我國(guó)高壓模注型電纜接頭的開發(fā)和應(yīng)用

鐘海杰， 王佩龍， 夏云杰

（長(zhǎng)園電力技術(shù)有限公司，廣東珠海519085）

我國(guó)高壓模注型電纜接頭的開發(fā)和應(yīng)用

鐘海杰， 王佩龍， 夏云杰

（長(zhǎng)園電力技術(shù)有限公司，廣東珠海519085）

根據(jù)我國(guó)高壓模注型電纜附件開發(fā)和應(yīng)用的情況，結(jié)合國(guó)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出我國(guó)目前單一發(fā)展預(yù)制型電纜附件難以全方位覆蓋各類不同電纜工程的需求，發(fā)展高壓模注型電纜附件產(chǎn)品是必要的和可行的。以國(guó)產(chǎn)220kV模注型電纜附件開發(fā)為例，較全面地介紹了高壓模注型電纜接頭和終端的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和影響產(chǎn)品電氣性能和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

交聯(lián)聚乙烯絕緣；電纜；模注型電纜附件；預(yù)制型電纜附件；接頭；終端

0 引 言

我國(guó)高壓電纜附件的開發(fā)和生產(chǎn)始于上世紀(jì)70年代，目前已擁有能夠批量生產(chǎn)110 kV以上高壓電纜附件的廠商多達(dá)25家以上，但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)幾乎是單一的預(yù)制型電纜附件。

預(yù)制型電纜附件是用在工廠模注成型的橡膠應(yīng)力錐控制電場(chǎng)。出廠時(shí)，制造廠提供橡膠預(yù)制應(yīng)力錐、終端瓷套管或復(fù)合套管、導(dǎo)體接頭、接頭外殼、絕緣油等零部件，在現(xiàn)場(chǎng)組裝成終端或接頭等電纜附件。

預(yù)制型電纜附件有兩種結(jié)構(gòu)：國(guó)內(nèi)產(chǎn)量最多和使用最普遍的是將橡膠預(yù)制應(yīng)力錐經(jīng)機(jī)械擴(kuò)張后直接套在電纜的絕緣上，被稱為預(yù)模制型電纜附件（常用PMJ表示預(yù)模制型接頭，PMT表示預(yù)模制型終端）；另一種結(jié)構(gòu)是在應(yīng)力錐上增加一套機(jī)械彈簧裝置，以保持應(yīng)力錐與電纜之間界面上的應(yīng)力恒定，能對(duì)付在高電場(chǎng)和熱場(chǎng)作用下，橡膠應(yīng)力錐老化后引起的界面壓力的松弛。日本和韓國(guó)的電纜制造廠商將其命名為預(yù)制型電纜附件（常用PJ表示預(yù)制型接頭，PT表示預(yù)制型終端）［1-5］。國(guó)內(nèi)也不乏此類產(chǎn)品的制造廠商和用戶。

國(guó)產(chǎn)預(yù)制型電纜附件質(zhì)量和安全運(yùn)行狀況不俗，已積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，許多電力用戶已習(xí)慣對(duì)它的使用和維護(hù)，然而，當(dāng)今國(guó)外市場(chǎng)上高壓交聯(lián)電纜附件品種遠(yuǎn)比國(guó)內(nèi)豐富。高壓模注型電纜接頭（EMJ）在國(guó)外已經(jīng)非常成熟且使用普遍。EMJ因具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、尺寸小、電氣可靠性高和機(jī)械性能卓越等特點(diǎn)，在日本已作為一種高性能接頭用于超高壓系統(tǒng)。2007年日本電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEJ）組織日本有關(guān)大學(xué)、供電單位和主要電纜制造廠商對(duì)66 kV及以上電壓等級(jí)的電纜附件的狀況進(jìn)行調(diào)查并發(fā)表報(bào)告［6］。報(bào)告顯示EMJ在超高壓電網(wǎng)中使用比例很高，而且電壓等級(jí)越高，EMJ的使用比例也越高。從圖1可看出，EMJ在日本110～187 kV電網(wǎng)中的使用比例是34.4％，在220～275 kV電網(wǎng)中高達(dá)77.3％，而在66～77 kV電網(wǎng)中只占0.9％。這一情況與我國(guó)現(xiàn)狀有明顯差異，我國(guó)在66～220 kV交聯(lián)電纜線路中90％以上是預(yù)制型電纜附件。

因此，模注型電纜附件是一種值得關(guān)注的高壓和超高壓電纜附件。本文將介紹模注型電纜附件在我國(guó)開發(fā)和應(yīng)用的情況。

圖1　2007年日本電網(wǎng)使用的電纜接頭

1 模注型電纜附件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

模注型電纜附件采用與電纜相同的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣料和半導(dǎo)電料，模注在電纜本體上，與電纜本體的絕緣和屏蔽熔融結(jié)合成一體，形成無物理界面的電纜附件。圖2、圖3分別是國(guó)產(chǎn)220 kV模注型接頭和模注型終端的結(jié)構(gòu)。

圖2　220 kV模注型電纜接頭的絕緣結(jié)構(gòu)

圖3　220 kV模注型電纜終端的結(jié)構(gòu)

與預(yù)制型附件比較，兩者各有特點(diǎn)，無優(yōu)劣之分，更談不上哪種會(huì)淘汰或取代另一種型式，而是相輔相成。附件選型可以根據(jù)工程實(shí)際需要取長(zhǎng)避短而確定。表1為預(yù)制型附件和模注型附件的主要特點(diǎn)比較。

從表1可見，模注型電纜附件的缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)安裝需要專用的工藝裝備，并且安裝時(shí)間較長(zhǎng)。但是，隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間是可以縮短的。我國(guó)有著高壓模注型接頭的安裝經(jīng)驗(yàn)，安裝三相110 kV的模注型接頭，在一般情況下，大約需要6天時(shí)間，在應(yīng)急的特殊情況下安裝時(shí)間還可以縮短。例如，在浙江省某市110 kV電纜工程，由于用戶的特殊要求，3天內(nèi)完成了6套模注型接頭的安裝。

表1　模注型接頭與預(yù)制型接頭的特點(diǎn)比較

至于現(xiàn)場(chǎng)安裝需要專用工藝裝備，嚴(yán)格說這不應(yīng)該是一個(gè)致命的缺點(diǎn)。好的專用工藝裝備能夠降低對(duì)接頭工熟練程度的依賴，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。高壓電纜附件的安全可靠性永遠(yuǎn)是第一位的。

在電氣性能方面，模注型附件相比預(yù)制型附件具有更好的抗老化性能。預(yù)制型附件的絕緣是由橡膠應(yīng)力錐和電纜XLPE絕緣組成的復(fù)合絕緣，不同介質(zhì)界面的電氣強(qiáng)度與界面壓力、界面的表面光潔程度、清潔狀況和雜質(zhì)、潮氣含量等許多因素有關(guān)。特別是在高電場(chǎng)和熱場(chǎng)作用下，橡膠應(yīng)力錐老化引起的界面壓力的松弛，以及預(yù)模制應(yīng)力錐的合成橡膠（硅橡膠或乙丙橡膠）添加劑的析出會(huì)嚴(yán)重影響界面的電氣強(qiáng)度。圖4的照片摘引自文獻(xiàn)［6］，顯示一個(gè)運(yùn)行后的應(yīng)力錐析出物。

開發(fā)模注型電纜附件的宗旨是增加一項(xiàng)能與預(yù)制型電纜附件相輔相成的電纜附件。在城市電網(wǎng)建設(shè)、電纜故障搶修、海纜工程和直流輸電等領(lǐng)域有更多、更合理的電纜附件選型。

圖4　預(yù)制型電纜附件橡膠應(yīng)力錐析出物

2 模注型接頭和終端的開發(fā)

迄今，國(guó)內(nèi)已經(jīng)完成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)［7-9］的10～220 kV電壓等級(jí)的全部模注型接頭和模注型終端的開發(fā)。其中110和220 kV模注型接頭和模注型終端在國(guó)家電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，通過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11890規(guī)定的全部型式試驗(yàn)和預(yù)鑒定試驗(yàn)。

2.1模注型電纜附件的設(shè)計(jì)

EMJ的結(jié)構(gòu)與電纜的結(jié)構(gòu)基本相同，所用的絕緣材料和屏蔽材料也與電纜一樣，實(shí)質(zhì)上是對(duì)電纜結(jié)構(gòu)的恢復(fù)。因此，EMJ的絕緣厚度也類似于電纜絕緣厚度的設(shè)計(jì)，取決于規(guī)定的耐受電壓及最低絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)。考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝的工藝條件不可能達(dá)到電纜制造時(shí)的超凈環(huán)境，可以適當(dāng)增加EMJ的絕緣厚度，一般不超過1.2倍的電纜絕緣厚度。過分增加絕緣厚度，未必能明顯增強(qiáng)電氣性能，反而對(duì)工藝和接頭的機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。

模注型終端（EMT）與預(yù)制型終端結(jié)構(gòu)相似，只是用電纜料直接模注在電纜絕緣面上形成的應(yīng)力錐代替預(yù)制型電纜終端的橡膠應(yīng)力錐。因此，它的應(yīng)力錐曲線的長(zhǎng)度和形狀、內(nèi)外絕緣的配合均無異于預(yù)制型終端的設(shè)計(jì)。

2.2影響電氣性能的關(guān)鍵因素

在開發(fā)過程中，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：對(duì)于同一設(shè)計(jì)，用同批次材料和相同工藝制作的樣品，擊穿電壓分散性不大，且擊穿點(diǎn)集中在電纜的絕緣屏蔽層端口處，即電纜屏蔽與接頭屏蔽的連接處，而且接頭絕緣厚度的變化對(duì)擊穿點(diǎn)位置影響不大。這些現(xiàn)象說明該產(chǎn)品的電氣穩(wěn)定性良好，同時(shí)也顯示電纜屏蔽與接頭屏蔽的連接處是電氣絕緣的弱點(diǎn)。

對(duì)于形成這種現(xiàn)象的原因，可以推斷，與被連接的電纜一樣，模注型接頭的絕緣的微孔、雜質(zhì)和凸起應(yīng)該是影響接頭電氣性能的主要因素。

為此，進(jìn)一步檢測(cè)了接頭增強(qiáng)絕緣的微孔、雜質(zhì)和凸起，并與連接電纜的絕緣進(jìn)行比較。檢測(cè)是按照GB/T 11890規(guī)定的方法進(jìn)行的，表2是用顯微鏡觀察到的檢測(cè)結(jié)果。

表2　220 kV模注直流電纜接頭的微孔、雜質(zhì)和凸起檢測(cè)

由表2可見：（1）接頭的絕緣層中的雜質(zhì)、半導(dǎo)電層凸起、微孔和電纜相同；（2）與電纜切片相比較，接頭切片的半導(dǎo)電屏蔽層與絕緣層界面上的大的雜質(zhì)和半導(dǎo)電層凸起較多。這些缺陷中，外半導(dǎo)電層處交界面的凸起更為顯著，而微孔則幾乎相同。

根據(jù)表2的檢測(cè)結(jié)果還可以作出如下推斷，即半導(dǎo)電屏蔽層與絕緣層界面處的凸起可能是降低該處電氣性能的重要原因；同時(shí)，電纜絕緣屏蔽被剝?nèi)ズ笈c重新注上的接頭外屏蔽貼接處，界面常出現(xiàn)不規(guī)則區(qū)域，邊緣形狀會(huì)引起電場(chǎng)畸變。這兩個(gè)因素都可能影響電氣性能，而上述兩個(gè)因素都與該處絕緣外表面的拋光精度有關(guān)。在此后的制作中，我們注意了這一問題，接頭的絕緣水平有了明顯的提高。

2.3模注型附件的安裝工藝

幾乎所有高壓電纜附件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的環(huán)境，包括濕度、溫度和空氣的潔凈程度都有嚴(yán)格要求。絕大部分地區(qū)需要搭建工作棚才能維持合格的環(huán)境條件。由于EMJ的結(jié)構(gòu)尺寸小且主要工藝（模注成型）是在封閉的管道和模具中進(jìn)行的，它的工作棚的容積（m3）只需PMJ或PJ工作棚的1/4左右，比較容易保證良好的工作條件。圖5是制作110～220 kV的EMJ和EMT的工作棚。尺寸為長(zhǎng)3.5m、寬1.9 m、高1.96 m，并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)節(jié)高度和寬度。凈化級(jí)別：靜態(tài)10 000～100 000級(jí)（美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E）；平均風(fēng)速：0.45 m/s±20％（可調(diào)）；噪音：≤65 dB。

圖5　220 kV現(xiàn)場(chǎng)工作棚

EMJ和EMT的安裝工藝是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，整個(gè)工藝流程，包括導(dǎo)體連接、導(dǎo)體屏蔽恢復(fù)、絕緣處理、外屏蔽恢復(fù)和外保護(hù)層安裝等工序示于圖6。其中絕緣和屏蔽的模注工藝流程如圖7所示。圖8是模注設(shè)備的原理圖。全部工藝參數(shù)，包括注料量、注料溫度、真空度、注料壓力和交聯(lián)溫度等全過程用計(jì)算機(jī)控制。

圖6　220 kV模注型接頭工藝流程

圖7　模注工藝流程

圖8　模注設(shè)備的原理圖1—電纜絕緣 2—加熱器 3—真空/應(yīng)力成型模具4—數(shù)控注射機(jī) 5—真空/壓力泵

3 高壓模注型附件在我國(guó)的應(yīng)用

模注型電纜附件在我國(guó)起步時(shí)間較晚，目前僅有少數(shù)的電纜附件制造廠商擁有它的制造和安裝技術(shù)。因此，模注型電纜附件在我國(guó)高壓電纜線路中使用的比例是不高的。然而，由于它的結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、電氣可靠性高、老化性能優(yōu)異和容易滿足一些特殊的機(jī)械要求（例如柔性，可以水平垂直和任何角度安裝），已獲得越來越多的電力用戶認(rèn)可，使用量也在與日俱增。截至2014年底已有全國(guó)16個(gè)省市的電力部門投運(yùn)了800余套，包括交流220 kV電纜線路和直流±200 kV直流輸電工程。

在我國(guó)，模注型電纜附件主要應(yīng)用在以下這些領(lǐng)域。

3.1大城市中心地區(qū)的地下管道密集場(chǎng)所

這種地區(qū)很難找到建造大型接頭工井的場(chǎng)地。對(duì)于110～220 kV電壓等級(jí)的接頭工井，模注型接頭工井的土方開挖量?jī)H是預(yù)制型接頭工井的1/4左右，提供有利的使用條件。圖9顯示廣東某城市模注型接頭在狹小工井內(nèi)的布置。

圖9　模注型接頭在狹小工井內(nèi)的布置

3.2電纜故障修理

電纜發(fā)生絕緣擊穿故障后，通常處理的辦法是先截去故障點(diǎn)周圍的電纜（一般4～6 m），然后用兩個(gè)接頭將一段（一般15～30 m）完好的電纜接上。土方開挖、材料準(zhǔn)備和附件安裝會(huì)消耗大量人工和時(shí)間，需要較長(zhǎng)時(shí)間（10～15天）才能恢復(fù)供電。

我國(guó)江西省某110 kV電纜工程，一相630 mm2電纜發(fā)生單相擊穿故障。圖10左下方圓圈標(biāo)注的是該修理接頭的位置。故障點(diǎn)位于距離地面20 m高度的終端尾管附近。使用模注型接頭技術(shù)，僅需剝?nèi)舸┩ǖ栏浇碾娎|絕緣和屏蔽層，模注新的絕緣和屏蔽，很快恢復(fù)了電纜結(jié)構(gòu)。不到24小時(shí)，線路恢復(fù)了供電，迄今已經(jīng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行了近3年時(shí)間。

圖10　江西某110 kV電纜工程用模注型接頭快速修復(fù)終端下部電纜絕緣擊穿故障

3.3海底電纜軟接頭

海底電纜必須按工程需要長(zhǎng)度生產(chǎn)、交貨。由于海纜制造廠設(shè)備條件的限制，單根長(zhǎng)度往往滿足不了工程要求，需要用接頭在廠內(nèi)將電纜連接到所需要的長(zhǎng)度。預(yù)制型接頭，由于它的剛性和結(jié)構(gòu)尺寸比被連接的電纜大得多，不可能被選用。模注型接頭的結(jié)構(gòu)尺寸與電纜本體相同或者略大，它必須具備與被連接電纜相同的電氣性能及機(jī)械性能，可以與電纜一樣能承受拉、扭和彎曲等各種機(jī)械應(yīng)力的作用，是海底電纜軟接頭的最佳選擇［10］。我國(guó)近期高壓、大長(zhǎng)度海底XLPE絕緣電纜的軟接頭幾乎全部采用模注型接頭。

3.4直流電纜附件

如上所述，預(yù)制型附件的絕緣是由橡膠應(yīng)力錐和電纜XLPE絕緣組成的復(fù)合絕緣，在直流電壓下，電纜絕緣層與附件增強(qiáng)絕緣層交界面上積聚的空間電荷會(huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，容易發(fā)生擊穿。因此，開發(fā)預(yù)制型直流電纜附件的難度很高。模注型電纜附件的應(yīng)力錐和增強(qiáng)絕緣層采用與電纜絕緣層相同的XLPE料模注成型，使附件增強(qiáng)絕緣層與電纜絕緣層交界面融成一體，消除界面，從根本上改善了直流電纜附件絕緣中的空間電荷積聚情況，是制作直流電纜附件的良好方案［11］。

2014年，我國(guó)已經(jīng)成功地開發(fā)了±200 kV直流模注型電纜附件（終端和接頭），在國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，按照國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE TB496 WG21-01的推薦方法，通過了±200 kV直流電纜附件全部型式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同年，有6套± 200 kV直流電纜接頭投入國(guó)家電網(wǎng)舟山直流海底電纜示范工程使用。

4 結(jié)束語

單一的預(yù)制型電纜附件產(chǎn)品已經(jīng)難以覆蓋全部電纜工程的需要。

國(guó)外已經(jīng)成熟和普遍使用并有良好運(yùn)行業(yè)績(jī)的高壓模注型電纜附件具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、尺寸小、電氣可靠性高和接近電纜本體的機(jī)械性能。我國(guó)已經(jīng)完成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的10～220 kV電壓等級(jí)的全部模注型接頭和模注型終端的開發(fā)。迄今的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明這是一個(gè)能與預(yù)制型電纜附件相輔相成的電纜附件，在城市電網(wǎng)建設(shè)、電纜故障修理、海纜工程和直流輸電等領(lǐng)域它將獲得越來越廣泛的使用。

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Development and Application of HV Extrusion Molded Type XLPE Cable Accessories in China

ZHONG Hai-jie，WANG Pei-long，XIA Yun-jie
（Chang Yuan Group Electric Co.，Ltd.，Zhuhai519085，China）

Based on the review for development and application of high voltage extrusion molded type cable accessories in China and referred operating experience abroad，this paper put forward that the only type of prefabricated cable accessories products has been getting difficult to cover all cable engineering requirements.To develop EM type cable accessories supplement is necessary and feasible.And with the development of the 220 kV EM type cable accessories，as an example，this paper introduces the design important points and the key factors affecting product electrical performance and quality for EM type cable accessories as well.

XLPE；cable；extrusion-molded type cable accessories；prefabricated type cable accessories；joint；termination

TM203

A

1672-6901（2015）06-0006-06

2015-04-27

鐘海杰（1967-），男，碩士，高級(jí)工程師，總經(jīng)理.

作者地址：廣東珠海市金峰路89號(hào)［519085］.