我國高壓模注型電纜接頭的開發和應用

鐘海杰， 王佩龍， 夏云杰

（長園電力技術有限公司，廣東珠海519085）

我國高壓模注型電纜接頭的開發和應用

鐘海杰， 王佩龍， 夏云杰

（長園電力技術有限公司，廣東珠海519085）

根據我國高壓模注型電纜附件開發和應用的情況，結合國外運行經驗，提出我國目前單一發展預制型電纜附件難以全方位覆蓋各類不同電纜工程的需求，發展高壓模注型電纜附件產品是必要的和可行的。以國產220kV模注型電纜附件開發為例，較全面地介紹了高壓模注型電纜接頭和終端的設計要點和影響產品電氣性能和質量的關鍵因素。

交聯聚乙烯絕緣；電纜；模注型電纜附件；預制型電纜附件；接頭；終端

0 引 言

我國高壓電纜附件的開發和生產始于上世紀70年代，目前已擁有能夠批量生產110 kV以上高壓電纜附件的廠商多達25家以上，但產品結構幾乎是單一的預制型電纜附件。

預制型電纜附件是用在工廠模注成型的橡膠應力錐控制電場。出廠時，制造廠提供橡膠預制應力錐、終端瓷套管或復合套管、導體接頭、接頭外殼、絕緣油等零部件，在現場組裝成終端或接頭等電纜附件。

預制型電纜附件有兩種結構：國內產量最多和使用最普遍的是將橡膠預制應力錐經機械擴張后直接套在電纜的絕緣上，被稱為預模制型電纜附件（常用PMJ表示預模制型接頭，PMT表示預模制型終端）；另一種結構是在應力錐上增加一套機械彈簧裝置，以保持應力錐與電纜之間界面上的應力恒定，能對付在高電場和熱場作用下，橡膠應力錐老化后引起的界面壓力的松弛。日本和韓國的電纜制造廠商將其命名為預制型電纜附件（常用PJ表示預制型接頭，PT表示預制型終端）［1-5］。國內也不乏此類產品的制造廠商和用戶。

國產預制型電纜附件質量和安全運行狀況不俗，已積累了豐富經驗，許多電力用戶已習慣對它的使用和維護，然而，當今國外市場上高壓交聯電纜附件品種遠比國內豐富。高壓模注型電纜接頭（EMJ）在國外已經非常成熟且使用普遍。EMJ因具有結構穩定、尺寸小、電氣可靠性高和機械性能卓越等特點，在日本已作為一種高性能接頭用于超高壓系統。2007年日本電氣工程師協會（IEEJ）組織日本有關大學、供電單位和主要電纜制造廠商對66 kV及以上電壓等級的電纜附件的狀況進行調查并發表報告［6］。報告顯示EMJ在超高壓電網中使用比例很高，而且電壓等級越高，EMJ的使用比例也越高。從圖1可看出，EMJ在日本110～187 kV電網中的使用比例是34.4％，在220～275 kV電網中高達77.3％，而在66～77 kV電網中只占0.9％。這一情況與我國現狀有明顯差異，我國在66～220 kV交聯電纜線路中90％以上是預制型電纜附件。

因此，模注型電纜附件是一種值得關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開發和應用的情況。

圖1　2007年日本電網使用的電纜接頭

1 模注型電纜附件的結構和特點

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

圖2　220 kV模注型電纜接頭的絕緣結構

圖3　220 kV模注型電纜終端的結構

與預制型附件比較，兩者各有特點，無優劣之分，更談不上哪種會淘汰或取代另一種型式，而是相輔相成。附件選型可以根據工程實際需要取長避短而確定。表1為預制型附件和模注型附件的主要特點比較。

從表1可見，模注型電纜附件的缺點是現場安裝需要專用的工藝裝備，并且安裝時間較長。但是，隨著工藝技術的進步，現場安裝時間是可以縮短的。我國有著高壓模注型接頭的安裝經驗，安裝三相110 kV的模注型接頭，在一般情況下，大約需要6天時間，在應急的特殊情況下安裝時間還可以縮短。例如，在浙江省某市110 kV電纜工程，由于用戶的特殊要求，3天內完成了6套模注型接頭的安裝。

表1　模注型接頭與預制型接頭的特點比較

至于現場安裝需要專用工藝裝備，嚴格說這不應該是一個致命的缺點。好的專用工藝裝備能夠降低對接頭工熟練程度的依賴，確保產品質量穩定。高壓電纜附件的安全可靠性永遠是第一位的。

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

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

圖4　預制型電纜附件橡膠應力錐析出物

2 模注型接頭和終端的開發

迄今，國內已經完成擁有自主知識產權［7-9］的10～220 kV電壓等級的全部模注型接頭和模注型終端的開發。其中110和220 kV模注型接頭和模注型終端在國家電力工業電氣設備質量檢驗測試中心，通過了國家標準GB/T 11890規定的全部型式試驗和預鑒定試驗。

2.1模注型電纜附件的設計

EMJ的結構與電纜的結構基本相同，所用的絕緣材料和屏蔽材料也與電纜一樣，實質上是對電纜結構的恢復。因此，EMJ的絕緣厚度也類似于電纜絕緣厚度的設計，取決于規定的耐受電壓及最低絕緣擊穿場強。考慮到現場安裝的工藝條件不可能達到電纜制造時的超凈環境，可以適當增加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，未必能明顯增強電氣性能，反而對工藝和接頭的機械強度產生不利的影響。

模注型終端（EMT）與預制型終端結構相似，只是用電纜料直接模注在電纜絕緣面上形成的應力錐代替預制型電纜終端的橡膠應力錐。因此，它的應力錐曲線的長度和形狀、內外絕緣的配合均無異于預制型終端的設計。

2.2影響電氣性能的關鍵因素

在開發過程中，我們發現一個現象：對于同一設計，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擊穿點位置影響不大。這些現象說明該產品的電氣穩定性良好，同時也顯示電纜屏蔽與接頭屏蔽的連接處是電氣絕緣的弱點。

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

為此，進一步檢測了接頭增強絕緣的微孔、雜質和凸起，并與連接電纜的絕緣進行比較。檢測是按照GB/T 11890規定的方法進行的，表2是用顯微鏡觀察到的檢測結果。

表2　220 kV模注直流電纜接頭的微孔、雜質和凸起檢測

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

根據表2的檢測結果還可以作出如下推斷，即半導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，電纜絕緣屏蔽被剝去后與重新注上的接頭外屏蔽貼接處，界面常出現不規則區域，邊緣形狀會引起電場畸變。這兩個因素都可能影響電氣性能，而上述兩個因素都與該處絕緣外表面的拋光精度有關。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現場安裝的環境，包括濕度、溫度和空氣的潔凈程度都有嚴格要求。絕大部分地區需要搭建工作棚才能維持合格的環境條件。由于EMJ的結構尺寸小且主要工藝（模注成型）是在封閉的管道和模具中進行的，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3.5m、寬1.9 m、高1.96 m，并可根據現場情況調節高度和寬度。凈化級別：靜態10 000～100 000級（美國聯邦標準209E）；平均風速：0.45 m/s±20％（可調）；噪音：≤65 dB。

圖5　220 kV現場工作棚

EMJ和EMT的安裝工藝是在現場進行的，整個工藝流程，包括導體連接、導體屏蔽恢復、絕緣處理、外屏蔽恢復和外保護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是模注設備的原理圖。全部工藝參數，包括注料量、注料溫度、真空度、注料壓力和交聯溫度等全過程用計算機控制。

圖6　220 kV模注型接頭工藝流程

圖7　模注工藝流程

圖8　模注設備的原理圖1—電纜絕緣 2—加熱器 3—真空/應力成型模具4—數控注射機 5—真空/壓力泵

3 高壓模注型附件在我國的應用

模注型電纜附件在我國起步時間較晚，目前僅有少數的電纜附件制造廠商擁有它的制造和安裝技術。因此，模注型電纜附件在我國高壓電纜線路中使用的比例是不高的。然而，由于它的結構尺寸緊湊、電氣可靠性高、老化性能優異和容易滿足一些特殊的機械要求（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可，使用量也在與日俱增。截至2014年底已有全國16個省市的電力部門投運了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，模注型電纜附件主要應用在以下這些領域。

3.1大城市中心地區的地下管道密集場所

這種地區很難找到建造大型接頭工井的場地。對于110～220 kV電壓等級的接頭工井，模注型接頭工井的土方開挖量僅是預制型接頭工井的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的布置。

圖9　模注型接頭在狹小工井內的布置

3.2電纜故障修理

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

我國江西省某110 kV電纜工程，一相630 mm2電纜發生單相擊穿故障。圖10左下方圓圈標注的是該修理接頭的位置。故障點位于距離地面20 m高度的終端尾管附近。使用模注型接頭技術，僅需剝去擊穿通道附近的電纜絕緣和屏蔽層，模注新的絕緣和屏蔽，很快恢復了電纜結構。不到24小時，線路恢復了供電，迄今已經安全、穩定地運行了近3年時間。

圖10　江西某110 kV電纜工程用模注型接頭快速修復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度生產、交貨。由于海纜制造廠設備條件的限制，單根長度往往滿足不了工程要求，需要用接頭在廠內將電纜連接到所需要的長度。預制型接頭，由于它的剛性和結構尺寸比被連接的電纜大得多，不可能被選用。模注型接頭的結構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械性能，可以與電纜一樣能承受拉、扭和彎曲等各種機械應力的作用，是海底電纜軟接頭的最佳選擇［10］。我國近期高壓、大長度海底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，預制型附件的絕緣是由橡膠應力錐和電纜XLPE絕緣組成的復合絕緣，在直流電壓下，電纜絕緣層與附件增強絕緣層交界面上積聚的空間電荷會導致局部電場產生嚴重畸變，容易發生擊穿。因此，開發預制型直流電纜附件的難度很高。模注型電纜附件的應力錐和增強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，我國已經成功地開發了±200 kV直流模注型電纜附件（終端和接頭），在國家電線電纜質量監督檢驗中心，按照國際大電網會議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驗項目。同年，有6套± 200 kV直流電纜接頭投入國家電網舟山直流海底電纜示范工程使用。

4 結束語

單一的預制型電纜附件產品已經難以覆蓋全部電纜工程的需要。

國外已經成熟和普遍使用并有良好運行業績的高壓模注型電纜附件具有結構穩定、尺寸小、電氣可靠性高和接近電纜本體的機械性能。我國已經完成擁有自主知識產權的10～220 kV電壓等級的全部模注型接頭和模注型終端的開發。迄今的運行經驗表明這是一個能與預制型電纜附件相輔相成的電纜附件，在城市電網建設、電纜故障修理、海纜工程和直流輸電等領域它將獲得越來越廣泛的使用。

［1］ 王佩龍，車念堅.高壓交聯電力電纜附件選型的若干問題［J］.電力設備，2004，5（8）：1-8.

［2］ 周遠翔，趙健康，劉 睿，等.高壓/超高壓電力電纜關鍵技術分析及展望［J］高電壓技術，2014，40（9）：2593-2612.

［3］ 王佩龍.高壓電纜附件的電場及界面壓力設計［J］.電線電纜，2011（5）：1-4.

［4］ 應啟良.我國電力電纜技術引進及面向21世紀技術發展的期望［J］.電線電纜，1999（1）：2-12.

［5］ Thue William A.Electrical power cable engineering［M］.3rded.Florida，USA：The Chemical Rubber Company Press，2011.

［6］ Atsuhi Toya，Masaki Shimazua，Shinji Umeda Satoshi Nishikawa. Recent technologies of joints for HV and EHV XLPE cables in Japan［J］.IEEJ Trans，2007（2）：523-530.

［7］ 夏云杰.交聯聚乙烯絕緣電纜主體終端模注應力控制模塊［P］.中國專利：ZL.2013.2 0549923.3，2014-03-05.

［8］ 夏云杰.現場交聯聚乙烯熔接電纜接頭工藝方法［P］.中國專利：CN1667897A，2005-09-14.

［9］ 夏云杰.66 kV～500 kV交聯聚乙烯絕緣電纜中間接頭熔接制作工藝［P］.中國專利：CN11947992A，2006-07-26.

［10］ 王佩龍.國外大長度海底電力電纜發展動態［J］.電線電纜，1980（5）：10-15.

［11］ 鐘海杰，王佩龍，王錦明，等.抑制界面空間電荷的直流電纜附件的設計［J］.高電壓技術，2015（41）4：1-7.

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，高級工程師，總經理.

作者地址：廣東珠海市金峰路89號［519085］.