110 kV 交聯(lián)電纜超短試驗(yàn)終端技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用

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）

0 引言

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。

1 研究簡介

1.1 技術(shù)背景

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。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

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。

1.3 技術(shù)成果

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。

2 理論和實(shí)踐依據(jù)

2.1 技術(shù)原理

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)。

2.2 實(shí)踐依據(jù)

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。

2.3 技術(shù)研究的關(guān)鍵點(diǎn)

（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。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。

3.2 仿真計(jì)算

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。

3.3 產(chǎn)品安裝

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。

4 產(chǎn)品試驗(yàn)和結(jié)論

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。

5 結(jié)束語

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。