本发明专利技术公开了一种220kV金属型高压电缆接头防爆装置端头部位的折线形设计，包括：通过优化折线偏折角度和法兰尺寸的方法，均衡保护装置端头部位应力分布。利用有限元计算方法，基于电磁‑热和应力场耦合的原理，对不同结构下220kV金属型高压电缆接头防爆壳体端头部位内壁承受的应力进行计算。通过仿真计算，得到不同偏折角度与最大应力值的变化关系，结合保护装置实用性和经济性，采用220kV金属型高压电缆接头防爆装置端头部位折线偏折角度为60°；在端头和壳体连接处优化了法兰的高度和厚度，使端头折线顶点处的应力分布得以均衡，通过仿真计算，采用最优化的法兰高度和厚度分别为20mm和50mm。本发明专利技术通过对比折线型端头结构和弧度型端头结构，认为在相同的技术条件下，折线型端头结构具有更好的经济效益。
【技术实现步骤摘要】
一种220kV金属型高压电缆接头防爆装置端头部位的折线形设计
本专利技术涉及220kV高压电缆接头保护领域，尤其涉及一种220kV金属型高压电缆接头保护装置端头部位的折线形设计。
技术介绍
由于结构复杂，需现场安装且安装工艺参差不齐，导致高压电缆接头成为高压电力电缆运行的薄弱环节。据统计，70％以上的电缆故障出现在接头部位。当高压电缆接头发生绝缘击穿故障时，电弧将在绝缘击穿通道内释放巨大能量，导致电缆接头发生烧毁、爆炸事故。电缆接头爆炸释放的冲击波或碎片会对周围其他电力设施及运维人员造成巨大伤害。因而，需要在高压电缆接头处加装防爆装置，以避免电缆接头爆炸而引起的二次伤害。目前，市场上已开发一系列高压电缆接头防爆装置，以降低此爆炸事故带来的危害。但这些防爆装置，尤其是在其端头部位，都存在内部压力不均衡的问题。当电缆接头发生爆炸时，巨大的电弧能量对保护装置内部产生的冲击力分布将在端头处产生畸变，造成端头某些部位承受的冲击应力远大于其他部位，使得端头部位更容易被炸裂，从而影响保护装置防爆效果。对现行市场常见的电缆接头防爆壳体进行试验测试，结果表明在电缆接头爆炸后，接头保护装置主体部分仍较为完整，而端头部位被严重破坏，出现碎片飞溅的现象。因而，需要对防爆装置端头部位形状进行合理的设计，以均衡爆炸时装置内部的冲击应力。由于短路电弧的能量更大，对输电电压等级的高压电缆接头防爆装置普遍采用金属外壳(大多为铝镁合金)，且为分段式结构，即包含中间本体部分和两端的端头部分。目前，高压电缆接头防爆装置端头部位结构大多仅凭厂家经验设计，没有均衡端头部位内壁冲击波压力分布的措施。通常需要增加防爆装置端头部位的厚度，才能达到防爆效果。采用具有一定的弯曲弧度的端头形状，是均衡装置内部应力分布的有效办法。但对高压电缆接头防爆装置来说，采用弧度设计会明显增加加工过程中的困难程度及制造成本。另外，弧度设计将增加端头部位的长度，可能收到防爆装置实际安装条件的限制，可行性较低。由以上分析可知，端头部位的弧形设计存在加工、使用以及成本方面的问题；折线形设计又必然会有顶点，压力分布会在该点处集中。但在折角顶点处采用法兰连接，相当于进行了结构局部加强，会使得该点处的应力值下降。因而，通过对端头部位折线偏折角度以及与保护装置本体连接的法兰高度和壁厚的设计，可以解决折线型设计内壁压力分布在折角处集中的问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种220kV金属型高压电缆接头保护装置端头部位的折线形设计，用以解决现有的220kV高压电缆接头保护装置端头部位的弧形设计存在加工、使用以及成本问题和折线形设计内壁应力分布在折角处集中的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种220kV金属型高压电缆接头保护装置端头部位的折线形结构，包括：在220kV高压电缆接头防爆装置中，其端头部位选择有偏折角度的折线形结构，并且在折角顶点处采用法兰连接，相当于进行了结构局部加强，使得在顶点处的应力畸变程度下降。优选地，220kV金属型高压电缆接头故障时，短路电弧释放的能量通过气流作用于防爆壳体，在壳体上产生应力，防爆壳体内壁出现最大应力值以及应力畸变最明显的位置为保护装置端头与本体的连接处，即折角顶点处。优选地，220kV金属型高压电缆接头防爆装置端头部位的应力分布计算，采用有限元软件，建立220kV金属型高压电缆接头防爆装置爆炸过程的仿真模型，通过热-流体-应力多物理场耦合的原理，计算短路电弧产生的爆炸冲击波在防爆装置上产生的冲击应力分布，得到壳体最大应力值和壳体平均应力值。优选地，折角顶点处所受的最大应力值可通过选取最合适的折线偏折角度α来改变其最大应力值。优选地，220kV金属型高压电缆接头防爆装置壳体承受应力的大小除与气流冲击力有关外，在壳体折线顶点处采用加厚的法兰，可起到缓解壳体内部应力分布作用。优选地，设计不同端头部位折线偏折角度以及与保护装置本体连接的法兰厚度h和高度L，通过仿真计算得出最优的折线偏折角度和法兰厚度、高度值。优选地，220kV金属型高压电缆接头防爆装置端头结构的折线偏折角度确定为60°，折线顶点连接法兰厚度确定为20mm，高度为50mm，腔体内的应力畸变系数k降至1.48。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的220kV金属型高压电缆接头保护装置端头部位的折线形结构，通过对比初始、优化折线形端头部位和弧度型端头结构，可使保护装置内壁应力畸变系数从初始的4.72降至1.48，认为优化折线形端头部位具有较低的应力畸变系数，防爆性能较好；在相同的技术条件下，优化折线形端头结构具有更好的经济效益。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的多物理场之间耦合作用形式图；图2是本专利技术优选实施例的高压电缆接头保护装置仿真模型图；图3是本专利技术优选实施例的高压电缆接头保护装置折线形端部结构图；图4是本专利技术优选实施例的三维保护装置应力分布示意图；图5是本专利技术优选实施例的保护装置实物图；图6是本专利技术优选实施例的防爆装置泄能孔上盖板处气压变化过程图；图7是本专利技术优选实施例的防爆装置端头部位折线偏折角度与最大应力值的关系曲线；图8是本专利技术优选实施例的不同法兰结构下端头部位的应力特征值；图9是本专利技术优选实施例的折线形端头的结构图；图10是本专利技术优选实施例的高压电缆接头保护装置爆前示意图；图11是本专利技术优选实施例的应变花安装示意图和实物图；图12是本专利技术优选实施例的试验过程和试验测得的典型应变波形图；图13是本专利技术优选实施例的弧度型端头结构图；具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。参见图1，针对电缆接头短路电弧引起爆炸的问题，其核心是温度场、流体场和应力场相互作用的结果，由于电弧爆炸所引起的温度升高，然后气体膨胀，冲击防爆壳体，因而在壳体上产生应力，通过分析总结了电缆接头仿真中多物理场之间耦合的作用关系。参见图2，以220kV金属型高压电缆接头防爆装置为主要应用对象，给出了其端头部位折线型设计方法。根据国内外相关文献以及工程上220kVXLPE绝缘高压交流电缆附件各部位的几何参数，参考国内附件厂家生产附件原型以及材料承受的电场强度，在COMSOLMultiphysics仿真软件中按照1:1的比例建立了二维轴对称仿真模型。金属型防爆装置采用5系铝镁合金材料，防爆装置长度为2200mm，内壁厚度为460mm，壁厚为8mm。在前期研究仿真中得到了220kV高压电缆接头因绝缘击穿产生的大电流电弧的等效热损耗，因此将22本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种220kV金属型高压电缆接头防爆装置端头部位的折线形结构设计，其特征在于，包括：/n当所述220kV金属型高压电缆接头故障时，短路电弧释放的能量通过气流作用于防爆壳体，在壳体上产生应力，防爆壳体内壁出现最大应力值以及应力畸变最明显的位置为保护装置端头与本体的连接处，即折角顶点处。在220kV高压电缆接头防爆装置中，其端头部位优化选择有特定偏折角度的折线形结构，并且在端头和本体的连接处(折角顶点处)采用优化尺寸的法兰连接，使得在顶点处的应力畸变程度得以缓解。/n
【技术特征摘要】
1.一种220kV金属型高压电缆接头防爆装置端头部位的折线形结构设计，其特征在于，包括：
当所述220kV金属型高压电缆接头故障时，短路电弧释放的能量通过气流作用于防爆壳体，在壳体上产生应力，防爆壳体内壁出现最大应力值以及应力畸变最明显的位置为保护装置端头与本体的连接处，即折角顶点处。在220kV高压电缆接头防爆装置中，其端头部位优化选择有特定偏折角度的折线形结构，并且在端头和本体的连接处(折角顶点处)采用优化尺寸的法兰连接，使得在顶点处的应力畸变程度得以缓解。
2.根据权利要求1所述的220kV金属型高压电缆接头防爆装置端头部位的应力畸变程度，其特征在于，所述采用有限元软件，建立220kV金属型高压电缆接头防爆装置爆炸过程的仿真模型，通过热-流体-应力多物理场耦合的原理，对短路电弧产生的爆炸冲击波在防爆装置上产生的冲击应力进行计算，得到壳体最大应力值与壳体平均应力值之比，称之为应力畸变系数。
3.根据权利要求1所述的220kV金属型高压电缆接头防爆装置端头部位的折线形结构，其特征在于，所述壳体承受应力的大小除与气流冲击力以及壳体材料和局部厚度有关...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨鑫，钟淼龙，孙浩天，陈欣刚，祝欢欢，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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