500 kV交聯(lián)聚乙烯電纜附件的開發(fā)

陳猛猛， 劉麗麗， ［日］住本勉

（特變電工山東魯能泰山電纜有限公司，山東新泰271200）

500 kV交聯(lián)聚乙烯電纜附件的開發(fā)

陳猛猛， 劉麗麗， ［日］住本勉

（特變電工山東魯能泰山電纜有限公司，山東新泰271200）

主要介紹了所開發(fā)的500 kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜附件的結(jié)構(gòu)特點，對開發(fā)過程中的材料選擇、絕緣設(shè)計、機械強度設(shè)計等開發(fā)要點進行了分析。所開發(fā)的500 kV XLPE電纜附件通過了GB/T 22078.3—2008規(guī)定的型式試驗及預(yù)鑒定試驗。

500 kV；XLPE電纜；電纜附件；整體預(yù)制式中間接頭；冷縮；戶外終端

0 引 言

500 kV電纜附件是國際、也是國內(nèi)最高電壓等級的電纜附件，是目前電纜附件產(chǎn)品開發(fā)研究的焦點。本次研制的500 kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜附件包括戶外終端、SF6氣體絕緣終端（以下簡稱GIS終端）及整體預(yù)制橡膠絕緣件接頭（以下簡稱中間接頭）。

中間接頭采用工廠預(yù)擴徑整體預(yù)制式結(jié)構(gòu)，其主要特點是其應(yīng)力錐及主絕緣部分為“一件式”、“預(yù)制式”橡膠本體，并預(yù)先在工廠內(nèi)進行擴徑，現(xiàn)場施工時只需將擴徑管抽出即可完成安裝。同時將這種預(yù)擴徑技術(shù)應(yīng)用到500 kV戶外終端用應(yīng)力錐的設(shè)計中。

本文主要講述開發(fā)的500 kV XLPE電纜附件的結(jié)構(gòu)特點、開發(fā)要點及鑒定試驗結(jié)果。

1 500 kV XLPE電纜附件結(jié)構(gòu)

1.1500 kV中間接頭

圖1為500 kV中間接頭的結(jié)構(gòu)圖。本次開發(fā)的500 kV中間接頭結(jié)構(gòu)與110 kV及220 kV中間接頭結(jié)構(gòu)相同，均采用冷縮式橡膠絕緣本體來進行電場控制，即圖1中零件3。為盡可能縮小橡膠絕緣本體體積，導(dǎo)體連接采用了體積較小的駱駝型連接金具（圖1中零件1），同時縮小了橡膠絕緣本體的內(nèi)部電極外徑，增大了內(nèi)部電極端部的曲率半徑。

圖1　中間接頭主要結(jié)構(gòu)1—導(dǎo)體 2—屏蔽罩 3—橡膠絕緣本體 4—屏蔽層5—防蝕層 6—防水混合物 7—保護銅殼8—接地端子 9—絕緣筒

1.2500 kV戶外終端

圖2為500 kV戶外終端的結(jié)構(gòu)示意圖。與傳統(tǒng)的戶外終端相比，本次開發(fā)的戶外終端也是使用絕緣硅油及應(yīng)力錐來控制電場分布，但是沒有使用環(huán)氧座、橡膠應(yīng)力錐及壓縮金具結(jié)構(gòu)，而是采用與中間接頭相同的冷縮式預(yù)擴徑應(yīng)力錐（圖2中零件5）。同時，為避免發(fā)生絕緣油泄露，采用了獨立的油封裝置，并輔助以壓縮裝置來確保密封性。

預(yù)擴徑應(yīng)力錐的使用方法如圖3所示。應(yīng)力錐在工廠使用專用擴徑設(shè)備擴徑到螺旋擴徑管上，現(xiàn)場安裝時，電纜插入到螺旋管中，將螺旋管拉出，應(yīng)力錐套在電纜絕緣外側(cè)形成絕緣部分。與傳統(tǒng)應(yīng)力錐現(xiàn)場擴徑或強行套裝相比，可以簡化應(yīng)力錐插入電纜的工藝，縮短插入時間。同時，因簡化了安裝工藝，故由施工操作引起的產(chǎn)品故障發(fā)生率可得到有效控制。

圖2　戶外終端主要結(jié)構(gòu)1—導(dǎo)體 2—上部金具 3—瓷套管 4—絕緣填充物5—應(yīng)力錐 6—屏蔽罩 7—法蘭 8—保護金具9—支撐瓷座 10——防蝕層

圖3　螺旋管使用示意圖

1.3500 kV GIS終端

本次開發(fā)的GIS終端主要由橡膠應(yīng)力錐、環(huán)氧樹脂套管、壓縮金具、保護尾管組成，如圖4所示。

通過增大半導(dǎo)電起始點位置的曲率半徑，增加絕緣外徑來增加應(yīng)力錐耐受電場強度，同時使用可調(diào)節(jié)壓力的壓縮裝置來加強應(yīng)力錐與電纜絕緣體及應(yīng)力錐與環(huán)氧套管之間的界面壓力，保證整個產(chǎn)品的長期運行穩(wěn)定性。

圖4　GIS終端主要結(jié)構(gòu)1—套管 2—導(dǎo)體 3—制動環(huán) 4—應(yīng)力錐 5—法蘭 6—固定環(huán) 7—絕緣筒8—彈簧裝置 9—保護金具 10—防蝕層 11—上部金具

2 500 kV XLPE電纜附件開發(fā)要點

2.1材料

表1列舉了三種應(yīng)力錐用絕緣材料的機械及絕緣性能，其中1與2為GB/T 22078.3—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［1］的性能。但是，考慮到中間接頭及戶外終端應(yīng)力錐采用預(yù)擴徑這一工藝特點，我公司選用了抗張強度及斷裂伸長率較高的硅橡膠材料，即表1中3號硅橡膠。

表1　應(yīng)力錐用絕緣材料性能一覽

另外，由于戶外終端應(yīng)力錐直接浸泡在絕緣硅油中，為避免硅橡膠在絕緣硅油中溶脹導(dǎo)致絕緣性能下降，采用了一種烷基改性硅油，其與應(yīng)力錐材質(zhì)硅橡膠的溶脹性約為普通二甲基硅油的10％。

2.2絕緣設(shè)計

中間接頭是電纜附件中絕緣設(shè)計空間最小，對絕緣材料擊穿場強要求最高的附件，所以本文以中間接頭絕緣設(shè)計為例進行說明。

圖5為中間接頭橡膠絕緣本體的電場強度分布圖，使用東芝專利軟件HSSSM來對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行電場解析計算，根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行調(diào)整。計算了橡膠絕緣本體中最重要的5個點的電場強度т1～т5（如圖5所示）。5個點分別為內(nèi)部電極平坦部、內(nèi)部電極端部、橡膠絕緣本體絕緣與電纜絕緣界面、橡膠絕緣本體應(yīng)力錐起始點、電纜絕緣部。

圖5　中間接頭橡膠絕緣本體電場強度分布圖

根據(jù)表2所示的5個點的電場強度，均小于材料的最小擊穿電場強度。從電場分布來看，橡膠絕緣本體內(nèi)部電極端部電場強度較高，為材料最小擊穿電場強度的80％，其他點的電場強度均在材料最小擊穿電場強度的58％以下?？梢钥闯?，本設(shè)計結(jié)構(gòu)各點的電場強度基本保持在同一水平，結(jié)構(gòu)設(shè)計較合理。

表2　中間接頭橡膠絕緣本體電場強度

2.3面壓設(shè)計

圖6展示了中間接頭面壓產(chǎn)生的原理，即中間接頭通過電纜絕緣與橡膠絕緣本體之間的面壓來保證絕緣性能，而面壓則是由電纜絕緣外徑與橡膠絕緣本體內(nèi)徑的徑差來實現(xiàn)。如圖6中所示，由于橡膠絕緣本體預(yù)先在工廠擴徑到螺旋管上，始終呈現(xiàn)永久拉伸與應(yīng)力緩釋，直至被安裝到電纜上。而且，在運行過程中，橡膠絕緣本體也存在應(yīng)力緩釋［3］。

圖6　中間接頭橡膠絕緣本體面壓產(chǎn)生示意圖φd1—橡膠絕緣本體內(nèi)徑 φd2—擴徑螺旋管外徑φD—電纜絕緣外徑

經(jīng)過試驗驗證表明，擴徑率為160％～200％、擴徑后40℃保管三年、安裝30年后面壓下降率約為80％～82％。所以，考慮到上述原因，面壓設(shè)計為運行30年后仍需超過最小需求面壓。

2.4機械設(shè)計

500 kV XLPE電纜附件開發(fā)中，需要考慮在運行中各種機械耐受強度。以下以戶外終端為例進行說明。戶外終端的機械耐受強度設(shè)計需考慮以下三種耐受力：風(fēng)力、地震力、短路電磁力。

（1）風(fēng)力施加在戶外終端上的彎曲力矩Mw（N· mm）為［2］：

式中：Lp為戶外終端套管長度（mm）；P為風(fēng)壓力（N），其計算公式為：

式中：C為風(fēng)力系數(shù)；A為受風(fēng)面積（mm2）；g為重力加速度（9.8 kg/N）；q為速度壓（kg/mm2），其計算公式為：

式中：q0為地域差別基準(zhǔn)速度壓（kg/mm2）；α為上空遞增系數(shù)；β為構(gòu)造規(guī)模的遞減系數(shù)；K1為構(gòu)造種類的變化系數(shù)；K2為屏蔽系數(shù)。

以風(fēng)速為40 m/s，Mw約為9.4×106N·mm。

（2）地震力施加在戶外終端上的彎曲力矩Mo（N·mm）為：

式中，F(xiàn)1、F2、F3分別為作用于戶外終端上部、戶外終端套管及戶外終端內(nèi)部的地震力（N），其計算公式為：

式中：G為水平加速度（kg/N）；f為頻率（Hz）；W為重量（kg）。

以加速度為0.3 g，計算得出Mo約為1.02×108N·mm。

（3）短路電磁力施加在戶外終端上的彎曲力矩MI（N·mm）為：

式中：FI為作用于導(dǎo)體上的力（N），其計算公式為：

式中：Ⅰs為短路電流（kA）；S為相間距離（mm）；g為重力加速度（kg/N）

以短路電流為40 kA計算可以得出，MI約為5.7×105N·mm。

綜合對比可以得出，地震力施加在戶外終端上的彎曲力矩最大。對比現(xiàn)有設(shè)計耐受力矩，安全率約為2.2倍以上。

圖7　型式試驗現(xiàn)場

3 認證試驗

2012年8月至2012年10月，于電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗測試中心進行了型式試驗的檢測，2012年12月至2014年4月，進行了預(yù)鑒定試驗，上述兩部分試驗均檢驗合格（圖7為型式試驗現(xiàn)場照片）。送檢樣品如下：

（1）YJJTI2 290/500 1×2500整體預(yù)制橡膠絕緣件直通接頭；

（2）YJJJI1 290/500 1×2500整體預(yù)制橡膠絕緣件絕緣接頭（帶銅殼）；

（3）YJZFY4 290/500 1×2500液體絕緣橡膠應(yīng)力錐復(fù)合套式終端；

（4）YJZWY4 290/500 1×2500液體絕緣橡膠應(yīng)力錐瓷套式終端；

（5）YJZGG 290/500 1×2500干式絕緣橡膠應(yīng)力錐GIS終端。

4 結(jié) 論

500 kV電纜附件的成功開發(fā)，不僅依賴于成熟的附件設(shè)計，同時也依賴于優(yōu)異的原材料性能。

（1）在滿足絕緣性能要求的同時，采用機械性能更優(yōu)越的原材料來實現(xiàn)預(yù)擴徑工藝。

（2）通過電場強度解析計算對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行調(diào)整、確認，計算結(jié)果表明所設(shè)計的結(jié)構(gòu)絕緣設(shè)計裕度較大。

（3）面壓設(shè)計時考慮了擴徑后的橡膠應(yīng)力緩釋，面壓設(shè)計為運行30年后仍需超過最小需求面壓。

（4）計算了風(fēng)力、地震力、短路電磁力等機械力耐受強度，安全率為2.2倍以上。

（5）戶外終端采用冷縮預(yù)擴徑應(yīng)力錐，不僅縮短安裝時間，同時可降低施工操作引起的施工故障率。

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

［2］ JEC-127—1979 送電用支持物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］ Nakamura S，Kuwaki A，Hayashi K，et al.Development of cold shrinkable joints for110～230kV XLPE cable［J］.Jicable03 A. 5.3：186-190.

Development of 500 kV XLPE Cable Accessories

CHEN Meng-meng，LIU Li-li，Tsutomu Sumimoto
（TBEA Shandong Luneng Taishan Cable Co.，Ltd.，Xintai 271200，China）

The specifications of developed 500 kV XLPE cable accessories are introduced.The choice ofmaterials，insulation design，mechanical design and other development key-points are described.The test result of 500 kV XLPE cable accessories met the requirement of GB/T 22078.3—2008.

500 kV；XLPE cable；cable accessory；integral premoulded joint；cold shrinkable；outdoor termination

TM203

A

1672-6901（2015）01-0009-04

2014-08-19

陳猛猛（1984-），女，工程師.

作者地址：山東新泰市惠普路68號［271200］.