超高壓電纜系統(tǒng)現(xiàn)狀及可靠性的分析研究

張東斐， 唐慶華， 滿玉巖， 王 偉， 孫建生，劉定成， 徐曉峰， 李春剛

(1.天津市電力公司，天津300010;2.天津市電力科學(xué)研究院，天津300384;3.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

我國正處在工業(yè)化及城市化階段，對(duì)能源的需求非常迫切。隨著城市化建設(shè)要求的不斷提高，我國發(fā)達(dá)地區(qū)城市及省會(huì)城市趨向于在城市中心區(qū)域用高壓電力電纜傳輸電能。目前，高壓電纜輸電網(wǎng)絡(luò)在快遞增長(zhǎng)，故障率也有逐漸升高的趨勢(shì)，其中除了安裝敷設(shè)以及后期的運(yùn)行維護(hù)階段的因素外，高壓電力電纜系統(tǒng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)也是十分重要的。

1 概述

近年來，我國高壓電纜市場(chǎng)需求激增，由此也促進(jìn)了高壓電纜生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模及產(chǎn)能的擴(kuò)張，尤其是2008年以來，以立式連續(xù)交聯(lián)(VCV)為代表的高壓電纜生產(chǎn)建設(shè)異突起。圖1顯示了歷年來我國VCV生產(chǎn)線累計(jì)投產(chǎn)情況，特別是最近兩年，新增的VCV生產(chǎn)線超過了以前20年的總量，這表現(xiàn)出我國線纜行業(yè)高壓電纜發(fā)展的現(xiàn)狀，但同時(shí)可能帶來的諸多問題也令整個(gè)行業(yè)乃至社會(huì)憂慮。

本文在對(duì)超高壓電纜和附件生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)提高電纜系統(tǒng)可靠性相關(guān)的因素進(jìn)行了初步分析，提出若干建議。

圖1 歷年來我國VCV生產(chǎn)線累計(jì)增加情況

1.1 全球高壓及超高壓電纜應(yīng)用情況

據(jù)第二屆世界電線電纜大會(huì)英國商品研究所(CRU)的資料統(tǒng)計(jì)，2008年全世界高壓及超高壓電纜的總產(chǎn)量為14.21萬t標(biāo)準(zhǔn)銅，按代表規(guī)格1 000 mm2計(jì)算，約合16 000 km。高壓及超高壓電纜的用銅量為電力電纜總用銅量的3%，產(chǎn)值是電力電纜總產(chǎn)值的8%，產(chǎn)量及產(chǎn)值只占整個(gè)電力電纜市場(chǎng)的一小部分。同為CRU統(tǒng)計(jì)，中國超高壓電纜的應(yīng)用僅占世界的9%，由此可見，中國的超高壓電纜應(yīng)用仍有較大空間。

1.2 我國高壓及超高壓電纜發(fā)展情況

據(jù)上海電纜研究所信息中心(SECRI－INFO)統(tǒng)計(jì)，2003～2008年我國高壓電纜導(dǎo)體產(chǎn)量的復(fù)合年度增長(zhǎng)率(CAGR)為33.4%，同期全部電力電纜導(dǎo)體產(chǎn)量CAGR為13.8%。

2008年我國高壓及超高壓交聯(lián)電纜的產(chǎn)量約為9 450 km，同比增長(zhǎng)29.6%。SECRI－INFO調(diào)查了國內(nèi)20家企業(yè)，2007、2008年這20家企業(yè)產(chǎn)量分別占當(dāng)年全國總產(chǎn)量的89.6%和88%。其結(jié)構(gòu)性的數(shù)據(jù)分析反映了高壓及超高壓交聯(lián)電纜制造和生產(chǎn)集中度的實(shí)際情況。

1.3 我國高壓及超高壓電纜附件發(fā)展情況

在110 kV電壓等級(jí)，我國電纜附件制造企業(yè)在國際上已經(jīng)處于中上等水平，國產(chǎn)附件也占據(jù)了國內(nèi)絕大部分市場(chǎng)。但是我國超高壓(220～500 kV)電纜附件發(fā)展仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電纜本體發(fā)展，中國市場(chǎng)幾乎被實(shí)力雄厚的日本和歐洲的公司所占據(jù)。我國有實(shí)力制造超高壓電纜附件的企業(yè)屈指可數(shù)，220 kV電纜附近件通過一年預(yù)鑒定試驗(yàn)的只有四家企業(yè)，截至2009年年底，500 kV電纜附件在國內(nèi)僅有一家企業(yè)通過了有關(guān)機(jī)構(gòu)的型式試驗(yàn)。

我國超高壓電纜附件與國外差距比較大，只能配套220 kV等級(jí)電纜，中間接頭關(guān)鍵部件還大多依賴進(jìn)口，500 kV電纜附件在研究之中，因此在超高壓領(lǐng)域，我國仍較多采用國外電纜附件。

2 高壓電力電纜制造影響因素分析

2.1 原材料

優(yōu)質(zhì)的原材料是生產(chǎn)高質(zhì)量電纜的前提條件這一。運(yùn)行良好的供應(yīng)商評(píng)價(jià)體系、完善的原材料檢測(cè)手段、可追溯的質(zhì)量信息管道成為超高電纜原材料質(zhì)量控制的關(guān)鍵組成。

優(yōu)秀的制造商能夠切實(shí)按批次對(duì)材料(如銅桿、護(hù)套料等)進(jìn)行抽檢，確保其質(zhì)量。作為特例，目前我國超高壓電纜采用的關(guān)鍵材料，即絕緣和半導(dǎo)電超凈料均為進(jìn)口。由于其潔凈度的特殊性，沒有一個(gè)廠家對(duì)這些材料的入庫驗(yàn)收過程進(jìn)行實(shí)質(zhì)的質(zhì)量，一般都是查驗(yàn)質(zhì)保文件以及產(chǎn)品的外包裝情況。此外，由于檢測(cè)條件的限制，國內(nèi)機(jī)構(gòu)也很少能對(duì)些材料進(jìn)行檢驗(yàn)。而電纜的絕緣是反映電纜電氣性能的核心部分，絕緣料的耐電強(qiáng)度及其他電氣參數(shù)的高低，直接關(guān)系電纜絕緣性能，從而影響電纜系統(tǒng)的可靠性。

2.2 電纜制造工藝過程

(1)導(dǎo)體絞制

導(dǎo)體附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最高，因此對(duì)超高壓電纜的質(zhì)量直接相關(guān)。目前，國內(nèi)制造電纜企業(yè)對(duì)電纜導(dǎo)體的生產(chǎn)都相當(dāng)重視，大都采用了國內(nèi)甚至國際上先進(jìn)的絞制和成纜設(shè)備，生產(chǎn)能力上調(diào)研的廠家能生產(chǎn)的最大導(dǎo)體截面都為2 500 mm2，個(gè)別的具備3 000 mm2，圓整度也基本達(dá)到要求。實(shí)際上，在導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，除了設(shè)備，還有很多關(guān)鍵的因素能夠左右最終的產(chǎn)品質(zhì)量。如絞制成品上銅屑的處理、半成品的管理(盤具的保護(hù)、在收線盤內(nèi)的層間保護(hù)以及每層導(dǎo)體間的保護(hù))、大截面分分割導(dǎo)體的成纜圓整度。

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，一些廠家在大截面分割導(dǎo)體制造質(zhì)量上還需要提高工藝水平，主要表現(xiàn)在圓整度不夠，有凸脊突出，進(jìn)而導(dǎo)致下一工序的導(dǎo)體屏蔽與電纜絕緣界面，就不得不增加導(dǎo)體屏蔽的厚度。

(2)絕緣擠出

超高壓電力電纜絕緣的制造國內(nèi)幾乎都采用了目前世界上最選進(jìn)的工藝:三層共擠、導(dǎo)體預(yù)熱、在線偏心監(jiān)測(cè)、熱應(yīng)力在線松弛，而且國內(nèi)還都用VCV生產(chǎn)線來生產(chǎn)。表1是參加調(diào)研的6個(gè)廠家的VCV線的數(shù)量和制造廠家。

表1 參加調(diào)研廠家的VCV線的數(shù)量和制造廠家

除了先進(jìn)的制造設(shè)備，決定超高壓電纜絕緣質(zhì)量的還有諸多因素，如材料、工藝條件、連續(xù)開機(jī)時(shí)間、過濾網(wǎng)、去氣工藝等。

連續(xù)開機(jī)時(shí)間，參加調(diào)研的公司在生產(chǎn)220 kV電纜時(shí)一般都控制在7天左右。過濾網(wǎng)的問題，據(jù)有關(guān)資料介紹，國外電纜制造商傾向于使用高目數(shù)的過濾網(wǎng)，并且層數(shù)也較多。一些廠家采用的是進(jìn)口的過濾網(wǎng)，據(jù)稱質(zhì)量比國產(chǎn)的要穩(wěn)定。

去氣是高壓電纜生產(chǎn)過程中很關(guān)鍵的一個(gè)步驟，對(duì)提高電纜電氣性能和滿足電壓試驗(yàn)要求至關(guān)重要。即使對(duì)中壓電力電纜，去氣也是十分重要的，在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)交聯(lián)電纜出廠試驗(yàn)局放超標(biāo)，放置一段時(shí)間后重新試驗(yàn)又合格的情況。究其原因，主要是交聯(lián)副產(chǎn)物濃度過高。

去氣工藝的關(guān)鍵是設(shè)備和技術(shù)參數(shù)的選擇。技術(shù)參數(shù)上溫度一般取60～70℃，時(shí)間上與絕緣厚度相關(guān)，220 kV電纜一般為10～16天，設(shè)備上一般采用帶加熱和溫控設(shè)備的烘房。在去氣期間，溫度控制的準(zhǔn)確度以及均勻性十分重要。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)有的廠家采用自制加熱烘房，帶溫控設(shè)備。

超高壓電纜絕緣質(zhì)量缺陷主要有異物、氣孔和突起。工藝上可采取的相應(yīng)控制手段有:在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，由過濾網(wǎng)來強(qiáng)化過濾，以及控制溫度、壓力等制造條件;在檢查手段方面，所有使用的樹脂都要經(jīng)過檢查，并采用端頭切片檢查。值得一提的是，材料向擠出機(jī)輸過程、材料在擠出機(jī)機(jī)體及機(jī)頭的流動(dòng)過程中也不可避免地會(huì)產(chǎn)生異物。同時(shí)，還要努力減少擠出螺桿和機(jī)頭上的物質(zhì)殘留。不再單純追求擠出效率，而是轉(zhuǎn)向追求擠出的塑化質(zhì)量以及擠出機(jī)頭各處熔融體流速均一，減小偏心。

(3)金屬護(hù)套和外護(hù)層

金屬護(hù)套生產(chǎn)多樣化，有的采用壓鋁機(jī)生產(chǎn)，也有的采用包覆金屬帶有氬弧焊焊接生產(chǎn)。應(yīng)該說，兩種工藝各有千秋。在調(diào)研中我們也發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)企業(yè)為了滿足不同客戶的需要，大多配置了兩套設(shè)備，既能擠制金屬護(hù)套，也能焊接。表2是參加調(diào)研廠家的金屬護(hù)套生產(chǎn)線的數(shù)量和型式。

表2 參加調(diào)研廠家的金屬護(hù)套生產(chǎn)線的數(shù)量和型式(鋁套)

擠制金屬護(hù)套的工藝關(guān)鍵是在更換鋁錠時(shí)溫度的控制，包括降溫措施的應(yīng)用和可靠性。焊接金屬護(hù)套的工藝關(guān)鍵是焊縫的處理以及在線探傷設(shè)備的應(yīng)用。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)有的廠家焊接縫下有較大的顆粒。如果正好軋紋后焊縫下的大顆粒處于波紋的凹處，當(dāng)電纜在運(yùn)行中膨脹時(shí)，對(duì)電纜的運(yùn)行將會(huì)留下隱患。

高壓電纜的外護(hù)層除了常規(guī)的機(jī)械性能要求外，為了防止因感應(yīng)電壓造成人員傷害，在出廠試驗(yàn)中有測(cè)試絕緣電阻和進(jìn)行電壓試驗(yàn)的要求。外護(hù)層過去一般使用石墨涂層作護(hù)套耐壓試驗(yàn)電極，目前有使用擠塑導(dǎo)電層，與外護(hù)套一起雙層擠出。

3 電纜系統(tǒng)

根據(jù)ICE 62067［1］最新版規(guī)定，對(duì)于高壓和超高壓電纜，更加強(qiáng)調(diào)電纜系統(tǒng)的概念。根據(jù)調(diào)研的情況，目前有電纜制造公司已經(jīng)有自己制造配套附件的計(jì)劃，并且部分已經(jīng)在110 kV等級(jí)成功運(yùn)行。但是附件公司還沒有類似的計(jì)劃。我國相應(yīng)電纜標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)逐步進(jìn)行修改，在內(nèi)容上與IEC保持一致，對(duì)只生產(chǎn)電纜或附件的公司，可能會(huì)增加補(bǔ)充試驗(yàn)的時(shí)間和費(fèi)用。

4 建議和措施

我國交聯(lián)電纜起步于上世紀(jì)80年代，比發(fā)達(dá)國家晚近20年。高壓、超高壓電纜的發(fā)展時(shí)間更短，是在改革開放后靠引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)發(fā)展起來的，本世紀(jì)初才形成一定的生產(chǎn)能力。由于我國高壓、超高壓電纜發(fā)展較晚，市場(chǎng)環(huán)境特殊，發(fā)展方式為引進(jìn)模仿而走了捷徑，因此高壓、超高壓電纜在發(fā)展過程中受到各種不利因素的制約。如果這些問題不盡快得到解決，必將影響到今后我國高壓、超高壓電纜的健康發(fā)展。

(1)注重技術(shù)積累和人才培養(yǎng)

改革開放給我國電纜行業(yè)帶來了發(fā)展機(jī)遇，為引進(jìn)國外技術(shù)，學(xué)習(xí)國外經(jīng)驗(yàn)提供了方便。但不可否認(rèn)的是，由于在改革開放后電纜企業(yè)和電纜研究機(jī)構(gòu)的體制變革，電纜行業(yè)技術(shù)隊(duì)伍更加分散，研究能力被削弱。今后我國的高壓、超高壓電纜要更加注重進(jìn)行基礎(chǔ)技術(shù)研究和人才培養(yǎng)，提高自主創(chuàng)新能力并最終實(shí)現(xiàn)超越發(fā)展，這才是行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本所在。

(2)加快材料的國產(chǎn)化

絕緣材料是今后制造企業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)弱的決定性因素。誰掌握了材料技術(shù)，誰就掌握了市場(chǎng)的主動(dòng)。生產(chǎn)超高壓電纜的企業(yè)必須是一個(gè)科研型的企業(yè)集團(tuán)，材料研究、工藝研究、檢驗(yàn)技術(shù)的研究等等，實(shí)際上都落在生產(chǎn)超高壓電纜企業(yè)的肩上。

(3)整合上下游產(chǎn)業(yè)，提高整個(gè)輸電系統(tǒng)的供貨能力

我國高壓、超高壓電纜發(fā)展到現(xiàn)在，已擁有了足夠大的生產(chǎn)規(guī)模，已建和在建的生產(chǎn)能力，除滿足國內(nèi)市場(chǎng)的需求外，還有很大的剩余產(chǎn)能可參與國際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，這也是解決以后我國高壓、超高壓電纜供求矛盾的基本出路。但是，由于我國高壓、超高壓電纜相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈不健全、不配套，制約了我國產(chǎn)品在國際電纜市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，是我國高壓、超高壓電纜的發(fā)展瓶頸。因此提高產(chǎn)業(yè)的配套能力，是促進(jìn)我國高壓電纜行業(yè)健康發(fā)展、提高產(chǎn)品在國際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力的當(dāng)務(wù)之急。

［1］IEC 62067—2006 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 150 kV(Um=170 kV)up to 500 kV(Um=550 kV)-Test methods and requirements［S］.