王華榮, 陳龍嘯
(江蘇安靠智能輸電工程科技股份有限公司,溧陽 213300)
在輸配電領(lǐng)域中,交聯(lián)聚乙烯電力電纜相較于架空線而言,具有占地面積小、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 隨著用電負(fù)荷及大陸與島嶼電力互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求的增加,交流電纜的研究與應(yīng)用迅速發(fā)展。 在交流電纜的設(shè)計(jì)研究和出廠檢測過程中,需要對交流電纜進(jìn)行相關(guān)的電壓試驗(yàn),試驗(yàn)前電纜的兩端頭需要進(jìn)行電場均勻化處理。
本工作主要對110 kV 交聯(lián)電纜試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,將110 kV 交流電纜外屏蔽斷口場強(qiáng)均化原理[1-2]和高壓外絕緣設(shè)計(jì)理論[3]相結(jié)合,設(shè)計(jì)一種110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端,對試驗(yàn)終端整體結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算,并結(jié)合高壓試驗(yàn)進(jìn)行論證。 通過仿真計(jì)算和高壓試驗(yàn)確認(rèn)試驗(yàn)終端的可行性。
目前,國內(nèi)外絕大部分電纜廠家在高壓交流電纜試驗(yàn)時(shí)采用去離子水的水終端。 現(xiàn)有的交流電纜試驗(yàn)水終端,存在以下問題:交流電纜試驗(yàn)用水終端價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要配備額外的去離子水處理裝置;交流電纜試驗(yàn)用水終端試驗(yàn)組裝、拆卸耗時(shí)長,每次試驗(yàn)需要浪費(fèi)較長的電纜。
除現(xiàn)有交流電纜試驗(yàn)問題外,很多交流電纜和氣體絕緣封閉開關(guān)(GIS)終端、變壓器終端在竣工試驗(yàn)時(shí),GIS 開關(guān)或變壓器側(cè)無試驗(yàn)套管,電纜和終端無法加壓試驗(yàn),需要一種高壓試驗(yàn)終端。
110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端與高壓交流電纜采用的傳統(tǒng)水終端相比較,其優(yōu)勢在于:
(1) 110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便;
(2) 110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端不使用絕緣油,絕緣介質(zhì)不可燃,不存在安全隱患;
(3) 110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端不存在污染試驗(yàn)場地的問題。 試驗(yàn)終端絕緣介質(zhì)永久密封在裝置中,試驗(yàn)組裝、拆卸耗時(shí)短,操作過程中不存在污染試驗(yàn)場地的問題;
(4) 110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端所需試驗(yàn)電纜兩端預(yù)處理長度短,節(jié)省試驗(yàn)樣品;
(5) 通過絕緣筒升降裝置并輔助可伸縮絕緣支撐桿,調(diào)整絕緣筒上端的均壓罩對地高度,從而實(shí)現(xiàn)不同電壓等級對地安全距離的調(diào)節(jié)。
同時(shí),110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端運(yùn)用在高壓交流電纜系統(tǒng)竣工試驗(yàn)中,可以有效解決受空間限制或無出線套管的高壓交流電纜系統(tǒng)試驗(yàn)問題,已用于多家電纜廠的高壓交流電纜出廠試驗(yàn)中。
通過本項(xiàng)目的實(shí)施,對于電纜廠家而言,每一盤成品電纜可以節(jié)省2~3 m 試驗(yàn)電纜,同時(shí)試驗(yàn)效率得到提高。
對于電網(wǎng)公司而言,由于110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端可重復(fù)使用,當(dāng)遇到受空間限制或無出線套管的高壓交流電纜系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí),本項(xiàng)目的實(shí)施可節(jié)省試驗(yàn)套管,確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。
通過應(yīng)力錐、環(huán)氧套管和絕緣筒的配合,內(nèi)部填充絕緣介質(zhì),均化電纜高壓交流試驗(yàn)時(shí)半導(dǎo)電外屏斷口處的電場強(qiáng)度,可提高交流電纜試驗(yàn)的電壓裕度,且便于試驗(yàn)重復(fù)組裝。
通過絕緣筒升降裝置并輔助可伸縮絕緣支撐桿,調(diào)整絕緣筒上端的均壓罩對地高度,從而實(shí)現(xiàn)不同電壓等級對地安全距離的調(diào)節(jié)。
110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端可用于高壓交流電纜系統(tǒng)試驗(yàn),通過工頻耐壓和局部放電試驗(yàn),檢測產(chǎn)品的電氣性能。
(1) 電氣性能設(shè)計(jì)。 研究設(shè)計(jì)應(yīng)力錐和環(huán)氧套管的界面可靠配合[4-6]、絕緣筒和中心導(dǎo)體屏蔽的絕緣距離、絕緣筒高壓端對地絕緣距離,及中心導(dǎo)體屏蔽和中心導(dǎo)體的距離、高度設(shè)計(jì)。
(2) 機(jī)械性能設(shè)計(jì)。 本試驗(yàn)終端加壓端安裝絕緣筒,需要根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的重心設(shè)計(jì)可靠的支架或氣罐,保證終端在移動過程中的穩(wěn)定性和安全性。
(3) 密封性能設(shè)計(jì)。 考慮到電纜廠家或供電公司在使用110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端時(shí)不需要現(xiàn)場抽真空和充SF6氣體,本試驗(yàn)終端需要保證長期密封。
(4) 操作便利性設(shè)計(jì)。 本試驗(yàn)終端需要滿足現(xiàn)場空間受限的使用環(huán)境,盡可能小型化,保證安裝和拆卸簡單、快速。
試驗(yàn)終端結(jié)合110 kV 交流電纜外屏蔽斷口場強(qiáng)均化原理和高壓外絕緣設(shè)計(jì)理論,內(nèi)部填充SF6氣體,均化試驗(yàn)電纜高壓交流試驗(yàn)時(shí)半導(dǎo)電外屏斷口處電場,試驗(yàn)終端高壓端和堵頭端結(jié)構(gòu)簡圖分別見圖1、圖2。
圖1 試驗(yàn)終端高壓端結(jié)構(gòu)圖
圖2 試驗(yàn)終端堵頭端結(jié)構(gòu)圖
試驗(yàn)終端高壓端中心導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽設(shè)計(jì)方式為按允許沖擊場強(qiáng)E1值確定中心導(dǎo)體外徑r1的范圍,同軸圓柱形電場中心導(dǎo)體表面場強(qiáng)為
式中:Uth為雷電沖擊耐受電壓,kV;r1為中心導(dǎo)體半徑,mm;r2為外殼半徑,mm。
當(dāng)ln(r2/r1)=1,即r2/r1=e 時(shí),E為最小值,耐受電壓最高。
當(dāng)ln(r2/r1)=1 時(shí),式(1)可簡化為
式中:r1為中心導(dǎo)體半徑,mm;Uth為雷電沖擊耐受電壓,kV;E1為某種SF6氣壓時(shí)導(dǎo)體表面允許的雷電沖擊場強(qiáng),kV·mm-1。
本試驗(yàn)終端設(shè)計(jì)中心導(dǎo)體半徑r1為27.5 mm,雷電沖擊耐受電壓Uth為550 kV,計(jì)算可得,中心導(dǎo)體表面場強(qiáng)為20 (kV·mm-1)。 本試驗(yàn)終端試驗(yàn)時(shí),氣罐內(nèi)充0.45 MPa 的SF6氣體,查《SF6高壓電器設(shè)計(jì)》中不同SF6氣壓時(shí)光潔導(dǎo)體場強(qiáng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值可知,當(dāng)SF6氣體設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa 時(shí),對應(yīng)的E1為24 (kV·mm-1)。 由此可得,本試驗(yàn)終端高壓端中心導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且仍留有一定的安全裕度。
110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端用于高壓交流電纜系統(tǒng)試驗(yàn),將110 kV 交流電纜外屏蔽斷口場強(qiáng)均化原理和高壓外絕緣設(shè)計(jì)理論相結(jié)合,由中心導(dǎo)體連接進(jìn)行加壓試驗(yàn)。 研究設(shè)計(jì)電纜絕緣和應(yīng)力錐表面切向場強(qiáng)Ea、應(yīng)力錐與環(huán)氧套管界面切向場強(qiáng)Eb、環(huán)氧套管外表面切向場強(qiáng)Ec等關(guān)鍵部位場強(qiáng)。相關(guān)電場仿真云圖和界面切向場強(qiáng)數(shù)值分布見圖3~圖6。
圖3 U0 電壓下試驗(yàn)終端電場分布圖
圖4 U0 電壓下電纜絕緣與應(yīng)力錐界面切向電場分圖
圖5 U0 電壓下應(yīng)力錐與環(huán)氧套管界面切向電場分圖
圖6 U0 電壓下環(huán)氧套管外表面切向電場分布圖
由圖3~圖6 可知,試驗(yàn)終端整體電位分布均勻,電場強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
將設(shè)計(jì)并加工完成的零部件(如110 kV 交流電纜外屏蔽斷口場強(qiáng)均化裝置、高壓絕緣套管、連接金具、高壓屏蔽、中心導(dǎo)體、試驗(yàn)氣罐、真空壓力表、試驗(yàn)小車等)進(jìn)行組裝,安裝完成后試驗(yàn)氣罐內(nèi)部充0.45 MPa 的SF6氣體。
試驗(yàn)終端加壓端和試驗(yàn)終端堵頭端通過110 kV交流電纜連接,按GB/T 11017.1—2014《額定電壓110 kV(Um=126 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1 部分:試驗(yàn)方法和要求》[7]進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)終端在不同試驗(yàn)電壓下的放電圖譜見圖7 ~圖9,局部放電情況見表1。
表1 試驗(yàn)終端在不同試驗(yàn)電壓下局部放電情況
圖7 試驗(yàn)終端在1.5 U0 試驗(yàn)電壓(96 kV)下局部放電情況
圖8 試驗(yàn)終端在2.5U0 試驗(yàn)電壓(160 kV)下局部放電情況
圖9 試驗(yàn)終端在200 kV 試驗(yàn)電壓下局部放電情況
由表1 數(shù)據(jù)可知,試驗(yàn)背景局放約1.5 pC,試驗(yàn)電壓先升至112 kV(1.75U0)并保持10 s,然后慢慢降到96 kV(1.5U0),在此電壓下,試驗(yàn)終端無局部放電。 繼續(xù)升壓至160 kV(2.5U0),耐壓30 min,試驗(yàn)通過,在此電壓下,試驗(yàn)終端無明顯局部放電。 繼續(xù)升壓至200 kV,耐壓30 min,試驗(yàn)通過,在此電壓下,試驗(yàn)終端無明顯局部放電。
本工作通過與高壓電纜傳統(tǒng)水終端比較,設(shè)計(jì)一種新型的干式試驗(yàn)終端,將110 kV 交流電纜外屏蔽斷口場強(qiáng)均化原理和高壓外絕緣設(shè)計(jì)理論相結(jié)合,將試驗(yàn)終端安裝在試驗(yàn)氣罐內(nèi)密封,完成整體絕緣性能的實(shí)現(xiàn)。
通過加壓端中心導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽設(shè)計(jì)的理論計(jì)算和電場仿真模擬,試驗(yàn)終端整體電位分布均勻,電場強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
通過高壓試驗(yàn),對試驗(yàn)終端的整體電氣性能進(jìn)行檢測,試驗(yàn)終端加壓端和堵頭端均滿足GB/T 11017.1—2014 額定電壓110 kV(Um=126 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件第1 部分標(biāo)準(zhǔn)要求。
與傳統(tǒng)水終端相比較,本工作中的試驗(yàn)終端安裝方便,節(jié)省了試驗(yàn)電纜,達(dá)到了預(yù)期使用要求;另外,該試驗(yàn)終端結(jié)構(gòu)小巧,性能可靠,將來可運(yùn)用在電網(wǎng)公司高壓交流電纜系統(tǒng)竣工試驗(yàn)中,將有效解決受空間限制或無出線套管的高壓交流電纜系統(tǒng)試驗(yàn)問題。
近年來,高壓交流電纜的使用量逐漸增加,對高壓交流電纜的設(shè)計(jì)研究和出廠檢驗(yàn)也越來越頻繁。如何提高試驗(yàn)效率,節(jié)約試驗(yàn)成本,成為電纜廠家迫切需要解決的問題。 同時(shí),很多交流電纜和GIS 終端、變壓器終端在竣工試驗(yàn)時(shí),GIS 開關(guān)或變壓器側(cè)無試驗(yàn)套管,電纜和終端無法加壓試驗(yàn)。 本工作主要對110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端結(jié)構(gòu)研究,設(shè)計(jì)一種干式試驗(yàn)終端,對試驗(yàn)終端整體結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算,并結(jié)合高壓試驗(yàn)進(jìn)行論證。 通過仿真計(jì)算和高壓試驗(yàn)確認(rèn)試驗(yàn)終端的可行性,提供一種新型的試驗(yàn)方法供大家參考。