（广东长牛电气科技有限公司）
应力锥与应力管顾名思义均为电缆附件电应力控制元件，是中高压电缆附件中的重要部件，对电缆附件内部电场分布和电场强度控制起着积极和有效的作用。
终端结构设计主要依据电场分布特点和规律，准确地分析其电场分布，制定相应的均化电场的措施[1]。理论告诉我们，电缆终端安装时，电缆开剥后，电场分布比电缆绝缘层内的分布复杂得多，突出表现在靠近金属护套边缘处电场强度明显增强，具有较大的轴向应力，即电场有沿着电缆长度方向分布不均匀的分量。
控制和均化畸变的场强，将终端简化为链形的等效回路，是常用的分析和解决问题最有效的方法。经推导，最大电场强度发生在靠近金属护套边缘处，该处电场强度E可用与剥切长度L有关的双曲余切函数表示[2]：
（kV/mm）……（1）
式中：E—为绝缘界面切向场强；
—为相电压；
—为等效半径，即 R为绝缘外半径r1为线芯半径；
—为电缆绝缘材料相对介电常数；
—为媒质相对介电常数；
L—剥去电缆金属护套的长度；
k—为与表面情况有关的常数。
当剥去电缆金属护套的长度L达到一定数值时，双曲余切函数：
……（2）
则式（1）可简化为：
（kV/mm）……（3）
为改善金属护套边缘处电场分布，从公式（3）可知，通过采取诸多措施：如在工厂绝缘上施加新的绝缘层，以增大等效半径；也可将绝缘浸入介电常数较大的油中；也可以采取增大周围媒质的相对介电常数，或者减小电缆绝缘材料的相对介电常数；在金属屏蔽层边缘的绝缘表面涂以半导电漆，可以减少沿表面的阻抗和金属屏蔽层附近的电位梯度；采用应力锥；采用电容锥式接头盒，强迫电场均匀分布等。
实际应用中，10kV挤包绝缘电缆外屏蔽切断处的场强处理有两种方法：即应力锥（几何型）和应力控制层（参数型）[3]，此参数型以应力管分析为例。
几何型主要是采用应力锥缓解电场应力集中，是目前最为流行，且应用最为广泛的一种方法。它是根据理论曲线，以直代曲的方法，让应力锥从绝缘屏蔽层的切断处开始延伸，使零电位形成喇叭状，从而改善绝缘屏蔽层的电场分布，使电场强度控制在规定的设计范围内，保证电缆的运行寿命和安全。（图1：应力锥电位分布示意图）
.png)
图1：应力锥电位分布示意图
1—金属屏蔽；2--导体；3--等位线；4--应力锥
从图1中可以看出，应力锥的弧形设计使绝缘屏蔽层切断处的电场分布得以改善，电场强度分布相对均匀，避免了电场集中。
参数型从上世纪70年代研发至今也得到一定应用和推广，基本原理是采用高介质系数或可变电阻率（电阻率与电场强度成反比）的材料制成管材、带材或片材，施加到电缆绝缘屏蔽末端的绝缘表面上，以控制电缆接头或终端的电应力，使其在能接受的设计范围内。（图2：应力管电位分布示意图）
.png)
图2：导电管电位分布示意图
1—金属屏蔽；2--导体；3--等位线；4--应力管
大家知道，电缆绝缘本身有体积电阻（）和体积电容（），绝缘表面有表面电阻（）和表面电容（），从图3电缆末端等效电路可以看出，这些电阻和电容都是分布参数。要使屏蔽末端电位分布趋于均匀，就得改变这些参数，由于电缆末端屏蔽切断后必须留有一段绝缘，而这段绝缘的体积电阻和体积电容无法改变，只能改变表面电阻和表面电容。如果使电缆末端绝缘表面电阻减小，则电位也随之降低，这样做是有效果的，但因表面电阻减小，表面泄漏电流会增加，导致电缆绝缘表面发热，这是不利的。另一方法是增大屏蔽末端绝缘表面电容，从而降低这部分的容抗，也能使电位降下来，容抗减小会使表面电容电流增加，但不会导致发热，由于电容正比于材料的介电常数，也就是说要想增大表面电容，可以在电缆屏蔽末端绝缘表面附加一层高介电常数的材料。
.png)
图3：电缆末端等效电路
从上述推导的公式（3）中也可得知，增大周围媒质的相对介电常数是改善金属护套边缘处电场分布一种有力措施，人们根据经验公式，常常选用高介电常数的材料（一般介电常数为25~30）制成应力控制管来代替应力锥，安装在电缆绝缘屏蔽层切断处以降低其电场强度。虽然在理论上介电常数是越高越好，但是介电常数过大引起的电容电流也会产生热量，促使应力控制材料老化。同时应力控制材料作为一种高分子多相结构复合材料，在材料本身配合上，介电常数与体积电阻率是一对矛盾，介电常数做得越高，体积电阻率相应就会降低，并且材料电气参数的稳定性也常常受到各种因素的影响，在长时间电场中运行，温度、外部环境变化都将使应力控制材料老化，老化后的应力控制材料的体积电阻率会发生很大的变化，体积电阻率变大，应力控制材料成了绝缘材料，起不到改善电场的作用，体积电阻率变小，应力控制材料成了导电材料，使电缆出现故障。这就是应用应力控制材料改善电场的热缩式电缆附件为什么只能用于中压电力电缆线路和热缩式电缆附件经常出现故障的原因所在，同样采用冷缩应力管和应力控制带的电缆附件也有类似问题。
10kV电缆终端常见有绕包式终端、热缩式终端、冷缩式终端和预制式终端。绕包式终端因制作工艺落后，手工成分多，逐步淘汰。热缩、冷缩、预制式终端广泛采用，其内部应力控制均采取应力锥或应力管结构，电气性能良好，满足市场需求。
从几何型（应力锥）、参数型（应力管）控制电场理论上看，应力锥更精确，更优越于应力管结构。进一步利用有限元法ANSYS静电场模块和电场数值计算方法，对10kV终端绝缘结构进行模拟仿真，通过比较电缆终端在应力锥、应力管两种形状时的电位分布及场强分布情况，更能证明两者之间的差异或区别。
以10kV电缆终端应力控制件为应力锥和应力管两种结构为分析对象，分别建立场域模型，并用二维轴对称场域代替三维场，且图形为1/2平面模拟周围电缆终端有限域，外部半圆形区域为模拟电缆终端周围的无限空气开区域，单元类型使用PLANE121单元。见图4：10kV电缆终端（应力锥）网格剖分图；图5：10kV电缆终端（应力管）网格剖分图。
.png)
图4：10kV电缆终端（应力锥）网格剖分图
.png)
图5：10kV电缆终端（应力管）网格剖分图
电缆终端电场计算主要是通过考察一些关键部位和介质交界面的电场分布，通过调节应力控制件的形状来优化电场分布达到技术要求。图6：10kV电缆终端（应力锥）电场分布图；图7：10kV电缆终端（应力管）电场分布图。
.png)
图6：10kV电缆终端（应力锥）电场分布图
.png)
图7：10kV电缆终端（应力管）电场分布图
.png)
图8：10kV电缆终端（应力管）电场分布局部放大图
比对两者应力控制件附近合成电场分布情况，从图中可以看出应力锥电场控制得更均匀，而应力管电场控制稍差，从图8电场分布局部放大图中明显看出，应力管端部仍有高场强存在。
应力锥和应力管在10kV电缆终端上的应用已有多年成熟的运行经验，产品设计中，只要几何形状或参数值在理论范围内有一定裕度，满足国家或行业相关技术标准，是完全安全可靠的。应力管制作成本低，工艺简单，仅在10kV热缩式电缆附件得以应用，因其电场强度控制略显不足，35kV以上电压等级的电缆附件产品应力锥结构占为主导，被业内人士认可，并得到广泛应用和推广。
参考文献：
[1]卓金玉，电力电缆设计原理，机械工业出版社，1999年9月
[2]河南电力技师学院，电力行业高技能人才培训系列教材，电力电缆工，中国电力出版社，2007年10月
[3]印永福，电线电缆手册第3册，机械工业出版社，2001年7月