全性能大打折扣。3覆盖高分子材料保护装置安全裕度设计方法目前电缆接头保护装置安全裕度的提升主要采用“堵”的思路，即在现有保护装置厚度的基础上继续增加厚度。然而，随着保护装置的厚度增加，一方面导致装置重量和体积大幅增加，经济性差；另一方面，由于内部短路电弧引起的爆炸波作用在壳体上，导致壳体应力分布不均匀，会导致薄弱部位的防护效果失效，进而引起壳体破裂。因此，需要从改善防爆薄弱部位的应力分布角度，探索有效的保护装置安全裕度提升方法。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变；泊松比反映材料横向变形的弹性常数，泊松比越大，形变的弹性程度越大。在相同气体冲击压力下，材料的杨氏模量和泊松比对冲击力分布的影响较大29。选择覆盖较高杨氏模量和泊松比的材料（多为高分子材料）能够有效缓和、均衡部分爆炸冲击波产生的冲击力，从而达到提升薄弱环节的耐冲击抵受性能。为提高保护装置的安全裕度，本文采用在装置内侧应力分布集中的区域覆高分子材料，缓和、均衡保护装置所受冲击力，提升保护装置的耐冲击抵受性能，从而提高保护装置的安全裕度。3.1覆盖高分子材料的选择由材料特性对冲击抵受性能的影响及考虑保护装置的运行工况要求，所选择的高分子覆盖材料应满足：1）具有较高的杨氏模量和泊松比；2）具有防火阻燃性能；3）成本低易加工。综合考虑这些因素，本文选用陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料为覆盖层。材料如图11所示。陶瓷化硅橡胶复合耐火材料是利用硅基材料，以硅橡胶为基料及载体，经过高温炉或火焰的烧结成陶瓷化体。具备良好的电绝缘性能，可以达到1 2001 500 不燃烧，加工工艺简单、价格较低30。陶瓷化高分子复合耐火硅橡胶的参数如表2所示。3.2材料覆盖方法本文采用在保护装置内侧覆盖陶瓷化高分子复合耐火材料。为了不影响后续运维，且达到最优覆盖效果，应对材料的覆盖区域和材料厚度进行优化图9电缆接头保护装置应力最大点分布图Fig.9Distribution diagram of maximum stress of cable joint protection device图10电缆接头保护装置内壁截线所受应力关系图Fig.10The relationship diagram of the stress on the inner wall of the cable joint protection device32第 7 期雷佳成，等：基于均衡应力分布的高压电缆接头保护装置安全裕度提升方法设计。覆盖区域的确定原则应为：在保护装置内部所承受较大的应力集中区域进行覆盖。材料覆盖区域确定方法如下。1）通过仿真计算，找出泄压装置动作时刻tmax时间段内，不同时刻保护装置所受应力集中区域，并进行标记。2）选取不同时刻保护装置应力集中区域所在位置的并集，作为高分子材料覆盖区域，并绘制覆盖区域示意图。覆盖的陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料越厚，在相同条件下保护装置所承受的冲击应力越小，但由于实际应用场景的需要，不宜过厚。覆盖层厚度的确定原则应为：通过厚度的选择使冲击应力均衡，并符合实际运行需要。材料厚度选择方法如下。1）选取不同厚度的陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料对标记的区域进行覆盖，计算在泄压装置动作时刻tmax，保护装置覆盖区域所受最大应力g1。2）绘制覆盖区域所受最大应力随覆盖层厚度的变化关系曲线图，以最大应力变化规律为依据，确定覆盖层厚度d。在覆盖材料的区域和厚度确定后，对保护装置整体的安全裕度进行核算。1）在指定区域覆盖厚度为d的陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料后，通过仿真计算，找出覆盖材料后装置内的薄弱环节即应力最大值处。2）计算覆盖后的保护装置的整体安全裕度，与覆盖前的安全裕度进行对比，核算覆盖之后的整体强度是否满足要求。3.3覆盖区域确定的计算实例以1.2节的保护装置模型为计算实例，通过仿真计算得到保护装置发生短路电弧冲击过程应力点分布。当tmax=40 ms时刻内，在保护装置完全密封条件下，选择爆源功率为Q=2.31015 W/m3、壁厚为8 mm进行仿真，计算出不同时刻保护装置最大应力点分布情况，如图12所示。由图 12可知，保护装置在不同时刻的短路电弧冲击过程中，应力最大区域均为图中标记处（颜色越深代表保护装置所受应力越大），由此可知，在整个冲击过程中，保护装置所受应力较大区域都集中在端头收缩处，因此选择不同时刻保护装置应力集中区域所在位置的并集，作为高分材料的覆盖区域。高分子材料覆盖区域示意图如图13所示。由图 13所示，红色区域为高分子材料覆盖区域示意图区。3.4覆盖区域安全性能分析以 1.2 节的建立的模型为基础，在其模型内侧，按照图13所示标识区域覆盖陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料。覆盖陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料后的模型如图14所示。通过仿真计算得到保护装置发生短路电弧冲击图11陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料Fig.11Ceramic silicon rubber polymer composite refractory material表2陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料参数表Tab.2Parameters of ceramic silicone rubber polymer composite refractory materials属性杨氏模量/Pa泊松比密度/（kg m-3）恒压热熔/（J kg-1 k-1）导热系数/（W m-1 k-1）数值1.21090.471.421037900.09图12不同时刻应力较大区域分布图Fig.12Distribution map of areas with greater stress at different moments33南方电网技术第 17 卷过程泄压板动作时刻为t=10.5 ms。当覆盖层的厚度d=6 mm时，电缆接头保护装置所受应力云图如图15所示。由图 15可知，覆盖了高分子材料后，保护装置所受冲击应力分布集中区域明显发生了变化，覆盖区域所受的应力分布明显改善，验证了高分子材料覆盖的方法可以有效均衡、改善壳体所受冲击应力的分布。选取不同厚度的陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料对图13所标记区域进行覆盖，分别计算在泄能板动作时刻tmax覆盖区域所受的最大应力。绘制最大应力随覆盖高分子材料厚度变化关系图，如图16所示。由图 16可知，随着覆盖陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料的厚度增加，保护装置受到的应力逐渐下降，当覆盖陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料厚度为6 mm时，其覆盖区域所受最大应力值为g1=1.5108 N/m2，覆盖区域的保护裕度相比覆盖之前提升了 27.72%，应力畸变率减低了 17%。当覆盖厚度大于6 mm时，覆盖区域最大应力值随覆盖厚度的增加下降趋势变缓，即继续增加厚度，对应力的改善情况相对不再明显。因而，考虑技术指标要求，经济性和实际运行需要，覆盖层厚度选择为6 mm。3.5覆盖陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料后保护装置整体安全性能分析通过覆盖陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料，使保护装置原先应力最大畸变处的的应力分布趋于平缓。但会使应力最大畸变处转移至装置主体的其他部位，因此还需要对保护装置整体的应力分布和图13高分子材料覆盖区域示意图Fig.13Schematic diagram of cabinet door coverage area图14覆盖材料后模型图Fig.14Model picture after covering materia图15覆盖6 mm厚高分子材料后应力分布云图Fig.15Stress distribution cloud diagram after covering with 6 mm thick polymer material图16覆盖区域应力最大值随材料厚度变化关系曲线图Fig.16The relationship between the maximum stress in the coverage area and the thickness of the material34第 7 期雷佳成，等：基于均衡应力分布的高压电缆接头保护装置安全裕度提升方法安全裕度进行分析计算。通过仿真计算得到保护装置发生短路电弧冲击过程泄压板动作时刻为 tmax=40 ms。当覆盖层的厚度d=6 mm时，电缆接头保护装置整体所受应力云图如图17所示。对比图 13可知，最大应力分布点位置发生了变化，但保护装置的整体应力下降。此时装置内壁的应力不再集中，最大应力也仅为g2=1.84108 N/m2；由式（2）计算可知，此时保护装置整体的安全裕度 K 为 18.18%，相比覆盖之前的 4.07%，提升了14.09%。因而，考虑技术指标要求，经济性和实际运行需要，覆盖层厚度选择为 6 mm，可以较好提升220 kV 弹簧收缩式高压电缆接头保护装置运行可靠性。4结论针对 220 kV 弹簧收缩泄能方式高压电缆接头保护装置内部短路电弧引发的爆炸造成二次伤害的问题，本文从保护装置安全裕度的角度出发，提出了提高保护装置安全裕度的计算方法和设计建议。主要结论如下。1）本文基于温度场-流体场-位移场的多物理场耦合的有限元计算方法，利用爆源等效方式，对220 kV弹簧收缩泄能方式电缆接头保护装置内部短路电弧冲击作用下的安全裕度进行了计算，得到其安全裕度为4.09%，指出提升保护装置安全裕度的关键在于提升其薄弱部位的安全裕度。2）采取在其内侧应力集中区域覆盖陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料的方法来提升关键部位的安全裕度。得出在其所受应力集中区域需覆盖6 mm厚陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料，可以使覆盖区域的安全裕度提升至31.81%，使保护装置整体的安全裕度提升至18.18%，有效地降低应力集中区域所受的冲击应力，提升其整体的安全性能。3）本文采取对安全裕度薄弱的部位覆盖高分子复合材料的方法均衡应力分布以提升保护装置的安全性能。较传统方法相比，更加具有针对性，一定程度上促进设备的轻质化，为高压电缆接头运行安全的提升提供了新的解决思路与方法。后续需加强该方法在实际电缆接头保护装置中的测试和应用。参考文献1马超，李宁，李新平，等.基于红外热成像的电缆终端漏油缺陷检测机理分析 J.南方电网技术，2021，15（5）：58-63.MA Chao，LI Ning，LI Xinping，et al.Detection mechanism analysis of cable terminal with leakage fault based on infrared thermographyJ.Southern Power System Technology，2021，15（5）：58-63.2肖晓，程绳，陈思哲，等.邻近三相电抗器的电缆线路接地线发热问题分析与治理 J.南方电网技术，2022，16（7）：101-107.XIAO Xiao，CHENG Sheng，CHEN Sizhe，et al.Analysis and treatment on heating problem 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