500 kV XLPE電纜附件的設計

呂庚民， 楊黎明， 周長城， 劉本東， 富成偉， 吳雪嬌

(1.沈陽古河電纜有限公司，遼寧沈陽110115;2.國網電力科學研究院，湖北武漢430074)

目前，我國500 kV超高壓電纜附件的制造能力落后于電纜。500 kV超高壓電纜已有數家公司能夠制造，附件僅一家公司通過試驗并投入運行，但數量很少。大多數500 kV電纜線路上的附件還是依靠國外公司提供。應加快500 kV電纜附件的材料性能、結構設計、制造工藝、安裝環境等方面相關技術的研究，使500 kV電纜附件盡快實現國產化，以滿足市場的需要。

1 材料的選擇

本次研制采用的絕緣材料主要有硅橡膠、環氧樹脂、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)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及附件》標準，并與 GB/Z 18890.3—2002《額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及附件》標準推薦的材料性能進行比較，見表 1［1，2］。

從表1給出的材料電氣性能來看，500 kV電纜附件所用的硅橡膠、環氧樹脂材料在擊穿場強上要求比220 kV電纜附件所用的材料高15%～25%。在結構設計中，要盡量降低最大工作電場強度。在制造過程中，要盡量提高材料的最小擊穿電場強度。

表1 標準推薦的各種材料的擊穿場強

2 結構設計

2.1 整體預制接頭

接頭是附件里絕緣空間最小，對絕緣介質擊穿場強要求最高的附件。設計采用硅橡膠一種絕緣材料整體預制。為降低接頭中間導體連接管屏蔽電極端部的電場強度。設計時采用縮小電極的外徑、加大電極端部的曲率半徑的方法，如充油電纜接頭設計那樣，在電纜絕緣上設計、制作反應力錐。反應力錐的長度、形狀由硅橡膠與電纜交聯聚乙烯(XLPE)絕緣分界面的允許軸向電場強度(Et)決定，計算方法與充油電纜附件相同［3］。用專用刀具將電纜絕緣切削成錐形，最小外徑處與導體連接管相近，使得屏蔽電極外徑最小。接頭絕緣體內徑也設計為錐型［3］，結構見圖 1。

圖1 500kV整體預制接頭

經計算，可以得到中間屏蔽電極端部最大徑向電場強度(工作電壓290 kV)約為6.82 kV/mm，為材料最小擊穿場強的27.3%;應力錐起始點電纜絕緣表面的電場強度為6.75 kV/mm。電纜絕緣表面的電場強度是電纜結構固有的參數，不能通過附件結構設計來改變。此設計結構接頭各點的最大工作電場強度基本相同，設計較合理。

電纜絕緣反應力錐制作尺寸要求與接頭內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強度Et。中間屏蔽電極外徑縮小后，可大大縮小接頭的體積，節省接頭材料。電纜絕緣制作反應力錐后，在安裝硅橡膠接頭時可使電纜絕緣外表面與接頭內表面實現部分面接觸，潤滑劑可比較充分地進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終端結構相同，采用硅橡膠應力錐、彈簧壓緊結構。不同之處在于應力錐絕緣體內徑也為錐形，電纜絕緣也制作反應力錐，要處理成錐形，其目的是縮小環氧套管上屏蔽電極外徑，降低電極端部電場強度。具體結構見圖2。

計算結果表明，電纜表面應力錐起始點處電場強度與接頭基本相同。環氧套管高壓屏蔽電極下端在工作電壓下，最高工作場強3.04 kV/mm，為材料擊穿場強的12%。環氧套管表面SF6氣體最高工作場強為3.08 kV/mm。

電纜絕緣制作反應力錐，應力錐絕緣體內徑制作成錐形后，可使壓緊彈簧的推力更容易傳遞到應力錐絕緣體與電纜絕緣外表面和環氧套管的內表面，避免電纜絕緣表面摩擦力過大而使應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保型為主要研發趨勢。戶外終端是電纜附件中體積最大、結構最復雜、絕緣介質使用量最多的附件。目前，戶外終端一般在瓷套管或復合套管中填充液體絕緣介質。液體絕緣介質易發生滲漏，污染環境。一旦發生擊穿事故瓷套管可能爆炸，危及人員和其他設備安全［4］。另外，戶外終端一般都在室外施工，對施工條件要求高，需要搭腳手架，密封帳篷，安裝過程復雜。500 kV的戶外終端腳手架需要近10 m高，很難實現良好密封，安裝質量難以控制。本次戶外終端采用與GIS終端相同的內絕緣結構，將專門設計的環氧套管安裝在瓷套管或復合套管內，用一段相同規格去掉絕緣屏蔽的電纜下端固定在環氧套管的高壓屏蔽電極內，上端從瓷套管引出，并與瓷套管上端和環氧套管上端形成密封結構。環氧套管下端與瓷套管下端形成密封結構，在工廠內組裝好。在瓷套管與環氧套管之間的空間內填充絕緣膏。這種絕緣介質使用絕緣油與白炭黑混合成的膏狀材料，絕緣性能優良，比重小，可壓縮，通過注膠泵在工廠內注入，不會滲漏，并容易回收，避免污染環境。現場安裝時，處理電纜絕緣尺寸與GIS終端相同。壓接導體引出桿、套上應力錐后，將在工廠內組裝好的戶外終端套到應力錐上，將戶外終端旋轉90°，壓接在電纜導體上的引出桿與環氧套管內電纜導體的連接部件可自動鎖定，防止電纜移動，應力錐錯位。大大減少了現場安裝時間，提高了安裝質量。結構設計見圖3。

計算結果表明，電纜表面應力錐起始點處、環氧套管高壓屏蔽電極處的電場強度與GIS終端基本相同。絕緣填充膠的最大工作場強1.62 kV/mm，為材料擊穿場強的11.6%;瓷套管表面空氣最高工作場強(軸向)0.38 kV/mm，為空氣擊穿場強的12.7%。瓷套管傘裙端部空氣的最高工作場強(徑向)0.66 kV/mm，為空氣擊穿場強的22%。

圖3 500kV戶外終端

從電場計算可看出，這種結構在套管表面出現兩處電場強度高的位置:一處為應力錐接地屏蔽環上端所對應的套管表面，從電位線的形狀看為沿套管表面向下軸向方向;另一處為環氧套管上部電極下端所對應的套管表面，其方向為套管徑向方向。

3 計算結果與220 kV附件計算值比較

附件中各種絕緣介質在工作電壓下的最大電場強度見表2。從表2中可知，500 kV附件的硅橡膠介質和電纜絕緣表面在工作電壓下的最大電場強度要高于220 kV附件25%和66%。

表2 各種絕緣介質的電場強度(單位:kV/mm)

4 基礎試驗驗證

從上述計算結果可以看出，提高硅橡膠材料和應力錐起始點與電纜絕緣接觸面的電氣性能是500 kV電纜附件研制的關鍵。對于硅橡膠材料，采取制造環境凈化、100 μm以下孔徑過濾、真空注膠等方法來提高其絕緣性能。對電纜絕緣表面，采取絕緣表面拋光后，套上一個熱縮管進行加熱、加壓，使表面的粗糙度小于20 μm［5］;安裝環境凈化度要達到十萬級。按上述條件制作了6個110 kV結構尺寸的接頭分別進行工頻電壓擊穿試驗和沖擊電壓擊穿試驗。試驗結果: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。按110 kV接頭的結構尺寸計算電場強度，中間屏蔽電極端部最高點在工作電壓下最大場強度E=4.37 kV/mm;應力錐起始點電纜絕緣表面工作電壓下最大場強E=2.79 kV/mm。

計算可得，工頻電壓下硅橡膠的擊穿電場強度Emin=36.8 kV/mm;電纜絕緣表面應力錐起始點的電場強度E＞23.5 kV/mm;沖擊電壓下硅橡膠的擊穿電場強度Emin=75.10 kV/mm;電纜絕緣表面應力錐起始點的電場強度Emin＞47.95 kV/mm。

500 kV附件的設計水平:工頻試驗電壓Uac=638 kV;沖擊試驗電壓Uimp=1800 kV。根據電場計算結果，中間屏蔽電極端部試驗電壓下工頻電場強度E=15.0 kV/mm;沖擊電壓下電場強度E=42.3 kV/mm。電纜絕緣表面應力錐起始點在試驗電壓下工頻電場強度E=14.85 kV/mm;沖擊試驗電壓下電場強度E=41.89 kV/mm。

5 結束語

500 kV XLPE電纜硅橡膠電纜附件研制的關鍵問題:一是接頭和應力錐制造過程中環境的清潔和避免材料中的氣孔雜質進入模具;二是施工環境和電纜絕緣表面粗糙度的控制。從電纜絕緣表面電場強度的計算值可以看出，應力錐起始點與電纜絕緣表面絕緣安全裕度要小于應力錐絕緣體材料的裕度。現場施工過程中會存在很多不確定因素，安裝質量是提高附件電氣絕緣性能的關鍵環節。

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

［3］劉子玉.電氣絕緣結構設計原理 上冊 電力電纜［M］.北京:機械工業出版社，1981.

［4］楊黎明.中國電纜及附件現狀與超高壓附件的發展［C］//中國電力企業聯合會年會論文集，2010.

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