高壓電力電纜阻水結(jié)構(gòu)研究與分析

楊 娟， 張 峰， 王福志

(浙江萬馬集團(tuán)有限公司，浙江臨安311305)

0 引言

隨著我國(guó)電力工業(yè)的飛速發(fā)展，110 kV級(jí)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜已經(jīng)越來越多地用于全國(guó)各大主要城市，尤其是東部地區(qū)的許多城市近幾年高壓電力電纜的用量逐年上升，平均增幅在20%以上，而隨著西部大開發(fā)推進(jìn)，高壓電力電纜也開始大量地出現(xiàn)在西部地區(qū)的城市輸電與重點(diǎn)工程建設(shè)中。本文通過試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了具有縱向阻水結(jié)構(gòu)電纜的局部放電性能，并做了理論分析，提出改善性能的工藝控制辦法及建議。

1 國(guó)內(nèi)110 kV及以上XLPE絕緣電力電纜的主要結(jié)構(gòu)形式

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的110 kV及以上高壓XLPE絕緣電力電纜，若以金屬護(hù)套的加工工藝不同來區(qū)分，電纜主要結(jié)構(gòu)有以下兩種:

第一種是使用壓鋁機(jī)擠包皺紋鋁護(hù)套，并在金屬套和絕緣線芯之間包覆緩沖帶和金屬編織布帶，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其緩沖帶主要由半導(dǎo)電橡膠自粘帶，或者0.2mm厚度的半導(dǎo)電緩沖帶構(gòu)成;金屬編織布帶主要使用細(xì)的祼銅絲(或鍍錫)與半導(dǎo)電尼龍纖維(也有許多采用不導(dǎo)電的纖維帶)混合編織而成。金屬套與包帶之間間隙較大，金屬護(hù)套的直徑完全受模具的限制，間隙不可調(diào)，不具備阻水的性能。

圖1 110 kV XLPE絕緣電力電纜結(jié)構(gòu)

第二種是采用氬弧焊焊接方式制作皺紋鋁護(hù)套，在金屬套與絕緣線芯之間繞包2mm厚度的半導(dǎo)電吸水膨脹帶。這種吸水膨脹阻水帶是在半導(dǎo)電的聚脂無紡纖維中加入聚丙烯酸脂膨脹粉制成，膨脹粉遇水后能在一定時(shí)間內(nèi)迅速膨脹到一定高度，起到阻隔水的作用。由于要求高阻水，這種阻水粉絕大多數(shù)來自于國(guó)外，它同時(shí)具有緩沖襯墊功能，生產(chǎn)時(shí)間隙可調(diào)。這種結(jié)構(gòu)的電纜在市場(chǎng)上已經(jīng)有了非常大的份額，許多公司已經(jīng)采用這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)了大截面的電纜。本文將就這種具有阻水性能的結(jié)構(gòu)的電纜作試驗(yàn)分析。

隨著近幾年高壓電力電纜的生產(chǎn)和使用日臻成熟，許多電纜制造者在進(jìn)行電纜出廠試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種比較特殊局部放電圖像，見圖2。其中試樣型號(hào)為 ZR-YJLW02 1×400mm264/110 kV，長(zhǎng)度為1 104 m，試驗(yàn)電壓為96.3 kV，局部放電量為12.0 pC。在所有局放偏大的產(chǎn)品中，此類放電的比例占到50%以上。因此，研究此類放電的原因，尋找解決辦法就成了非常必要的工作。以下研究工作主要是對(duì)不同結(jié)構(gòu)方式的電纜進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，以便尋找產(chǎn)生的原因。

圖2 110 kV XLPE電力電纜的局部放電試驗(yàn)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從圖2中放電圖形分析，該圖形具有以下幾點(diǎn)非常明顯的特征:

(1)該圖像分布于四個(gè)像限，電壓過零點(diǎn)放電量最大，峰值附近最小(無放電)，圖像基本對(duì)稱，呈現(xiàn)出一種接觸不良的容性放電特征，不同于通常的電纜絕緣本體制造缺陷造成的局部放電;

(2)此類放電在給電纜施加很低的試驗(yàn)電壓時(shí)就出現(xiàn)，沒有明顯的起始放電電壓，放電量隨試驗(yàn)電壓的升高而增大;

(3)出現(xiàn)此類放電的電纜無法進(jìn)行故障定位，因此并非由電纜局部缺陷引起的局部放電;

(4)將這種放電的電纜金屬護(hù)套剝掉，然后繞包銅帶后重做試驗(yàn)，電纜幾乎沒有任何放電信號(hào)，證明電纜絕緣線芯品質(zhì)非常好，不是放電的原因。

基于上述分析，研究的重點(diǎn)將放在電纜不同的緩沖吸水膨脹帶與皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行試驗(yàn)和分析。

試驗(yàn)方法:首先按照結(jié)構(gòu)的等效電路建立等效試驗(yàn)?zāi)Ｐ停缓筮M(jìn)行局部放電試驗(yàn)。試驗(yàn)樣品型號(hào)為YJV 127/220 kV 1×400mm2，長(zhǎng)度為 100 m，未使用阻水結(jié)構(gòu)，銅帶為單層重疊繞包，結(jié)構(gòu)如圖3所示，局部放電測(cè)試結(jié)果見圖4。從圖4可知，試驗(yàn)電壓為191 kV時(shí)仍無放電現(xiàn)象。

將試樣的銅帶接地?cái)嚅_，串接上一個(gè)含有鋁板和半導(dǎo)電阻水帶的如圖5所示的裝置(兩鋁板間實(shí)測(cè)電阻值為900 Ω)，試驗(yàn)接線見圖6。當(dāng)兩鋁板對(duì)阻水帶沒有壓力，處于自由蓬松狀態(tài)時(shí)，局部放電測(cè)試結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，在原性能良好的電纜上串聯(lián)這一縱向阻水結(jié)構(gòu)的模擬裝置后，在較低的電壓下(50.4 kV)即出現(xiàn)放電量為3.5 pC的典型放電圖像。由此可知，阻水帶結(jié)構(gòu)會(huì)引起典型的放電現(xiàn)象。然后在鋁板上施加20 N重物，使其導(dǎo)電性能提高并重做試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)放電量立即下降;繼續(xù)增加壓力，放電量將繼續(xù)下降，直至趨近于同等電壓下銅帶直接繞包時(shí)的放電量。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)

圖4 局部放電圖像

圖5 試驗(yàn)用模擬裝置

圖6 接線示意圖

圖7 局部放電圖像

3 放電過程的原理分析

首先應(yīng)了解半導(dǎo)電緩沖、阻水帶的結(jié)構(gòu)特性。如圖8所示，通常它是由一層半導(dǎo)電無紡布與一層約1.5mm厚度的半導(dǎo)電蓬松棉，中間粘涂一層聚丙烯酸酯膨脹粉而組成。雖然蓬松棉具有半導(dǎo)電性質(zhì)，但是疏松多孔的結(jié)構(gòu)使其導(dǎo)電性能下降;而阻水要求的聚丙烯酸酯膨脹粉自身不具備導(dǎo)電性。因此導(dǎo)致電纜絕緣線芯與金屬護(hù)套(屏蔽)接觸能力下降，半導(dǎo)電絕緣屏蔽處于懸浮電位狀態(tài)，隨著電纜承受的電壓上升，此懸浮電位也越高，進(jìn)而出現(xiàn)接觸不良類放電，而且放電量隨電壓升高而升高。這種影響在金屬套與阻水帶間隙過大的情況下更明顯。

圖8 緩沖、阻水帶結(jié)構(gòu)示意圖

為了更清楚地了解這種放電的過程，我們建立了簡(jiǎn)單的如圖9所示電路模型，然后進(jìn)行原理分析。因?yàn)殡娎|主要呈現(xiàn)容性，因此在圖中以Cx表征，從絕緣線芯至金屬護(hù)套之間的部分以小的放電間隙g和等效電阻R的并聯(lián)電路來代替。當(dāng)如圖9所示，電路中施加的電壓U以及電流Ix和U1變化時(shí)，若在間隙g不發(fā)生擊穿的情況下，R兩端的電壓U1將按照?qǐng)D10中曲線變化;當(dāng)電壓U升高，Ix也隨著變大，則電阻兩端的電壓U1=Ix×R隨之變大，當(dāng)達(dá)到間隙的擊穿電壓Ug時(shí)，g即發(fā)生擊穿。因?yàn)閾舸╇娀⊥ǖ赖碾娮栎^小，所以U1迅速跌落，并降至為電弧的熄滅電壓Ud，電弧即熄滅，以及電壓迅速回升。由于此過程反復(fù)發(fā)生，因此形成反復(fù)放電。由圖5中放電的分布來看，這與實(shí)際試驗(yàn)中放電特征完全重合。

圖9 電纜等效電路模型圖

4 工藝控制和改進(jìn)

為了減小或避免這種影響，找到在實(shí)際生產(chǎn)中可用的控制措施，我們?nèi)⌒吞?hào)為 YJLW03 1×800mm2絕緣線芯制作試樣，分別采取以下三點(diǎn)措施:(1)利用軋紋深度來控制鋁護(hù)套間隙;(2)對(duì)電纜加熱;(3)改變阻水帶的繞包結(jié)構(gòu)，隨后分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:小間隙的試品(1#試樣)比大間隙試品(2#試樣)的放電量明顯要小，但并沒有完全消除此類放電;通過3#和2#試樣的比較可知，加熱處理對(duì)消除此類放電有明顯效果，但是冷卻后放電會(huì)有一定程度的恢復(fù)。

圖10 放電過程中U、Ix、U1的變化曲線

表1 不同工藝措施的局部放電量驗(yàn)證

5 結(jié)論

經(jīng)過上述分析和試驗(yàn)驗(yàn)證證明，現(xiàn)行110 kV及以上高壓XLPE絕緣電力電纜中的阻水結(jié)構(gòu)會(huì)引起一定量的典型局部放電。這種放電并不是絕緣線芯的質(zhì)量所引起的。通過工藝過程控制，可以消除或減小這種放電，但制造廠應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:

(1)各種規(guī)格、不同電壓等級(jí)的電纜在制定生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)書時(shí)，均要按照合同技術(shù)要求計(jì)算電纜徑向膨脹量，確定金屬套與絕緣線芯之間的阻水帶的間隙，通過調(diào)整鋁護(hù)套的軋紋深度，嚴(yán)格控制和絕緣線芯之間的間隙，就能解決這種放電;

(2)調(diào)整阻水帶繞包時(shí)的張力緊而且均勻，使電纜運(yùn)行時(shí)均勻膨脹，帶子與金屬套接觸一致;

(3)改變阻水帶的體積電阻率，與材料廠家合作研究阻水粉的電性能，也會(huì)改變這種現(xiàn)象。

近年來該種產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用已經(jīng)使生產(chǎn)與制造技術(shù)日益完善，國(guó)家已經(jīng)將220 kV產(chǎn)品認(rèn)可國(guó)產(chǎn)化，也是對(duì)XLPE電纜產(chǎn)品技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的認(rèn)可，加強(qiáng)過程控制注意每一個(gè)細(xì)節(jié)是超高壓電纜產(chǎn)品的質(zhì)量要求，是每一個(gè)電纜工作者的重要職責(zé)，相信隨著廣大技術(shù)人員的共同努力，更高電壓等級(jí)電纜產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化指日可待。

［1］劉書全.阻水型220 kV交聯(lián)電纜的研制［J］.高電壓技術(shù)，2000(6):51-52.

［2］劉子玉，王惠明.電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1995.

［3］邱昌容，曹曉瓏.電氣絕緣絕緣測(cè)試技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.