高壓XLPE電纜戶外終端中絕緣油填充高度的研究

周長城， 趙海軍， 徐 健

（1.沈陽古河電纜有限公司，遼寧 沈陽110115；2.遠東控股集團有限公司，江蘇 宜興214200）

0 引 言

電纜戶外終端安裝在電纜線路末端以連接電纜本體和其他電力設備，是高壓及超高壓電纜投入電網運行時必不可少的附件，而在電力系統的安全運行中，電纜戶外終端是比較薄弱的環節［1?5］，經常發生故障。

目前，國內對絕緣油的研究多集中在戶外終端運行過程中絕緣油滲漏：絕緣油與密封絕緣帶接觸后絕緣帶溶脹導致密封失效發生滲漏油［6?7］；液體絕緣油發生滲漏后會改變終端內電場分布，造成電纜內絕緣爬電距離變化，最終導致擊穿［8?9］。對于戶外終端內絕緣油填充高度的研究較少，本工作對戶外終端內絕緣油與絕緣帶的相溶性、絕緣油膨脹時的內部壓力和絕緣油對電場強度的影響3個方面進行分析。

1 電纜戶外終端的結構

電纜戶外終端的結構見圖1。

圖1 戶外終端結構圖

由圖1可知：電纜戶外終端結構主要由增強主絕緣曲率半徑改善電場分布的應力錐、作為輔助外絕緣的絕緣油、導體引出棒、套管、支撐及密封的法蘭和保護管等構成，其中絕緣油對于電纜戶外終端的長期運行起著非常關鍵的作用。

2 絕緣油與絕緣帶的相溶性

電纜系統運行時溫度變化會導致絕緣油的熱脹冷縮，為了避免絕緣油膨脹后滲入電纜導體內，在導體引出棒與電纜絕緣之間纏繞絕緣帶用于密封，絕緣油與絕緣帶接觸有可能發生溶脹導致該部位密封失效而滲漏絕緣油，因此在選用絕緣油和絕緣帶時必須做相溶性試驗。本工作對110 kV戶外終端用聚異丁烯絕緣油與絕緣帶的相溶性進行了研究。

將國內兩個廠家的乙丙橡膠絕緣帶（樣品1，樣品2），1／2搭接纏繞在?10鐵桿上，浸泡于聚異丁烯絕緣油中并用保鮮膜密封，如圖2所示。在室溫下浸泡6個月后發現樣品1乙丙絕緣橡膠帶無溶脹現象，樣品2乙丙絕緣絕緣帶破裂，與絕緣油發生溶脹，如圖3所示，發生溶脹的絕緣帶不能用于戶外終端的絕緣油密封。測試聚異丁烯絕緣油的電氣性能見表1。

圖2 乙丙橡膠絕緣帶浸泡在聚異丁烯絕緣油中

圖3 乙丙橡膠絕緣帶浸泡6個月后

表1 聚異丁烯絕緣油電氣性能

由表1可知：未使用的絕緣油、未發生溶脹的絕緣油和發生溶脹的絕緣油的電氣性能均滿足GB 11017—2014《額定電壓110 V（Um＝126 kV）交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第3部分：電纜附件》的要求，但是發生溶脹的絕緣油的體積電阻率下降了一個數量級。該數據只反映短期試驗結果，并不能代表戶外終端長期運行過程中絕緣油與絕緣帶發生溶脹后的絕緣油性能。

為了保證導體引出棒與電纜絕緣之間的良好密封，實際應用中選擇不與絕緣油發生溶脹的絕緣帶作為密封帶材，本工作后續分析均基于通過溶脹試驗的絕緣帶和絕緣油展開。

3 絕緣油膨脹時的內部壓力和膨脹量

戶外終端內填充絕緣油時上部預留空氣腔來滿足運行時絕緣油的膨脹。運行時溫度上升，絕緣油的體積膨脹，空氣腔被壓縮導致空氣腔的壓力升高，此時空氣腔的壓力應小于設計承受壓力。

根據波爾?查理定律，運行時空氣腔壓力計算公式為：

式中：P′為運行時空氣腔的壓力（MPa）；σg為安裝時空氣腔的體積（L）；T′為運行時的溫度（℃）；T為安裝時的溫度（℃）；P為安裝時的絕對壓力（0.1 MPa）；σ′g為空氣腔被壓縮的體積（L）；Δσo為運行時絕緣油的膨脹體積（L）；α為絕緣油的膨脹系數（聚異丁烯α＝0.001 L／℃）；ΔT為溫度變化量（℃）；σo為安裝時絕緣油的體積（L）。

110 kV戶外終端填充絕緣油后，上部空氣腔壓力變化與溫度差的關系見圖4。

圖4 絕緣油膨脹后空氣腔壓力與溫度差的關系

由圖4可知：絕緣油填充高度（h）為1 100 mm，溫度差為70℃時，上部空氣腔的壓力為0.16 MPa，上部空氣腔的壓力比安裝時提高60%，復合套管設計承受壓力為0.3 MPa，絕緣油受熱膨脹后空氣腔壓力小于復合套管設計承受壓力，可以滿足運行要求。絕緣油填充高度不同，溫差相同時上部空氣腔壓力也不同。

110 kV戶外終端填充絕緣油后，絕緣油膨脹高度與溫度差的關系見圖5。

圖5 絕緣油膨脹高度與溫度差的關系

由圖5可知：當絕緣油填充高度為1 100 mm時，溫度每升高10℃，絕緣油的膨脹高度增加9 mm。絕緣油填充高度不同，溫度差相同時絕緣油的膨脹高度也不同。

4 絕緣油對電場強度的影響

在戶外終端內部填充一定高度的絕緣油作為絕緣介質，以增加戶外終端內絕緣爬電距離，改善戶外終端內電場分布。

利用ANSYS軟件對戶外終端進行電場分析［10?11］，分析時應力錐位于戶外終端的高度保持不變，聚異丁烯絕緣油的填充高度分別為戶外終端高度的50%（h為700 mm）、64%（h為900 mm）和78%（h為1 100 mm），考察絕緣油填充高度不同時，對各部位最大電場強度的影響，如圖6所示。

圖6 絕緣油填充高度對各部位電場強度的影響

由圖6可知：絕緣油覆蓋應力錐后，其填充量對于應力錐、絕緣油和戶外終端外部空氣電場強度沒有影響；絕緣油填充高度為700 mm時上部空氣腔最大電場強度為0.53 kV／mm，隨著絕緣油填充高度增加，上部空氣腔的電場強度降低。絕緣油填充高度為1 100 mm時，上部空氣腔最大電場強度為0.33 kV／mm，為了保證型式試驗和裕度試驗順利通過，同時為了增加內絕緣的爬電距離，選取絕緣油填充高度為戶外終端高度的78%，此時戶外終端等位線分布見圖7。由圖7可知：上部空氣腔等位線分布均勻，該設計能夠滿足戶外終端長期運行。

圖7 戶外終端等位線分布

5 結 論

（1）選擇絕緣油與密封絕緣帶時應做相溶性試驗，實際應用中選擇不與絕緣油發生溶脹的絕緣帶為密封帶材。短期溶脹后聚異丁烯絕緣油性能略有降低，長期運行過程中絕緣油溶脹后的性能還需進一步跟蹤。

（2）絕緣油填充高度不同，運行時受熱膨脹后上部空氣腔壓力和絕緣油膨脹高度也不同。

（3）絕緣油覆蓋應力錐后，其填充高度僅對上部空氣腔電場強度有影響，為了保證試驗的順利通過同時增加內絕緣爬電距離，絕緣油填充高度至少應為戶外終端高度的78%。