500 kV XLPE電纜附件的設(shè)計(jì)

呂庚民， 楊黎明， 周長(zhǎng)城， 劉本東， 富成偉， 吳雪嬌

(1.沈陽(yáng)古河電纜有限公司，遼寧沈陽(yáng)110115;2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，湖北武漢430074)

目前，我國(guó)500 kV超高壓電纜附件的制造能力落后于電纜。500 kV超高壓電纜已有數(shù)家公司能夠制造，附件僅一家公司通過(guò)試驗(yàn)并投入運(yùn)行，但數(shù)量很少。大多數(shù)500 kV電纜線路上的附件還是依靠國(guó)外公司提供。應(yīng)加快500 kV電纜附件的材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、安裝環(huán)境等方面相關(guān)技術(shù)的研究，使500 kV電纜附件盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，以滿足市場(chǎng)的需要。

1 材料的選擇

本次研制采用的絕緣材料主要有硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂、絕緣填充膠。其電氣性能按GB/T 22078.3—2008《額定電壓500 kV(Um=550 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及附件》標(biāo)準(zhǔn)，并與 GB/Z 18890.3—2002《額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及附件》標(biāo)準(zhǔn)推薦的材料性能進(jìn)行比較，見(jiàn)表 1［1，2］。

從表1給出的材料電氣性能來(lái)看，500 kV電纜附件所用的硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂材料在擊穿場(chǎng)強(qiáng)上要求比220 kV電纜附件所用的材料高15%～25%。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要盡量降低最大工作電場(chǎng)強(qiáng)度。在制造過(guò)程中，要盡量提高材料的最小擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。

表1 標(biāo)準(zhǔn)推薦的各種材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體預(yù)制接頭

接頭是附件里絕緣空間最小，對(duì)絕緣介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)要求最高的附件。設(shè)計(jì)采用硅橡膠一種絕緣材料整體預(yù)制。為降低接頭中間導(dǎo)體連接管屏蔽電極端部的電場(chǎng)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)采用縮小電極的外徑、加大電極端部的曲率半徑的方法，如充油電纜接頭設(shè)計(jì)那樣，在電纜絕緣上設(shè)計(jì)、制作反應(yīng)力錐。反應(yīng)力錐的長(zhǎng)度、形狀由硅橡膠與電纜交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣分界面的允許軸向電場(chǎng)強(qiáng)度(Et)決定，計(jì)算方法與充油電纜附件相同［3］。用專(zhuān)用刀具將電纜絕緣切削成錐形，最小外徑處與導(dǎo)體連接管相近，使得屏蔽電極外徑最小。接頭絕緣體內(nèi)徑也設(shè)計(jì)為錐型［3］，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。

圖1 500kV整體預(yù)制接頭

經(jīng)計(jì)算，可以得到中間屏蔽電極端部最大徑向電場(chǎng)強(qiáng)度(工作電壓290 kV)約為6.82 kV/mm，為材料最小擊穿場(chǎng)強(qiáng)的27.3%;應(yīng)力錐起始點(diǎn)電纜絕緣表面的電場(chǎng)強(qiáng)度為6.75 kV/mm。電纜絕緣表面的電場(chǎng)強(qiáng)度是電纜結(jié)構(gòu)固有的參數(shù)，不能通過(guò)附件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改變。此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)接頭各點(diǎn)的最大工作電場(chǎng)強(qiáng)度基本相同，設(shè)計(jì)較合理。

電纜絕緣反應(yīng)力錐制作尺寸要求與接頭內(nèi)徑的錐形尺寸相匹配，難度較大，但可以降低分界面的軸向電場(chǎng)強(qiáng)度Et。中間屏蔽電極外徑縮小后，可大大縮小接頭的體積，節(jié)省接頭材料。電纜絕緣制作反應(yīng)力錐后，在安裝硅橡膠接頭時(shí)可使電纜絕緣外表面與接頭內(nèi)表面實(shí)現(xiàn)部分面接觸，潤(rùn)滑劑可比較充分地進(jìn)入電纜絕緣與接頭的分界面，安裝更方便。

2.2 GIS 終端

500 kV與220 kV GIS終端結(jié)構(gòu)相同，采用硅橡膠應(yīng)力錐、彈簧壓緊結(jié)構(gòu)。不同之處在于應(yīng)力錐絕緣體內(nèi)徑也為錐形，電纜絕緣也制作反應(yīng)力錐，要處理成錐形，其目的是縮小環(huán)氧套管上屏蔽電極外徑，降低電極端部電場(chǎng)強(qiáng)度。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

計(jì)算結(jié)果表明，電纜表面應(yīng)力錐起始點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度與接頭基本相同。環(huán)氧套管高壓屏蔽電極下端在工作電壓下，最高工作場(chǎng)強(qiáng)3.04 kV/mm，為材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的12%。環(huán)氧套管表面SF6氣體最高工作場(chǎng)強(qiáng)為3.08 kV/mm。

電纜絕緣制作反應(yīng)力錐，應(yīng)力錐絕緣體內(nèi)徑制作成錐形后，可使壓緊彈簧的推力更容易傳遞到應(yīng)力錐絕緣體與電纜絕緣外表面和環(huán)氧套管的內(nèi)表面，避免電纜絕緣表面摩擦力過(guò)大而使應(yīng)力錐變形造成界面壓力不均勻，降低界面的電氣性能。

2.3 戶外終端

圖2 500kV GIS終端

超高壓電纜附件以安全環(huán)保型為主要研發(fā)趨勢(shì)。戶外終端是電纜附件中體積最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、絕緣介質(zhì)使用量最多的附件。目前，戶外終端一般在瓷套管或復(fù)合套管中填充液體絕緣介質(zhì)。液體絕緣介質(zhì)易發(fā)生滲漏，污染環(huán)境。一旦發(fā)生擊穿事故瓷套管可能爆炸，危及人員和其他設(shè)備安全［4］。另外，戶外終端一般都在室外施工，對(duì)施工條件要求高，需要搭腳手架，密封帳篷，安裝過(guò)程復(fù)雜。500 kV的戶外終端腳手架需要近10 m高，很難實(shí)現(xiàn)良好密封，安裝質(zhì)量難以控制。本次戶外終端采用與GIS終端相同的內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)，將專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的環(huán)氧套管安裝在瓷套管或復(fù)合套管內(nèi)，用一段相同規(guī)格去掉絕緣屏蔽的電纜下端固定在環(huán)氧套管的高壓屏蔽電極內(nèi)，上端從瓷套管引出，并與瓷套管上端和環(huán)氧套管上端形成密封結(jié)構(gòu)。環(huán)氧套管下端與瓷套管下端形成密封結(jié)構(gòu)，在工廠內(nèi)組裝好。在瓷套管與環(huán)氧套管之間的空間內(nèi)填充絕緣膏。這種絕緣介質(zhì)使用絕緣油與白炭黑混合成的膏狀材料，絕緣性能優(yōu)良，比重小，可壓縮，通過(guò)注膠泵在工廠內(nèi)注入，不會(huì)滲漏，并容易回收，避免污染環(huán)境?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，處理電纜絕緣尺寸與GIS終端相同。壓接導(dǎo)體引出桿、套上應(yīng)力錐后，將在工廠內(nèi)組裝好的戶外終端套到應(yīng)力錐上，將戶外終端旋轉(zhuǎn)90°，壓接在電纜導(dǎo)體上的引出桿與環(huán)氧套管內(nèi)電纜導(dǎo)體的連接部件可自動(dòng)鎖定，防止電纜移動(dòng)，應(yīng)力錐錯(cuò)位。大大減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間，提高了安裝質(zhì)量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

計(jì)算結(jié)果表明，電纜表面應(yīng)力錐起始點(diǎn)處、環(huán)氧套管高壓屏蔽電極處的電場(chǎng)強(qiáng)度與GIS終端基本相同。絕緣填充膠的最大工作場(chǎng)強(qiáng)1.62 kV/mm，為材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)的11.6%;瓷套管表面空氣最高工作場(chǎng)強(qiáng)(軸向)0.38 kV/mm，為空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的12.7%。瓷套管傘裙端部空氣的最高工作場(chǎng)強(qiáng)(徑向)0.66 kV/mm，為空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的22%。

圖3 500kV戶外終端

從電場(chǎng)計(jì)算可看出，這種結(jié)構(gòu)在套管表面出現(xiàn)兩處電場(chǎng)強(qiáng)度高的位置:一處為應(yīng)力錐接地屏蔽環(huán)上端所對(duì)應(yīng)的套管表面，從電位線的形狀看為沿套管表面向下軸向方向;另一處為環(huán)氧套管上部電極下端所對(duì)應(yīng)的套管表面，其方向?yàn)樘坠軓较蚍较颉?/p>

3 計(jì)算結(jié)果與220 kV附件計(jì)算值比較

附件中各種絕緣介質(zhì)在工作電壓下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度見(jiàn)表2。從表2中可知，500 kV附件的硅橡膠介質(zhì)和電纜絕緣表面在工作電壓下的最大電場(chǎng)強(qiáng)度要高于220 kV附件25%和66%。

表2 各種絕緣介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度(單位:kV/mm)

4 基礎(chǔ)試驗(yàn)驗(yàn)證

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，提高硅橡膠材料和應(yīng)力錐起始點(diǎn)與電纜絕緣接觸面的電氣性能是500 kV電纜附件研制的關(guān)鍵。對(duì)于硅橡膠材料，采取制造環(huán)境凈化、100 μm以下孔徑過(guò)濾、真空注膠等方法來(lái)提高其絕緣性能。對(duì)電纜絕緣表面，采取絕緣表面拋光后，套上一個(gè)熱縮管進(jìn)行加熱、加壓，使表面的粗糙度小于20 μm［5］;安裝環(huán)境凈化度要達(dá)到十萬(wàn)級(jí)。按上述條件制作了6個(gè)110 kV結(jié)構(gòu)尺寸的接頭分別進(jìn)行工頻電壓擊穿試驗(yàn)和沖擊電壓擊穿試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果:工頻擊穿電壓平均為540 kV，沖擊平均擊穿電壓為+1100 kV。擊穿位置大致相同，都是在中間屏蔽電極端部最高點(diǎn)。按110 kV接頭的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度，中間屏蔽電極端部最高點(diǎn)在工作電壓下最大場(chǎng)強(qiáng)度E=4.37 kV/mm;應(yīng)力錐起始點(diǎn)電纜絕緣表面工作電壓下最大場(chǎng)強(qiáng)E=2.79 kV/mm。

計(jì)算可得，工頻電壓下硅橡膠的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度Emin=36.8 kV/mm;電纜絕緣表面應(yīng)力錐起始點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E＞23.5 kV/mm;沖擊電壓下硅橡膠的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度Emin=75.10 kV/mm;電纜絕緣表面應(yīng)力錐起始點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度Emin＞47.95 kV/mm。

500 kV附件的設(shè)計(jì)水平:工頻試驗(yàn)電壓Uac=638 kV;沖擊試驗(yàn)電壓Uimp=1800 kV。根據(jù)電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，中間屏蔽電極端部試驗(yàn)電壓下工頻電場(chǎng)強(qiáng)度E=15.0 kV/mm;沖擊電壓下電場(chǎng)強(qiáng)度E=42.3 kV/mm。電纜絕緣表面應(yīng)力錐起始點(diǎn)在試驗(yàn)電壓下工頻電場(chǎng)強(qiáng)度E=14.85 kV/mm;沖擊試驗(yàn)電壓下電場(chǎng)強(qiáng)度E=41.89 kV/mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

500 kV XLPE電纜硅橡膠電纜附件研制的關(guān)鍵問(wèn)題:一是接頭和應(yīng)力錐制造過(guò)程中環(huán)境的清潔和避免材料中的氣孔雜質(zhì)進(jìn)入模具;二是施工環(huán)境和電纜絕緣表面粗糙度的控制。從電纜絕緣表面電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算值可以看出，應(yīng)力錐起始點(diǎn)與電纜絕緣表面絕緣安全裕度要小于應(yīng)力錐絕緣體材料的裕度?，F(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中會(huì)存在很多不確定因素，安裝質(zhì)量是提高附件電氣絕緣性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

［1］GB/T 22078.3—2008 額定電壓500 kV(Um=550 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及附件［S］.

［2］GB/Z 18890.3—2002 額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及附件［S］.

［3］劉子玉.電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 上冊(cè) 電力電纜［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［4］楊黎明.中國(guó)電纜及附件現(xiàn)狀與超高壓附件的發(fā)展［C］//中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)年會(huì)論文集，2010.

［5］Takeo Kubota等.長(zhǎng)距離地下傳輸線用500 kV XLPE電纜及附件的研制［J］.電線電纜，1996(4):2-8.