高壓XLPE電纜戶外終端密封性能研究

趙海軍，周長城，徐 健

(沈陽古河電纜有限公司，遼寧 沈陽 110115)

自20世紀60年代以來，交聯(lián)聚乙烯(cross-linked polyethylene，XLPE)電纜經(jīng)過發(fā)展而廣泛應用于高壓、超高壓電纜系統(tǒng)[1]。我國運行的220 kV及以下交流電纜線路中，XLPE電纜占比高達95%以上，500 kV電纜線路全部采用XLPE電纜[2]。高壓電纜系統(tǒng)由電纜本身和電纜附件組成，電纜附件包括戶外終端、GIS終端和接頭。

戶外終端安裝在電纜末端，以保證電纜系統(tǒng)與其他部分的電氣連接，與電纜本身相比戶外終端是薄弱環(huán)節(jié)[3-5]。目前戶外終端一般在套管內(nèi)填充液體絕緣油，由于密封不足，液體絕緣油易發(fā)生滲漏而改變終端內(nèi)電場分布，造成電纜內(nèi)絕緣爬距變化，最終導致?lián)舸6]。近幾年，戶外終端密封不良的缺陷越來越多,文獻[7]分析了浸泡在絕緣油中的絕緣帶溶脹，導致密封失效發(fā)生油滲漏問題。

隨著高分子材料技術(shù)發(fā)展，以玻璃纖維浸漬環(huán)氧樹脂制成的空心復合套管，具有防爆性能、良好的耐污型和抗老化性、質(zhì)量輕等優(yōu)點而取替瓷套成為電纜戶外終端的外絕緣部件[8-9]，復合套管界面的密封性能直接影響電纜運行。

針對戶外終端密封不良導致漏油或終端擊穿的問題，本文對高壓電纜戶外終端的3個密封部位：密封法蘭、絕緣帶和復合套管進行研究。

1 密封部位設計

電纜戶外終端結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中有3個密封部位：①上下法蘭與復合套管；②絕緣帶和絕緣油接觸部位；③復合套管界面。各部位合理設計才能保證戶外終端密封。

圖1 戶外終端結(jié)構(gòu)

1.1 法蘭密封設計

上下法蘭與復合套管之間密封不良，水和潮氣會進入終端內(nèi)，使絕緣油的絕緣性能下降，同時造成絕緣油滲漏，導致內(nèi)絕緣爬距不足。通過在法蘭上加工密封溝槽及安裝O形密封圈方式保證密封。

上下法蘭采用軸向密封結(jié)構(gòu)，導體引出棒與上法蘭之間采用徑向密封結(jié)構(gòu)。線路運行時溫度上升，絕緣油體積膨脹，復合套管內(nèi)部壓力增大，因此戶外終端主要承受內(nèi)壓力。根據(jù)GB/T 3452.3—2005《液壓氣動用O形橡膠密封圈 溝槽尺寸》對密封溝槽進行設計，密封圈選擇耐油性的丁腈橡膠，其尺寸根據(jù)密封溝槽的尺寸進行設計。為了防止密封圈接觸空氣老化，上下法蘭密封圈外部涂抹硅密封膠，如圖2所示。

圖2 涂抹硅密封膠

1.2 絕緣帶選擇

戶外終端內(nèi)用于密封部位的絕緣帶密封不良，會造成絕緣油滲漏，導致內(nèi)絕緣爬距不足。對于浸泡在絕緣油中起密封作用的絕緣帶多選擇自黏性丁基橡膠或自黏性乙丙橡膠材料。選擇時除了考查電氣性能、機械性能和自黏性，還應考查其與絕緣油的相容性，不會發(fā)生溶脹而導致絕緣帶密封失效。

1.3 復合套管界面密封設計

根據(jù)GB/T 21429—2008規(guī)定，復合套管包括端部金具與FRP管、傘裙外套與端部金具和FRP管2個密封界面[10]。端部金具與FRP管界面密封不良，水或潮氣會通過界面進入終端內(nèi)，加速絕緣油老化[11]；傘裙外套與端部金具和FRP管界面密封不良，水或潮氣會進入界面，嚴重時使上下法蘭導通。通過生產(chǎn)工藝和理論計算保證復合套管界面密封。

a.端部金具與FRP管界面設計

端部金具與FRP管采用過盈配合裝配方式：將端部金具加熱使其膨脹，同時在FRP管裝配部位均勻涂覆環(huán)氧膠；將加熱的端部金具壓入FRP管內(nèi)；裝配后放入烘箱使環(huán)氧膠固化。

內(nèi)壓力試驗過程中，復合套管承受的軸向力為

F1=σ1×A1

(1)

式中：A1為空心絕緣子內(nèi)孔面積；σ1為

(2)

式中：R1為空心絕緣子內(nèi)半徑；P為規(guī)定內(nèi)壓力；t為FRP管厚度。

裝配后環(huán)氧膠黏接力為

F2=σ2×A2

(3)

式中：σ2為環(huán)氧膠的黏接強度；A2為端部金具與FRP管接觸面積為

A2=2π×R2×h

(4)

式中：R2為FRP管的外半徑；h為端部金具與FRP管的接觸高度。

在規(guī)定壓力作用下F1

b.傘裙外套與端部金具和FRP管界面設計

端部金具和FRP管裝配后，首先對其與傘裙外套接觸部位進行打磨，確保接觸部位有均勻的粗糙度；其次在注射前對接觸部位均勻涂覆偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑中的黏接分子會同時與硅橡膠、端部金具和FRP管發(fā)生作用，從而提高傘裙外套的黏接強度。

傘裙外套采用整體注射成型方式[12]，注射成型時端部金具和FRP管、模具加熱至100 ℃，傘裙外套內(nèi)徑等于受熱膨脹后端部金具和FRP管的外徑；由于材料的膨脹系數(shù)不同，冷卻至室溫時傘裙外套內(nèi)徑比端部金具和FRP管的外徑小，傘裙外套提供一定的收縮力。加熱和冷卻過程的尺寸變化按線性膨脹公式計算為

Dt=D0×(1+α×(Tt-T0))

(5)

式中：α為線膨脹系數(shù)，F(xiàn)RP管α=12×10-6/℃；端部金具α=23.9×10-6/℃；硅橡膠α=193×10-6/℃。

對于220 kV復合套管傘裙外套整體注射成型后的內(nèi)徑見表1，冷卻后傘裙外套擴張率為1.3%。當硅橡膠擴張率為250%時，30年后永久變形為25%，因此傘裙外套30年后永久變形為0.13%。根據(jù)永久變形計算30年后傘裙外套擴張率為1.18%，因此傘裙外套的自身收縮性能可以保證界面密封。

表1 傘裙外套尺寸計算

2 密封部位試驗

2.1 法蘭密封試驗

對法蘭密封進行氣密試驗。在法蘭上安裝與產(chǎn)品相同的密封圈，通過工裝密封后，在環(huán)境溫度下施加0.3 MPa氣壓浸泡在水中，保持1 h[13-14]，試驗期間觀察無氣體逸出，壓力表無變化，如圖3所示。

圖3 法蘭密封試驗

2.2 絕緣帶相容性試驗

浸泡在絕緣油中用于密封部位的絕緣帶與絕緣油的相容性試驗可以通過絕緣帶長時間浸泡于絕緣油中或通過終端產(chǎn)品的型式試驗進行驗證。

對于110 kV電纜戶外終端，選擇2種國產(chǎn)乙丙橡膠絕緣帶，將其1/2搭接纏繞在D10鐵桿上，浸泡于聚異丁烯絕緣油中，如圖4所示。在室溫下浸泡半年后觀察發(fā)現(xiàn)A廠家絕緣帶沒有發(fā)生溶脹現(xiàn)象；B廠家絕緣帶破裂與絕緣油發(fā)生溶脹，如圖5所示。

(a)A廠家 (b)B廠家圖4 絕緣帶浸泡在聚異丁烯中

(a)A廠家(b)B廠家圖5 絕緣帶浸泡后

對于220 kV電纜戶外終端，選擇進口丁基橡膠絕緣帶，纏繞于終端內(nèi)部浸泡在硅油中，通過型式試驗驗證絕緣帶與硅油的相容性。試驗后解剖發(fā)現(xiàn)絕緣帶沒有溶脹現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 絕緣帶浸泡硅油后

由以上試驗可知，用于密封部位的絕緣帶可以通過其與絕緣油相溶性試驗進行合理選擇，保證戶外終端密封。

2.3 復合套管界面密封試驗

a.端部金具與FRP管界面內(nèi)壓力試驗

為了驗證端部金具與FRP管界面設計的合理性，對裝配好的產(chǎn)品進行水壓試驗，在環(huán)境溫度下使內(nèi)部壓力從零升高至終端運行壓力的2倍，保壓1 min[17]，如圖7所示。在試驗過程中沒有出現(xiàn)泄壓，端部金具與FRP管界面沒有出現(xiàn)滲水情況。試驗證明，端部金具與FRP管的裝配方式和環(huán)氧膠黏接力能保證界面密封。

圖7 內(nèi)壓力試驗

b.傘裙外套與端部金具和FRP管界面試驗

為了驗證傘裙外套的收縮性能對界面性能的影響，生產(chǎn)1支端部金具和FRP管不涂覆偶聯(lián)劑的220 kV復合套管，浸泡在品紅溶液中，分2個階段觀察是否有品紅溶液滲透進傘裙外套與端部金具和FRP管界面。

第1階段：復合套管外部套入塑料套，整體放入高800 mm鐵桶內(nèi)，塑料套內(nèi)部填充高1800 mm的品紅溶液，鐵桶內(nèi)品紅溶液高750 mm。浸泡30天后取出，剝離傘裙外套觀察到無品紅溶液滲入界面。

第2階段：第1階段試驗后的產(chǎn)品，端部剝離100 mm傘裙外套后浸泡在高750 mm的品紅溶液中。浸泡365天后取出，剝離傘裙外套觀察到無品紅溶液滲入界面。

在不涂覆偶聯(lián)劑且長期在品紅溶液浸泡情況下，傘裙外套與端部金具和FRP管界面無品紅溶液滲透跡象，證明傘裙外套收縮性能能保證界面密封。

3 結(jié)論

a.上下法蘭與復合套管之間通過法蘭上加工密封溝槽、安裝O形密封圈方式進行密封，為防止密封圈接觸空氣老化，密封圈外部涂抹硅密封膠。

b.密封部位的絕緣帶通過絕緣帶與絕緣油相容性試驗不發(fā)生溶脹現(xiàn)象來選擇。

c.復合套管的生產(chǎn)工藝和理論計算能保證界面密封。通過內(nèi)壓力試驗和品紅溶液浸泡試驗驗證法蘭裝配方式和傘裙外套收縮性能可以保證復合套管界面良好的密封性能。