220 kV高壓電力電纜阻水結(jié)構(gòu)分析

王珊珊，孟 陽，邵京偉，何曉會(huì)，岳春風(fēng)

(1.哈爾濱電站科技開發(fā)有限公司，哈爾濱150046；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司物資公司，哈爾濱150001；3.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090；4.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

隨著對(duì)電力電纜絕緣吸水和水樹的研究，對(duì)高壓電力電纜防水性能要求也越來越高。水分浸入到電纜中，對(duì)電纜導(dǎo)體和絕緣的影響較大。水分浸入到導(dǎo)體，使導(dǎo)體氧化，導(dǎo)體電阻增大，輸電線路損耗增加；水分浸入到絕緣，在交變電場下，水分子滲透到絕緣分子無定形相的間隙和晶相的晶界缺陷中，同時(shí)交聯(lián)聚乙烯絕緣有較多的交聯(lián)副產(chǎn)物，絕緣吸水后會(huì)產(chǎn)生水樹使得運(yùn)行中的電纜發(fā)生擊穿而損壞[1]。水樹一般發(fā)生在絕緣中存在的雜質(zhì)、氣孔及絕緣與內(nèi)外半導(dǎo)電層結(jié)合面的不均勻處所形成的局部高電場部位。水樹發(fā)生過程一般在8年以上，濕度、溫度、電壓越高，水中所含離子越多，則水樹發(fā)展越快。在潮氣和電場的共同作用下，水樹誘發(fā)高壓電力電纜擊穿，從而減少電纜壽命[2-3]。

因此，以220 kV高壓電力電纜為例，對(duì)高壓電纜阻水結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以避免水汽和環(huán)境水進(jìn)入電纜內(nèi)部，并通過阻水試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1 高壓電力電纜阻水結(jié)構(gòu)理論分析

1.1 阻水結(jié)構(gòu)概述

對(duì)于220 kV XLPE絕緣電力電纜來說，電纜的防水方式一般分為縱向阻水和徑向阻水兩種。縱向阻水常用的阻水材料有阻水紗、阻水粉及阻水帶，其阻水機(jī)理為材料遇水膨脹，阻止水分縱向擴(kuò)散；徑向阻水方式主要有熱壓、焊接金屬護(hù)套等[4-5]。如圖1所示，陰影部分為電纜內(nèi)部縱向滲水可能發(fā)生處。

圖1 電纜內(nèi)部縱向滲水可能發(fā)生處Fig.1 Possible location of longitudinal water seepage inside the cable

圖1中：1為導(dǎo)體；2為內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽；3為絕緣；4為外半導(dǎo)電屏蔽；5為銅帶屏蔽；6為包帶；7為內(nèi)護(hù)套；8為墊層；9為間隙；10為皺紋鋁護(hù)套；11為外護(hù)套。

圖1(a)中可能縱向滲水發(fā)生處為導(dǎo)體絞線間隙、導(dǎo)體與絕緣間隙及銅絲屏蔽間隙；圖1(b)中可能縱向滲水發(fā)生處為導(dǎo)體絞線間隙及導(dǎo)體與絕緣間隙。

1.2 縱向阻水結(jié)構(gòu)

縱向阻水一般通過填充阻水材料和繞包阻水帶實(shí)現(xiàn)。電纜阻水材料主要有填充膏、熱熔膠及阻水帶等，目前多采用超強(qiáng)吸水膨脹材料，其吸水性強(qiáng)，吸水量為自身質(zhì)量的幾十至幾千倍。超強(qiáng)吸水膨脹材料成本低、兼容性強(qiáng)，且兼有被動(dòng)性阻水材料和主動(dòng)性阻水材料的優(yōu)點(diǎn)。

采用超強(qiáng)阻水材料填充導(dǎo)電線芯空隙通常有兩種方法。一種為阻水繩與導(dǎo)電線芯一起絞合；另一種采用阻水粉末，對(duì)每層導(dǎo)電單線絞合后均勻涂覆表面。

采用新型阻水材料作為填充材料并結(jié)合阻水包帶生產(chǎn)的阻水電纜，在實(shí)際應(yīng)用中阻水效果良好。

1.3 徑向阻水結(jié)構(gòu)

徑向阻水方式主要有熱壓、焊接、冷拔金屬護(hù)套方式等，常用的材料有：

1)無縫鉛套。由連續(xù)壓鉛機(jī)擠包無縫連續(xù)鉛套，鉛的化學(xué)性能穩(wěn)定，耐腐蝕。

2)無縫皺紋鉛套。由連續(xù)或非連續(xù)壓鋁機(jī)擠包鋁套及軋皺紋，電纜重量輕，鋁的化學(xué)性能較活潑，外護(hù)套損壞后鋁套易穿孔，外徑較大。

3)焊縫皺紋鋁套。鋁板卷包用焊機(jī)焊接后再軋紋，同上，但有縱向焊縫。

4)焊縫皺紋銅套。銅板卷包用焊機(jī)焊接后再軋紋，有縱向焊縫，外徑較大。

5)焊縫皺紋不銹鋼套。不銹鋼板卷包用焊機(jī)焊接后再軋紋，有縱向焊縫，熱穩(wěn)定容量比波縱銅套低，外徑較大。

6)綜合護(hù)套。鋁箔PE復(fù)合膜縱向搭蓋卷包熱風(fēng)焊接，在擠包外護(hù)套后與護(hù)套結(jié)合成一體。電纜重量輕，鋁箔作防水層，用銅絲屏蔽滿足熱穩(wěn)定性。

焊縫皺紋鋁套重量輕，短路熱穩(wěn)定性好，在電纜實(shí)際生產(chǎn)中是良好的徑向阻水材料。

2 高壓電力電纜阻水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

220 kV高壓XLPE 絕緣電力電纜，在絕緣線芯外繞包厚度為1.5 mm的半導(dǎo)電吸水膨脹阻水帶。吸水膨脹阻水帶由在半導(dǎo)電的聚脂無紡纖維中加入聚丙烯酸脂膨脹粉制成，膨脹粉遇水后能在一定時(shí)間內(nèi)迅速膨脹，起到阻水作用。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 220 kV XLPE 絕緣電力電纜結(jié)構(gòu)Fig.2 220 kV XLPE insulated power cable structure

2.1 縱向阻水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜縱向阻水結(jié)構(gòu)包括2層半導(dǎo)電緩沖帶，1層阻水帶，以220 kV 2 500 mm2XLPE絕緣電纜結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，詳見表1。

表1 繞包工藝參數(shù)Table 1 Wrapping process parameters

表1中，半導(dǎo)電阻水帶是由聚酯纖維非織造布、半導(dǎo)電材料與高吸水材料等復(fù)合而成；非導(dǎo)電阻水帶由非織造布(聚酯布)和高吸水材料復(fù)合而成。阻水帶應(yīng)具有優(yōu)良的阻水性、耐熱性及化學(xué)穩(wěn)定性，阻水帶不應(yīng)含有對(duì)金屬材料及其他相鄰材料有腐蝕作用的成分。

阻水帶盤面平整、光滑，接頭用粘接帶或膠液應(yīng)與阻水帶性能一致，并有明顯標(biāo)識(shí)。生產(chǎn)過程中繞包后電纜外徑僅為參考值，但必須記錄實(shí)際繞包外徑，并計(jì)算平均外徑，記錄在生產(chǎn)制造卡上，作為下道生產(chǎn)工序的參考依據(jù)，同時(shí)嚴(yán)格控制搭蓋層數(shù)及搭蓋率。

2.2 徑向阻水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓電力電纜徑向阻水結(jié)構(gòu)一般采用皺紋鋁護(hù)套，220 kV 2500 mm2擠包皺紋鋁護(hù)套具體結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表2 擠包皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 Extruded corrugated aluminum sheath structure size 單位：mm

中心設(shè)定溫度500 ℃，鋁管擠出最大壓力超過315 MPa時(shí)，可相應(yīng)提高中心塊溫度保證設(shè)備在正常負(fù)荷下運(yùn)行。

鋁護(hù)套表面應(yīng)光滑、平整，無目力可見的砂眼、氣孔、雜質(zhì)和明顯的縱向擠出紋路。鋁護(hù)套厚度為標(biāo)稱厚度，鋁護(hù)套的最薄點(diǎn)厚度不得小于標(biāo)稱厚度的90%，實(shí)際開車時(shí)間，隙控制公差為0～0.7 mm，即實(shí)際間隙范圍-0.5～0.2 mm，生產(chǎn)中實(shí)際控制范圍-0.2～0.2 mm，包帶外徑按照設(shè)計(jì)標(biāo)稱值控制。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的鋁護(hù)套節(jié)距公差范圍-10%～0。深度公差范圍-0.2～0.3 mm，以保證電纜內(nèi)徑達(dá)到工藝要求為準(zhǔn)。鋁護(hù)套外徑小于100 mm時(shí)，公差范圍±1.5 mm；外徑大于100 mm時(shí)，公差范圍±2 mm。

每批生產(chǎn)所需的鋁錠應(yīng)盡可能采用同一批原材料，兩側(cè)鋁錠應(yīng)為同一爐號(hào)。擠出皺紋鋁護(hù)套后電纜線芯應(yīng)收在筒體直徑不小于電纜線芯直徑的25倍的收線盤上，且排列整齊，收線盤內(nèi)表面應(yīng)光滑平整。

3 電纜阻水性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 18890—2015規(guī)定，將電纜試樣在環(huán)境溫度下圍繞試驗(yàn)用圓柱體彎曲至少一整圈，然后展直，再在反方向彎曲一整圈，如此作為一個(gè)循環(huán)。循環(huán)進(jìn)行3次。試驗(yàn)的圓柱直徑應(yīng)不大于25(d+D)(1+5%)，D為電纜金屬護(hù)套平均外徑，d為電纜導(dǎo)體外徑。

3.1 試樣段選取

1)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取6 m成品電纜，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)；

2)彎曲試驗(yàn)后，截取3 m電纜，水平放置，在中間部位切除一個(gè)寬約50 mm的圓環(huán)，圓環(huán)應(yīng)包括絕緣屏蔽以外的各層材料；

3)若電纜采用間隔縱向阻水結(jié)構(gòu)，試樣至少應(yīng)含有2個(gè)間隔，并在間隔之間切除圓環(huán)，并標(biāo)明間隔的平均距離，據(jù)此確定試樣長度；

4)選取合適的裝置，用一根內(nèi)徑不小于10 mm的圓管垂直放置在圓環(huán)上方，裝置與電纜外護(hù)層表面密封。

3.2 阻水試驗(yàn)

1)向圓管注水，水溫為(10±2)℃，使管中水柱在5 min內(nèi)高于電纜中心1 m，裝置注水后放置24 h。

2)在試樣上施加10次加熱循環(huán)。采用適當(dāng)方式加熱導(dǎo)體，使其溫度穩(wěn)定在95～100 ℃之間的一個(gè)定值。

3)至少加熱8 h，在每一個(gè)加熱期內(nèi)，導(dǎo)體溫度應(yīng)保持至少2 h ,隨后自然冷卻16 h以上。

4)選取1根和試樣相同的模擬電纜與試樣串聯(lián)，在模擬電纜上直接測量導(dǎo)體溫度，試驗(yàn)過程中無需施加電壓。

同時(shí)對(duì)兩段樣品做阻水試驗(yàn)，樣品均出現(xiàn)漏水，試驗(yàn)失敗，但樣品漏水較少，需要對(duì)工藝參數(shù)做進(jìn)一步改進(jìn)。

4 工藝改進(jìn)

通過對(duì)彎曲前后的電纜試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸檢查，來判斷電纜進(jìn)水原因。試樣彎曲前后數(shù)據(jù)見表3，電纜圓整度情況見表4。

表3 試樣彎曲前后數(shù)據(jù)

表4 彎曲前后圓整度Table 4 Roundness before and after bending 單位：%

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，電纜在經(jīng)過牽引、上盤和彎曲后，圓整度均變小。電纜由于本體較大較重，上盤彎曲時(shí)單面受力，導(dǎo)致一面間隙為負(fù)，對(duì)應(yīng)一面間隙為正，電纜圓整度差，導(dǎo)致電纜少量進(jìn)水。

對(duì)電纜的節(jié)距大小和鋁護(hù)套深度進(jìn)行調(diào)整。節(jié)距不變，鋁護(hù)深度越大，電纜透水長度越長，阻水效果越差，這是因?yàn)樯疃仍酱缶彌_阻水帶膨脹到鋁護(hù)套波峰的距離越長，導(dǎo)致阻水效果差；但深度過小，彎曲性能下降，圓整度會(huì)減小，又會(huì)反過來使阻水效果變差，因此深度選取要適中。節(jié)距越小，電纜彎曲性能越好，阻水效果也越好。水是沿著皺紋鋁護(hù)套的皺紋螺旋前進(jìn)的，節(jié)距越小，同等長度下水通過的路徑越長，所以節(jié)距小的電纜阻水效果好，但節(jié)距過小會(huì)材料浪費(fèi)，因此節(jié)距要取一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

節(jié)距計(jì)算式為

P=a×δ×h

式中：P為節(jié)距；a為常數(shù)，通常取2.5～3；δ為鋁護(hù)套厚度；h為鋁護(hù)套深度。

通過上述分析，對(duì)電纜進(jìn)行工藝改進(jìn)，鋁護(hù)套深度h設(shè)計(jì)為(6.5±0.2) mm，節(jié)距設(shè)計(jì)為30.5 mm，公差不變。同時(shí)，改進(jìn)牽引，保證牽引力足夠大，牽引勻速平穩(wěn)。并用更大內(nèi)徑的電纜盤進(jìn)行收線，保證電纜的圓整度。

電纜工藝改進(jìn)后，按照上述的試驗(yàn)過程再次進(jìn)行阻水試驗(yàn)，試樣兩端均無漏水現(xiàn)象，阻水試驗(yàn)成功，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語

對(duì)高壓電纜阻水結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出縱向阻水材料中膨脹阻水帶阻水效果較好，在徑向阻水結(jié)構(gòu)中皺紋鋁護(hù)套阻水效果較好，并給出參考工藝參數(shù)，通過阻水試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

電纜生產(chǎn)時(shí)要嚴(yán)格控制鋁護(hù)套深度、節(jié)距等關(guān)鍵工藝參數(shù)，保證電纜阻水性能要求。