本技术方案涉及电力工程技术,提供了一种分析交联聚乙烯与硅橡胶界面接触特性的方法。该方法将界面接触模拟为粗糙表面与理想光滑表面的相互作用,并利用空气间隙模型进行分析,旨在提高界面接触性能的评估准确性。
背景技术
随着交联聚乙烯(Cross-linked polyethylene,XLPE)电缆在输配电网络中的大规模应用,对电缆附件的需求量也快速增长。在所有电缆线路故障中,除外力破坏外,电缆附件故障占比超过86%,电缆附件已成为电缆系统的薄弱环节。电缆附件绝缘结构复杂,安装工艺要求高;然而电缆附件通常在施工现场安装,安装环境难以控制。此外,电缆运行环境复杂,电缆沟积水严重,过负荷、过电压现象频发。
电缆附件使用硅橡胶(Silicone Rubber,SiR)等弹性体绝缘材料,通过过盈配合保证界面绝缘的紧密贴合和整体绝缘强度,同时也在电缆附件中形成了固-固复合界面绝缘结构。然而,即使经过现场砂纸打磨,材料表面仍然存在微米级的凸起和凹陷,当两材料表面在抱紧力作用下接触贴合时,其接触面之间仍存在大量微米级空腔。此外,在绝缘界面处存在含较高切向分量的正交电场,导致电缆附件固-固复合界面的切向绝缘强度远低于固体绝缘本体的绝缘强度。固-固复合界面的接触状态和绝缘性能成为了决定电缆附件甚至整个电缆系统绝缘水平的关键因素。
电缆附件的界面绝缘问题引起了国内外研究者的广泛关注。研究者们围绕材料表面粗糙度、材料力学性能、界面接触压力和界面填充介质等界面绝缘性能关键影响因素以及影响规律开展了广泛研究,并取得了显著成果。挪威科技大学研究者使用S参数表征了不同目数砂纸打磨的材料表面粗糙度,发现界面击穿场强随材料表面粗糙度降低而升高。研究者们也探究了界面压力及材料弹性模量等因素对界面绝缘强度的影响,发现增加界面压力和降低材料弹性模量均可以有效提高界面击穿电压。上述研究均表明,各影响因素通过改变界面接触形貌从而影响界面绝缘性能,界面实际接触形貌是绝缘界面绝缘性能的关键。
Emre Kantar综合材料表面粗糙度、材料力学性能和界面压力等因素,提出了基于最小残余势能的界面接触形貌计算模型,发现在界面压力高、材料表面光滑时界面仅存在彼此孤立的封闭空腔,而当压力降低、粗糙度增大界面会产生由大空腔相互接触而形成的连通间隙。清华大学的研究者则将上述接触理论进一步与弹性力学分析相结合,提出了界面实际接触面积占比与实际接触点数量和实际接触点接触面积的关联模型;上述分析模型将界面绝缘问题的研究从外部因素的影响推进到界面内部的接触结构,加深了研究者们对固-固复合界面接触和击穿问题的认识。而目前固-固复合界面接触形貌分析模型未考虑SiR的超弹性本构关系及材料内应力作用,导致计算误差大,仅能通过实际接触面积占比参量来表征界面接触形貌,无法有效描述界面内部介观尺度的空腔尺寸和局部应力分布特征,而这两者分别是影响界面击穿发展和填充介质迁移的关键。此外,相关研究也缺乏对内部界面实际接触形貌的直接观测和表征,接触形貌分析模型的有效性和准确性仍有待验证。
实现思路