高压电力电缆阻水结构研究与分析

2010-03-26王福志

电线电缆 2010年3期

杨娟，张峰，王福志

(浙江万马集团有限公司，浙江临安311305)

0 引言

随着我国电力工业的飞速发展，110 kV级交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆已经越来越多地用于全国各大主要城市，尤其是东部地区的许多城市近几年高压电力电缆的用量逐年上升，平均增幅在20%以上，而随着西部大开发推进，高压电力电缆也开始大量地出现在西部地区的城市输电与重点工程建设中。本文通过试验的方法验证了具有纵向阻水结构电缆的局部放电性能，并做了理论分析，提出改善性能的工艺控制办法及建议。

1 国内110 kV及以上XLPE绝缘电力电缆的主要结构形式

目前国内生产的110 kV及以上高压XLPE绝缘电力电缆，若以金属护套的加工工艺不同来区分，电缆主要结构有以下两种:

第一种是使用压铝机挤包皱纹铝护套，并在金属套和绝缘线芯之间包覆缓冲带和金属编织布带，其结构如图1所示。其缓冲带主要由半导电橡胶自粘带，或者0.2mm厚度的半导电缓冲带构成;金属编织布带主要使用细的祼铜丝(或镀锡)与半导电尼龙纤维(也有许多采用不导电的纤维带)混合编织而成。金属套与包带之间间隙较大，金属护套的直径完全受模具的限制，间隙不可调，不具备阻水的性能。

图1 110 kV XLPE绝缘电力电缆结构

第二种是采用氩弧焊焊接方式制作皱纹铝护套，在金属套与绝缘线芯之间绕包2mm厚度的半导电吸水膨胀带。这种吸水膨胀阻水带是在半导电的聚脂无纺纤维中加入聚丙烯酸脂膨胀粉制成，膨胀粉遇水后能在一定时间内迅速膨胀到一定高度，起到阻隔水的作用。由于要求高阻水，这种阻水粉绝大多数来自于国外，它同时具有缓冲衬垫功能，生产时间隙可调。这种结构的电缆在市场上已经有了非常大的份额，许多公司已经采用这种结构生产了大截面的电缆。本文将就这种具有阻水性能的结构的电缆作试验分析。

随着近几年高压电力电缆的生产和使用日臻成熟，许多电缆制造者在进行电缆出厂试验时发现了一种比较特殊局部放电图像，见图2。其中试样型号为 ZR-YJLW02 1×400mm264/110 kV，长度为1 104 m，试验电压为96.3 kV，局部放电量为12.0 pC。在所有局放偏大的产品中，此类放电的比例占到50%以上。因此，研究此类放电的原因，寻找解决办法就成了非常必要的工作。以下研究工作主要是对不同结构方式的电缆进行局部放电试验，以便寻找产生的原因。

图2 110 kV XLPE电力电缆的局部放电试验

2 试验设计

从图2中放电图形分析，该图形具有以下几点非常明显的特征:

(1)该图像分布于四个像限，电压过零点放电量最大，峰值附近最小(无放电)，图像基本对称，呈现出一种接触不良的容性放电特征，不同于通常的电缆绝缘本体制造缺陷造成的局部放电;

(2)此类放电在给电缆施加很低的试验电压时就出现，没有明显的起始放电电压，放电量随试验电压的升高而增大;

(3)出现此类放电的电缆无法进行故障定位，因此并非由电缆局部缺陷引起的局部放电;

(4)将这种放电的电缆金属护套剥掉，然后绕包铜带后重做试验，电缆几乎没有任何放电信号，证明电缆绝缘线芯品质非常好，不是放电的原因。

基于上述分析，研究的重点将放在电缆不同的缓冲吸水膨胀带与皱纹铝护套结构上，进行试验和分析。

试验方法:首先按照结构的等效电路建立等效试验模型，然后进行局部放电试验。试验样品型号为YJV 127/220 kV 1×400mm2，长度为 100 m，未使用阻水结构，铜带为单层重叠绕包，结构如图3所示，局部放电测试结果见图4。从图4可知，试验电压为191 kV时仍无放电现象。

将试样的铜带接地断开，串接上一个含有铝板和半导电阻水带的如图5所示的装置(两铝板间实测电阻值为900 Ω)，试验接线见图6。当两铝板对阻水带没有压力，处于自由蓬松状态时，局部放电测试结果见图7。由图7可以看出，在原性能良好的电缆上串联这一纵向阻水结构的模拟装置后，在较低的电压下(50.4 kV)即出现放电量为3.5 pC的典型放电图像。由此可知，阻水带结构会引起典型的放电现象。然后在铝板上施加20 N重物，使其导电性能提高并重做试验，发现放电量立即下降;继续增加压力，放电量将继续下降，直至趋近于同等电压下铜带直接绕包时的放电量。

图3 试验模型的结构

图4 局部放电图像

图5 试验用模拟装置

图6 接线示意图

图7 局部放电图像

3 放电过程的原理分析

首先应了解半导电缓冲、阻水带的结构特性。如图8所示，通常它是由一层半导电无纺布与一层约1.5mm厚度的半导电蓬松棉，中间粘涂一层聚丙烯酸酯膨胀粉而组成。虽然蓬松棉具有半导电性质，但是疏松多孔的结构使其导电性能下降;而阻水要求的聚丙烯酸酯膨胀粉自身不具备导电性。因此导致电缆绝缘线芯与金属护套(屏蔽)接触能力下降，半导电绝缘屏蔽处于悬浮电位状态，随着电缆承受的电压上升，此悬浮电位也越高，进而出现接触不良类放电，而且放电量随电压升高而升高。这种影响在金属套与阻水带间隙过大的情况下更明显。

图8 缓冲、阻水带结构示意图

为了更清楚地了解这种放电的过程，我们建立了简单的如图9所示电路模型，然后进行原理分析。因为电缆主要呈现容性，因此在图中以Cx表征，从绝缘线芯至金属护套之间的部分以小的放电间隙g和等效电阻R的并联电路来代替。当如图9所示，电路中施加的电压U以及电流Ix和U1变化时，若在间隙g不发生击穿的情况下，R两端的电压U1将按照图10中曲线变化;当电压U升高，Ix也随着变大，则电阻两端的电压U1=Ix×R随之变大，当达到间隙的击穿电压Ug时，g即发生击穿。因为击穿电弧通道的电阻较小，所以U1迅速跌落，并降至为电弧的熄灭电压Ud，电弧即熄灭，以及电压迅速回升。由于此过程反复发生，因此形成反复放电。由图5中放电的分布来看，这与实际试验中放电特征完全重合。

图9 电缆等效电路模型图

4 工艺控制和改进

为了减小或避免这种影响，找到在实际生产中可用的控制措施，我们取型号为 YJLW03 1×800mm2绝缘线芯制作试样，分别采取以下三点措施:(1)利用轧纹深度来控制铝护套间隙;(2)对电缆加热;(3)改变阻水带的绕包结构，随后分别进行试验验证，试验结果见表1。从试验结果可以看出:小间隙的试品(1#试样)比大间隙试品(2#试样)的放电量明显要小，但并没有完全消除此类放电;通过3#和2#试样的比较可知，加热处理对消除此类放电有明显效果，但是冷却后放电会有一定程度的恢复。