一種新型金屬屏蔽形式的平滑鋁套高壓電纜研制

夏云海， 侯虹劍， 張建民， 付長琦， 謝書鴻， 黃秋香

（1.中天科技海纜股份有限公司，南通 226010； 2.中天科技股份有限公司，南通 226463）

0 引 言

通過分析近十幾年皺紋鋁套結(jié)構(gòu)的高壓電纜本體故障案例發(fā)現(xiàn)，大量故障出現(xiàn)絕緣屏蔽表面燒傷或放電痕跡，甚至引發(fā)擊穿現(xiàn)象，這引起了各電力公司的高度重視。 故障電纜除緩沖層問題外，與皺紋鋁套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有關(guān)系。 在國外，特別是歐美發(fā)達(dá)國家，認(rèn)為皺紋鋁套內(nèi)部過大的空氣熱阻會(huì)降低電纜的載流量，且皺紋鋁套存在的感應(yīng)電壓會(huì)對(duì)絕緣線芯產(chǎn)生放電燒蝕［1］，故平滑鋁套電纜是解決絕緣屏蔽表面燒傷問題的方法之一。 本工作介紹了220 kV 1×2 500 mm2平滑鋁套高壓電纜的研制。

1 平滑鋁套高壓電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 皺紋鋁套結(jié)構(gòu)缺陷

國家標(biāo)準(zhǔn) GB／T 18890—2015 中規(guī)定“緩沖層是半導(dǎo)電的，以使絕緣半導(dǎo)電屏蔽層與金屬屏蔽層保持電氣上的良好接觸”，沒有明確接觸的狀態(tài)，各個(gè)公司在制定電纜工藝時(shí)，鋁套波谷與緩沖層設(shè)計(jì)基本是點(diǎn)接觸、線接觸為主，而AEIC CS9?15 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)緩沖層與金屬層接觸要求為金屬屏蔽層／金屬護(hù)套應(yīng)與其下面的半導(dǎo)電層連續(xù)地或頻繁地（對(duì)于皺紋護(hù)套）電氣接觸，為絕緣充電和泄漏電流、中性線電流、相不平衡電流、故障電流和浪涌電流提供一個(gè)同一中心的導(dǎo)電路徑。 只有保證鋁套四周都與緩沖層面接觸，才能保證徑向電流是在各個(gè)方面都有路徑，除鉛套電纜外，平滑鋁套結(jié)構(gòu)比皺紋鋁套結(jié)構(gòu)更能滿足并保證給6 種電流提供1 個(gè)同一中心的導(dǎo)電路徑。 同心徑向電流分布見圖1。

圖1 同心徑向電流分布

利用有限元軟件（Ansys）對(duì)皺紋鋁套電纜緩沖層不同結(jié)構(gòu)狀況下的電場進(jìn)行仿真計(jì)算，有效控制緩沖層與金屬護(hù)層的間隙（空氣隙），將有利于改善緩沖層與金屬護(hù)層內(nèi)的電場分布，避免空氣隙承受較高的電場強(qiáng)度而與金屬護(hù)層產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象［2］。

在生產(chǎn)時(shí)鋁套間隙控制不當(dāng)或?qū)嶋H產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合理時(shí)，容易在成品試驗(yàn)中出現(xiàn)間隙放電的問題，而平滑鋁套電纜的金屬套與緩沖層接觸為面接觸，可以改善波紋鋁套結(jié)構(gòu)上的缺陷，提高電網(wǎng)系統(tǒng)供電安全性。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征

本工作研制的產(chǎn)品型號(hào)為 YJLP03?Z 127／220 kV 1×2 500 mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣平滑鋁套高壓電纜，電纜結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 平滑鋁套高壓電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 半導(dǎo)電墊層選型及設(shè)計(jì)

挑選4 個(gè)廠家生產(chǎn)的半導(dǎo)電緩沖阻水帶樣品，分別為 1＃、2＃、3＃、4＃帶材樣品，通過摸底性能對(duì)比試驗(yàn)，挑選出最佳的緩沖阻水帶。

1.3.1 老化后電性能對(duì)比

試驗(yàn)方法：每個(gè)廠家?guī)Р闹迫? 個(gè)樣品，測量的老化后體積電阻率取平均值，將4 個(gè)廠家的12 個(gè)樣品測試體積電阻率后放入空氣老化烘箱，溫度130℃±3 ℃，保持時(shí)間192 h，取出冷卻后測量體積電阻率，根據(jù) JB／T 10259—2014［3］中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 緩沖阻水帶老化后電性能對(duì)比

結(jié)論：經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比，2＃廠家的半導(dǎo)電緩沖阻水帶溫度在130 ℃下保持192 h 后，體積電阻率變化最小，因此緩沖墊層選用1＃、2＃半導(dǎo)電緩沖阻水帶。

1.3.2 熱沖擊試驗(yàn)

根據(jù) T／CAS 374—2019［4］中規(guī)定，將上述1＃、2＃廠家的試樣進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)。

產(chǎn)品經(jīng)280 ℃、3 min 熱沖擊后，不應(yīng)出現(xiàn)明顯的收縮、分層、卷邊等現(xiàn)象。

經(jīng)過熱沖擊試驗(yàn)，1＃緩沖帶表面明顯出現(xiàn)卷邊現(xiàn)象，2＃緩沖阻帶基本正常，耐熱沖擊性能較好。

1.4 半導(dǎo)電墊層設(shè)計(jì)

方案1：本設(shè)計(jì)選用半導(dǎo)電阻水帶+半導(dǎo)電緩沖阻水帶作為金屬套下的緩沖墊層，雙面半導(dǎo)電阻水帶作為內(nèi)層墊層，可以避免電纜反復(fù)熱循環(huán)后纜芯與阻水墊層產(chǎn)生間隙。

分別在2，4，6 kg 不同壓力下，測量半導(dǎo)電緩沖阻水帶和雙面半導(dǎo)電阻水帶的體積電阻率。 經(jīng)過受壓后緩沖阻水帶的體積電阻率隨壓力增大而減小，見圖4，雙面半導(dǎo)電阻水帶擠壓后體積電阻率變化甚微，見圖5。 因此，將雙面半導(dǎo)電阻水帶放于內(nèi)層，外層為緩沖阻水帶，阻水帶繞包方式采用重疊繞包到達(dá)一定的墊層厚度，既能滿足吸收絕緣的熱膨脹量，又能保證與鋁套圓周方向保持面接觸。

圖4 緩沖阻水帶體積電阻率與壓力變化曲線

圖5 阻水帶體積電阻率與壓力變化曲線

方案2：對(duì)于平滑鋁套結(jié)構(gòu)電纜是否采用半導(dǎo)電銅絲編織布帶，利用COMSOL 仿真分析軟件分別對(duì)墊層結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)電阻水帶+半導(dǎo)電緩沖阻水帶和半導(dǎo)電阻水帶+半導(dǎo)電銅絲編織布的220 kV平滑鋁套模型電纜進(jìn)行電場分析，仿真分析見圖6。

圖6 220 kV 平滑鋁套模型電纜電場仿真分析

由圖6 可知，半導(dǎo)電阻水帶墊層、銅絲編織布?jí)|層與平鋁套界面的最大電場度基本一致，考慮到阻水的半導(dǎo)電銅絲編織帶的阻水粉涂覆在表面，表面的阻水粉吸潮后會(huì)與鋁套發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，因此采用非阻水的半導(dǎo)電銅絲編織帶。

1.5 鋁帶材料的選用及厚度確定

1.5.1 鋁帶技術(shù)要求

鋁套采用純度不小于99.5% 的鋁或鋁合金制造，焊接用的鋁帶應(yīng)符合 GB／T 3880.1—2012 要求，其伸長率不應(yīng)小于16%，試驗(yàn)選用牌號(hào)為1060鋁帶。

1.5.2 鋁帶厚度確定

按照IEC 949“考慮非絕熱效應(yīng)的允許短路電流計(jì)算”絕熱短路電流，在任何起始溫度下，絕熱的溫升計(jì)算通式如下：

式（1）中：K為載流材料的常數(shù)，148 As1／2·mm-2；t為短路持續(xù)時(shí)間，2 s；θf為最終溫度，200 ℃；θi為起始溫度，70 ℃；β為 0 ℃時(shí)載流體電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，228 K；

可以算得：

IAD＝50 kA／2s 代入式（1），得S＝ 803 mm2，鋁帶厚度計(jì)算值為2.3 mm，考慮到生產(chǎn)過程中平滑鋁套彎曲拉伸變形等綜合因素影響，平滑鋁套標(biāo)稱厚度設(shè)計(jì)為2.8 mm，短路電流滿足70 kA／2s。

1.6 防腐層選用

防腐層采用黏結(jié)劑，黏結(jié)劑要求具有良好的熱密封性能和熱黏結(jié)性能，有較好的附著力和韌性，使平滑鋁套和外護(hù)套黏結(jié)為一體，增強(qiáng)鋁套彎曲時(shí)的抗變形能力。

2 平滑鋁套高壓電纜試制

該產(chǎn)品最大的難點(diǎn)在于平滑鋁套直接收盤后鋁套彎曲時(shí)鋁套表面會(huì)起皺，隨著筒體直徑逐漸增加，平滑鋁套起皺問題有所改善，但影響到生產(chǎn)過程中裝盤容量和成品電纜的運(yùn)輸，圖7 為平滑鋁套上盤彎曲時(shí)下表面起皺現(xiàn)象。

圖7 平滑鋁套下表面鋁套褶皺

對(duì)于平滑鋁套直接收盤起皺的問題，結(jié)合平滑鋁套產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，采用氬弧焊生產(chǎn)線與外護(hù)套生產(chǎn)線串聯(lián)的方式進(jìn)行生產(chǎn)，擠包外護(hù)套后直接收盤。

3 平滑鋁套電纜彎曲性能仿真計(jì)算與驗(yàn)證

3.1 筒體直徑仿真計(jì)算

如果平滑鋁套成品電纜收線盤具筒體直徑選擇不當(dāng)，成品電纜彎曲變形時(shí)平滑鋁套也會(huì)起皺，采用CableCAD 軟件仿真分析成品電纜彎曲半徑，并建立平滑鋁套高壓電纜的分析模型，將彎曲時(shí)的載荷施加至建立的模型上，計(jì)算得出彎曲時(shí)應(yīng)力分布和安全系數(shù)分布見圖8～圖15。

圖8 筒體直徑20 倍電纜外徑下電纜應(yīng)力分布

圖9 筒體直徑20 倍電纜外徑下安全系數(shù)分布

圖10 筒體直徑22 倍電纜外徑下電纜應(yīng)力分布

圖11 筒體直徑22 倍電纜外徑下安全系數(shù)分布

圖12 筒體直徑25 倍電纜外徑下電纜應(yīng)力分布

圖13 筒體直徑25 倍電纜外徑下安全系數(shù)分布

圖14 筒體直徑30 倍電纜外徑下電纜應(yīng)力分布

圖15 筒體直徑30 倍電纜外徑下安全系數(shù)分布

通過仿真計(jì)算分析，由圖8 ～圖15 應(yīng)力和安全系數(shù)圖譜可知，電纜的最大應(yīng)力發(fā)生在平滑鋁套上，筒體直徑22 倍電纜外徑下，平滑鋁套的最大應(yīng)力為159.5 MPa ，小于材料的屈服極限165 MPa，鋁套不會(huì)產(chǎn)生屈服，安全系數(shù)為1，筒體直徑22 倍電纜外徑及以上時(shí)應(yīng)力變化不大，電纜鋁套不會(huì)發(fā)生不可逆的變形。

3.2 實(shí)際驗(yàn)證

采用筒體直徑為22 倍的電纜外徑的盤具進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，電纜上盤后未見護(hù)套起皺變形，最終經(jīng)過多次驗(yàn)證采用筒體19 倍電纜外徑的盤具，護(hù)套表面平整，未見不可逆的變形。 采用筒體直徑為22 倍電纜外徑的盤具，利用兩個(gè)收放線架，將成品電纜在兩個(gè)盤具上進(jìn)行S 形正反復(fù)繞6 次，護(hù)套表面平整，未見不可逆的變形，如圖16、圖17 所示。

圖16 19 倍筒體直徑彎曲后表面平整

圖17 22 倍筒體直徑電纜彎曲試驗(yàn)

經(jīng)過仿真計(jì)算和實(shí)際驗(yàn)證，22 倍筒體直徑相當(dāng)于11 倍電纜彎曲半徑，因此，電纜運(yùn)行時(shí)平滑鋁套的彎曲半徑為15 倍電纜外徑，安裝敷設(shè)時(shí)彎曲半徑為20 倍的電纜外徑，可滿足電纜使用要求。

4 產(chǎn)品檢測

4.1 例行試驗(yàn)

成品局部放電耐壓試驗(yàn)滿足GB ／T 18890.1—2015 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。 局部放電試驗(yàn)：試驗(yàn)電壓應(yīng)逐漸升至1.75U0并保持10 s，然后慢慢降至1.5U0，在1.5U0下被測試品應(yīng)無可檢測出的放電。

耐壓試驗(yàn)：在導(dǎo)體與平滑鋁套之間施加交流電壓318 kV，30 min 絕緣不發(fā)生擊穿。

4.2 型式試驗(yàn)

在研制220 kV 平滑鋁套高壓電纜產(chǎn)品的同時(shí)，本公司還研制了配套的220 kV 電纜附件，包括瓷套戶外終端、復(fù)合戶外終端、絕緣接頭、直通接頭、GIS 長終端、GIS 短終端。 將平滑鋁套電纜和附件電纜系統(tǒng)組成試驗(yàn)回路，型式試驗(yàn)回路布置見圖18，測試結(jié)果見表1。 由表1 可知：其性能指標(biāo)全部符合IEC 62067：2011 標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖18 型式試驗(yàn)回路布置

表1 型式試驗(yàn)測試結(jié)果

4.3 透水試驗(yàn)

為驗(yàn)證金屬套下縱向阻水層設(shè)計(jì)的實(shí)際阻水效果，試驗(yàn)選取成品電纜樣品根據(jù) GB／T 18890.1—2015 中推薦的試驗(yàn)方法進(jìn)行縱向透水測試，透水試驗(yàn)原理見圖19，施加10 次熱循環(huán)試驗(yàn)，透水試驗(yàn)后，對(duì)樣品平滑鋁套進(jìn)行解剖，解剖情況見圖20。

圖19 平鋁套電纜透水試驗(yàn)原理圖

圖20 透水試驗(yàn)后平滑鋁套電纜解剖情況

由圖20 可知：金屬屏蔽下阻水層最大透水長度為350 mm，平滑鋁套電纜阻水效果良好。

4.4 平滑鋁套與皺紋鋁套載流量對(duì)比驗(yàn)證

4.4.1 試驗(yàn)過程

將 YJLW03?Z 127／220 kV 1×2 500、YJLP03?Z 127／220 kV 1×2 500 兩個(gè)不同金屬套結(jié)構(gòu)的電纜樣品串聯(lián)成一條回路，兩種結(jié)構(gòu)電纜長度均為12 m，布置兩個(gè) U 型彎，直徑均為4.5 m，按 TICW 15—2012《單根電纜空氣中敷設(shè)載流量測試方法》進(jìn)行載流量試驗(yàn)，220 kV 電纜載流量試驗(yàn)見圖21，利用穿心變壓器對(duì)回路進(jìn)行加熱，分別在U 型彎處布置3 個(gè)測量導(dǎo)體溫度的熱電偶（T1、T2、T3、T4、T5、T6）和兩個(gè)測量護(hù)套溫度的熱電偶（T7、T8），熱電偶對(duì)應(yīng)的測試位置見表2，兩根樣品電纜中的熱電偶均布置在上表面，通過溫度數(shù)據(jù)采集裝置監(jiān)控負(fù)荷電流下電纜的溫度，試驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度為28 ℃。

圖21 220 kV 電纜載流量試驗(yàn)回路圖

表2 熱電偶對(duì)應(yīng)的測試位置

施加電流，使其中一個(gè)規(guī)格電纜導(dǎo)體溫度到達(dá)90 ℃，并要保證 30 min 內(nèi)變化不超過±1 ℃，在穩(wěn)定的最后5 min 內(nèi)電流應(yīng)保持恒定，記錄該電流，繼續(xù)增加電流，使另一個(gè)規(guī)格電纜導(dǎo)體溫度到達(dá)90 ℃，并要保證 30 min 內(nèi)變化不超過±1 ℃，在穩(wěn)定的最后5 min 內(nèi)電流應(yīng)保持恒定，記錄該電流。

4.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

一個(gè)熱循環(huán)試驗(yàn)過程中平滑鋁套和皺紋鋁套電纜導(dǎo)體溫度達(dá)到90 ℃時(shí)各熱電偶的平均溫度和對(duì)應(yīng)的平均電流見表3。

表3 載流量相關(guān)參數(shù)

由表3 可知：當(dāng)輸出交流電流為2 691 A 時(shí)，試驗(yàn)回路中皺紋鋁套電纜的導(dǎo)體測溫點(diǎn)顯示平均溫度為90 ℃，認(rèn)定2 690 A 為皺紋鋁套結(jié)構(gòu)電纜在該條件下的載流量；同樣認(rèn)定該條件下平滑鋁套結(jié)構(gòu)電纜的載流量為2 840 A，因此，平滑鋁套比皺紋鋁套的載流量大約提高了5.5%。

5 結(jié)束語

由于平滑鋁套電纜結(jié)構(gòu)緊湊，金屬套下的縱向的阻水效果良好，阻水層的載流量比皺紋鋁套電纜約提升5.5%，外徑比同規(guī)格皺紋鋁套小10%，彎曲性能滿足20 倍的電纜外徑，因此降低電纜的安裝空間，可使電力部門的設(shè)計(jì)成本降低。 新型金屬屏蔽結(jié)構(gòu)的平滑鋁套高壓電纜符合新一代電網(wǎng)“本質(zhì)安全”的要求，在高壓電纜線路中采用平滑鋁套高壓電纜可以極大地提高系統(tǒng)的安全可靠性，因此，平滑鋁套高壓電纜有著廣闊的發(fā)展前景，希望有關(guān)部門能早日起草相應(yīng)的平滑鋁套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)該產(chǎn)品的健康發(fā)展。