平滑鋁護套高壓電纜的性能研究

焦宏所， 龍海泳， 王 爽， 王淑娟， 李井陽， 李 影， 吳明旭

（特變電工山東魯能泰山電纜有限公司，山東新泰271219）

0 引言

高壓電力電纜是輸電環節重要的產品，其運行的穩定性是我國電力安全的重要保證。目前，國內高壓電纜的金屬護套主要有：皺紋鋁護套、皺紋銅護套、鉛護套。國內運行的高壓交聯電纜90%以上使用皺紋鋁護套，經過多年的運行，其缺點逐漸顯露。尤其是緩沖阻水層燒蝕問題，近年來一直困擾著高壓電纜行業，因緩沖阻水帶燒蝕問題無法通過高頻、特高頻、超聲波、傳統脈沖電流等監測手段提前預知。平滑鋁護套電纜作為一個重要的改善方式，引起了行業的關注。

國外早已開始了平滑鋁護套高壓電纜的生產，2010年在我國第一條16 km長距離500 kV電纜線路中使用了進口500 kV平滑鋁護套電纜［1］。而國內平滑鋁護套高壓電纜仍處于研發階段，對其結構設計、工藝實現、性能參數等還沒有統一的標準。半導電緩沖層及金屬鋁護套作為高壓電纜重要的組成部分，對電氣性能及運行安全穩定性起著重要作用，不同的結構設計會產生不同的影響。

1 結構說明

本工作以典型的110 kV高壓電纜為例，直觀呈現皺紋鋁護套電纜和平滑鋁護套電纜之間的差異，電纜效果圖如圖1所示，具體結構參數見表1。

圖1 平滑鋁護套電纜與皺紋鋁護套電纜的效果圖

表1 110 kV 1 600 mm2皺紋鋁護套及平滑鋁護套產品結構參數 （單位：mm）

2 電氣性能的研究

2.1 載流性能對比

載流量計算依據 IEC 60287—2006［2］：

式中：I為導體電流（A）；Δθ為高于環境溫度的導體溫升（K）；R為最高工作溫度下導體單位長度的交流電阻（Ω／m）；Wd為絕緣單位長度的介質損耗（W／m）；T1為導體和金屬護套之間單位長度熱阻（K·m／W）；T2為金屬套和鎧裝之間襯層的單位長度熱阻（K·m／W）；T3為外護層單位長度熱阻（K·m／W）；T4為環境媒質單位長度熱阻（K·m／W）；n為電纜芯數；λ1為金屬護套損耗系數；λ2為鎧裝損耗系數。

因半導電緩沖層結構不一致，受絕緣層、半導電緩沖阻水帶及氣隙綜合影響，兩種金屬護套結構的導體和金屬護套之間熱阻T1一定會產生變化［3-5］，按照IEC 60287—2006［2］標準統一取絕緣材料的熱阻系數3.5 K·m／W進行計算顯然不能體現出不同結構的差異。為重點研究兩種鋁護套結構的載流量對比，將導體和金屬護套之間分為絕緣層熱阻與緩沖層熱阻進行擬合計算［6］，絕緣層熱阻系數取3.5 K·m／W；皺紋鋁護套因波峰與半導電緩沖阻水帶存在氣隙，緩沖層熱阻系數取20 K·m／W；平滑鋁護套與半導電緩沖阻水帶均勻緊密接觸，緩沖層熱阻系數取11 K·m／W，計算公式如下：

式中：ρi為絕緣層或緩沖層的熱阻系數；ti為絕緣層或緩沖層的厚度；di為絕緣層或緩沖層的內徑。

根據式（2）計算，皺紋鋁護套結構時T1＝0.703 K·m／W，平滑鋁護套時T1＝0.375 K·m／W，降低近50%。忽略皺紋鋁護套軋紋后不同位置的厚度變化、晶相變化以及等效長度變化而引起的直流電阻變化。經計算，兩種鋁護套結構的載流量對比見表2。

由表2可知，幾種敷設方式中平滑鋁護套電纜的載流量均有提升，在空氣中敷設時，平滑鋁護套電纜的載流能力優勢明顯，有效地提高了電纜系統傳輸容量。

為直觀對比兩種金屬鋁護套電纜的實際載流能力，對表1中兩種電纜護套結構的高壓電纜進行了載流量模擬對比試驗。試驗方案：使用熱循環系統，在空氣中，分別使兩段相同長度產品的導體達到相同溫度（95～100℃），并達到熱平衡的穩態，試驗回路如圖2所示。記錄相關過程數據，最終獲取模擬負載穩態后的導體電流及相關溫度數據，根據相關試驗參數繪制的變化趨勢如圖3～圖5所示。

表2 兩種鋁護套結構的載流量對比

圖2 模擬載流量對比試驗回路圖

圖3 兩種鋁護套結構的模擬載流量對比

圖4 平滑鋁護套結構試驗的相關溫度趨勢

根據圖3～圖5趨勢，矯正電纜實際結構及試驗環境差異后，模擬得出在空氣中單根敷設條件下，平滑鋁護套電纜的載流能力較相同規格的皺紋鋁護套電纜提升約20%，與計算結果基本吻合。

2.2 感應電勢對比

不同文獻根據不同排列方式，給出了交流系統單芯電纜金屬套不同的感應電勢計算公式［7-8］。為簡化計算，對比單回路三根電纜呈等邊三角形和兩根電纜并列時的正常運行感應電勢，根據國家標準GB 50217—2018［9］得出感應電勢Es的計算公式：

圖5 皺紋鋁護套結構試驗的相關溫度趨勢

式中：L為電纜金屬套的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離（km）；ω＝2πf；I為電纜導體正常工作電流（A）；S為各電纜相鄰之間中心距（m）；r為電纜金屬套的平均半徑（m）。

為便于對比計算，段長均假定為1 km；工作電流按表2中空氣中敷設的計算結果。計算得出兩種金屬護套結構的正常運行感應電勢見表3。

表3 兩種鋁護套結構的正常運行感應電勢對比

由表3可知，由于載流能力的提升和金屬鋁護套外徑減小，導致平滑鋁護套感應電勢增加，感應電壓相比皺紋鋁護套高壓電纜升高。對于金屬護套感應電勢允許值，GB 50217—2007在1994版100 V的基礎上提升至300 V，以110 kV 1 600 mm2為例計算，可滿足1.5 km長度電纜的敷設，因此，感應電勢并非平滑鋁護套電纜段長設計的限制因素。

2.3 金屬護套短路電流變化

根據IEC 60949—2008［10］得非絕熱短路電流I計算公式：

鋁護套非絕熱因數ε為：

絕熱短路電流IAD為：

同時結合電纜型式，除電纜結構參數外，其余參數取值如下：t為短路持續時間，取1 s；σ2及σ3為鋁護套內外媒質比熱，分別取 2.2×106J／K·m3和1.7×106J／K·m3；ρ2及ρ3為鋁護套內外媒質熱阻，分別取 4.25 K·m／W 和6 K·m／W；σ1為鋁護套比熱，取 2.5×106J／K·m3；F為熱接觸因數，因鋁護套與外護套完全緊粘，取0.9；K為取決于載流體材料的常數，取 148 As1／2／mm2；θf為起始溫度，取 60 ℃；θi為終止溫度，取200℃；β為0℃時載流體電阻溫度系數的倒數，取228 K。

將式（3）可進一步整合為：

式中：D為鋁護套平均直徑（mm）；δ為鋁護套厚度（mm）。

由式（8）可知，非絕熱短路電流I主要與鋁護套平均直徑和厚度有關，而相較平均直徑，厚度影響較小。 由式（8）可計算出：皺紋鋁護套I＝72.4 kA／s，平滑鋁護套I＝66.0 kA／s，平滑鋁護套比皺紋鋁護套的非絕熱短路電流減小約9%。即便如此，平滑鋁護套高壓電纜依然可以滿足常規110 kV電力系統短路電流能力要求的25 kA／2s和31.5 kA／3s。

3 可靠性

皺紋鋁護套存在螺旋（或環形）空氣隙空間，且皺紋鋁護套結構波谷位置近似與緩沖層線接觸，如圖6所示，使鋁護套內部電場分布不均［11］，易造成半導電緩沖層燒蝕［12］，甚至造成絕緣屏蔽燒蝕［13］。因此，皺紋鋁護套的結構設計尤為重要，需考慮以下三個方面的影響：①絕緣熱脹冷縮與鋁護套內間隙的匹配性；②半導電緩沖層帶材的電氣性能；③鋁護套的軋紋深度與軋紋節距。

平滑鋁護套與半導電緩沖層是緊密的面接觸，與絕緣屏蔽間距均勻，可使緩沖層更有效地傳遞電纜充電電流、絕緣層泄漏電流、中性點電流、不平衡電流、故障電流及浪涌電流，提高了電纜金屬護層的電氣連接有效性。

高壓電纜緩沖層中阻水粉遇水在有電流的情況下與金屬鋁護套電化學腐蝕［14］，形成絕緣物質，電纜內部受潮或浸水使半導電層電阻升高。平滑鋁護套結構更加緊湊，在使用相同材質的阻水膨脹帶材，用量為皺紋鋁護套電纜一半的情況下，其鋁護套縱向阻水性能較皺紋鋁護套更加優良，透水試驗情況見表4。

圖6 皺紋鋁護套結構示意圖

表4 兩種鋁護套電纜透水試驗情況 （單位：cm）

金屬護套的防腐蝕材料主要是瀝青。國家電網110 kV電力電纜采購標準中明確防腐蝕層采用瀝青，南方電網根據區域特性可接受熱熔膠作為防腐蝕層。 GB／T 11017—2014［15］中的要求是“金屬套表面應有瀝青或熱熔膠防蝕層，瀝青可采用符合GB／T 494—2010要求的10號瀝青”。熱熔膠的技術要求目前尚未明確，因其基料為乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）［16］，耐寒性比瀝青好。氯醇法是生產瀝青基料環氧丙烷的主要方法［17］，這種方法的“三廢”排放量大，對環境污染嚴重。瀝青燃燒煙密度較大，而熱熔膠不易燃、無毒害物質添加。采用熱熔膠作為平滑鋁護套電纜的防腐蝕層，其低溫環境彎曲性能和環保性能較好。

據相關數據表明，南方電網在2016年110 kV及以上電壓等級的電纜線路上，不計外力破壞引起的故障，電纜附件故障達80%以上［18］。受施工現場環境、附件質量及操作工藝等多種因素影響，輸電系統中電纜接頭是最薄弱的環節，所以減少中間接頭會改善電纜系統的可靠性，而增加段長則是最直接的辦法。段長允許以任何制造長度交貨，但實際工程中需要考慮電纜金屬護套的感應電壓及交叉換位與接地系統等因素，制造商要考慮轉運能力、試驗設備電容等因素。如不考慮以上影響因素，相同條件下段長增加，施工周期縮短。

綜上，對于平滑鋁護套高壓電纜，一方面結構優化，改善了電纜金屬屏蔽電氣連接的有效性，增強了縱向阻水性能，從而提高了電纜線路的安全可靠性；另一方面采用熱熔膠替代瀝青，有利于環保。

4 彎曲性能

對于兩種金屬鋁護套高壓電纜的彎曲性能，從直觀感覺上，平滑鋁護套電纜的彎曲性能相對較差。皺紋鋁護套電纜，鋁護套和非金屬護套是兩道工序生產。平滑鋁護套打破常規工藝路徑，采用金屬護套和非金屬護套兩道工序聯動生產。表5對比了國內與國際標準中不同金屬護套類型彎曲試驗的筒體直徑要求。

表5 相關標準對鋁護套電纜彎曲試驗的筒體直徑要求

由表5可知，美國標準ICEA S-108-720—2018中將平滑鋁護套分為粘合與非粘合兩種，非金屬外護套粘合型的平滑鋁護套電纜與皺紋鋁護套電纜彎曲性能等同。在試驗驗證中，將兩種鋁護套高壓電纜采用國際上最嚴格的彎曲指標，即筒體直徑不大于25（d+D）+5%進行對比試驗，并在彎曲試驗后進行局部放電、工頻耐壓、雷電耐壓及相關裕度試驗。

彎曲試驗方法：分別將電纜試樣在環境溫度下圍繞在規定直徑的筒體上彎曲至少3圈，然后展直，過程中電纜沒有軸向移動。接著將試樣沿電纜軸線旋轉180°，重復上述過程，如此作為一個循環。這樣的彎曲循環共進行3次，試驗情況見表6。

表6 兩種鋁護套電纜的彎曲性能對比

由表6可知，平滑鋁護套電纜在敷設過程中的彎曲要求可以按皺紋鋁護套電纜的標準執行。

為繼續驗證平滑鋁護套電纜的彎曲性能，將平滑鋁護套電纜繞在更小的筒體上進行彎曲試驗，結果見表7。

表7 平滑鋁護套電纜的小筒體彎曲試驗

由表7可知，在平滑鋁護套電纜外徑的19.2倍下彎曲，外護套表面光滑，無開裂、錯位、褶皺等不良現象。隨后進行一系列電性能試驗，見表8。

表8 平滑鋁護套電纜小筒體彎曲試驗后的相關試驗

通過上述系列工作的驗證，初步證明平滑鋁護套電纜與皺紋鋁護套電纜的彎曲性能沒有明顯差異。平滑鋁護套沒有軋紋，與絕緣線芯線性接觸，電纜的反復彎曲性能相對更優越。

5 結 論

（1）平滑鋁護套電纜有效降低了電纜的綜合熱阻，相比皺紋鋁護套結構電纜，載流能力提升了約5%～20%，推薦敷設在隧道等空氣媒介的運行環境。

（2）平滑鋁護套電纜相比皺紋鋁護套電纜感應電壓和短路電流有一定的劣勢，經過研究分析，不影響現有規程下電纜的選型和實際運行。

（3）平滑鋁護套結構徹底改善了電纜金屬屏蔽電氣連接的有效性，降低了半導電緩沖帶“燒蝕”現象的產生，提高了電纜線路安全可靠性。

（4）采用熱熔膠替代瀝青防腐，使非金屬外護套與鋁護套形成一體，使平滑鋁護套電纜與皺紋鋁護套電纜具有相同水平的彎曲性能，同時保證了低煙、無毒，阻燃、防火等級提升。

（5）平滑鋁護套電纜結構緊湊，縱向阻水性能得到提升，電纜總質量降低，裝盤量提升約15%。方便轉運、施工，敷設通道資源占用有效降低，降低了工程投資。