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XLPE电缆绝缘层的技术要求
发布时间:2015-09-08   点击次数:295次

XLPE电缆绝缘厚度
 

    摘要:就电缆绝缘厚度设计方法、XLPE电缆绝缘减薄的技术发展作了概述。针对110kV、220kVXLPE电缆绝缘厚度国内外存在的差异,从工程选用到全面对待提出了建议。

关键词:高压XLPE电缆 绝缘厚度 绝缘弱点

前言

  高压XLPE电缆绝缘层的必要厚度,将是保障电缆绝缘经受各种可能过电压作用下能可靠运行的基础。然而,过于保守的绝缘厚度,使电缆成本增加、电缆外径增大、电缆载流能力降低以及在限重条件下导致每盘电缆长度减少从而引起工程中电缆接头增多。 

  在XLPE电缆统一标准中含有绝缘厚度的规定,从有助于技术性能完善、确保产品质量和符合使用要求等方面来看显然是有积极意义的,但在我国加入WTO后,高压电缆的国内外产品准入市场主要以IEC标准作为准则。在国外高压XLPE电缆绝缘普遍较薄,而国内制造厂有能力设法改进工艺、提高质量来改善原有影响绝缘厚度因素的情况下,如果国内仍一成不变地执行原厚度标准,势必使很多企业失去参与国际公平竞争的机会。为此,特撰本文提出建议,希望有助妥善解决矛盾。 

1 电缆绝缘厚度的设计方法 

  电缆绝缘层厚度△i是基于在其预期使用寿命内能安全承受各种可能电压条件来确定的,一般按工频电压、冲击电压二者均满足要求来计算。我国以及日本、英国、德国和韩国等对高压单芯电缆绝缘厚度的确定[1~3]均采用下式(1)、(2)计算结果中择取较大值的方法。 

  (1)
  △i=BIL×k1×k2×k3/ELimp (2)
  式中,ELac为符合韦伯分布的工频击穿电压(平均击穿强度)的zui低值, kV/mm;ELimp为符合韦伯分布的冲击击穿电压(平均击穿强度)的zui低值,kV/mm;K1、k1分别为工频、冲击电压相应的老化系数;K2、k2分别为工频、冲击电压相应的温度系数;K3、k3分别为工频、冲击电压相应的裕度系数;Um为系统额定电压,kV;BIL为系统雷电冲击耐压水平,kV。
  部分国家对110kV以上XLPE电缆的△i计算值、实选值及其相关参数择取值见表1。
  显然,必须正确的拟定关键性参数和其他相关参数K1~K3、k1~k3,以使△i的择取能满足长期可靠安全运行的要求。

表1 高压XLPE电缆△i计算值、实选值及其相关参数择取值

Um/kV  

BIL//kV

国 别

△i实选值/mm

△i计算值/mm

ELac
/kV?mm-1

Limp
/kV?mm-1

K1

K2

K3

k1

k2

k3

工频

冲击

500

1 425

日本[2]

27

24.3

24.5

40

80

2.3

1.2

1.1

1.0

1.25

1.1

500

1 550

德国[13]

30

29.4

29.3

30

80

2.12

1.25

1.15

1.1

1.25

1.1

275

1 050

日本[1]

27

26.9

26.7

30

60

4.0

1.1

1.1

1.1

1.25

1.1

154

750

日本[1]

23

22.8

22.8

20

50

4.0

1.1

1.1

1.1

1.25

1.1

220

1 050

中国*

27

24.6

26.5

25

60

4.0

1.1

1.1

1.1

1.25

1.1

220

1 050

中国**

26

17.4

20.6

30

70

2.69

1.2

1.1

1.0

1.25

1.1


 

  为了有助于认识这些参数的意义,不妨通过了解日本研制500kV XLPE电缆时确定△i的做法,以资借鉴启迪。
1.1 ELac、ELimp的确定方式[1,2]
  电缆的绝缘击穿分散性通常以韦伯(Weibull)分布表征,XLPE电缆在电场强度为E时绝缘被击穿的概率为

      (3)

  
式中,EL为位置参数;E0为尺寸参数;M为形状参数。
  按电缆绝缘的体积V来表征XLPE电缆在电场强度为E时绝缘被击穿的概率,则式(3)可变换成
  P(E)=1-exp[-k?V(E-EL)m]  (4)  
式中,k为相关常数。
  从数值统计意义上看,在XLPE电缆的电场强度为zui低击穿场强EL值及以下时,绝缘被击穿的概率为零。
1.1.1 电场强度表征值的择取[2~3]。
  电场强度在内半导电层处有zui高场强Emax与平均场强Emean之分。  
   Emax=U/[rln(R/r)]
   Emean=U/△i
式中,R、r为绝缘层、内半导电层的半径;U为电压。
  有的国家(法国、荷兰等)用对XLPE电缆如充油电缆同样的方式取Emax表征。在法国,对400kV XLPE电缆,绝缘厚度按工频Emaxac=16kV/mm来确定;若截面为1200mm2以下时按冲击Emaximp=85kV/mm来确定;大截面则按工频zui小Emaxac=7kV/mm来制约绝缘厚度。
  另外,由于XLPE电缆绝缘弱点(如杂质等)具有随机分布性,因此,电缆绝缘击穿实际不一定始于Emax,因而认为以Emean表征更为合理。日本、德国、英国、韩国等就采取此方式。
  此外,试验显示,Emax随d/D(d、D为电缆绝缘的内、外径)比值变化而变化,随电缆截面增大而趋于减小,但Emean却不随d/D比值变化而异,故在XLPE电缆的绝缘厚度为待定对象时,择取Emean较简明合适。
1.1.2 以包含薄绝缘层试样等测试方式确定击穿场强[2]    
  日本研制500kV XLPE电缆时,在改善绝缘弱点(杂质、半导电层突起等)的生产工艺及其质量监控方面比以往275kV XLPE电缆的制造有了明显的进步。进行绝缘设计时,曾按500kV XLPE电缆工艺条件制备了一批比预期绝缘厚度(25~30mm)薄些(6、9、15mm)的试样。
  (1)以绝缘层较薄的样品进行测试取得反映绝缘特性的基础数据。以绝缘厚度为6mm的样品40个在室温下测试其击穿场强值整理出按F(x%)的韦伯分布曲线。得到zui低击穿场强ELac=57kV/mm、mac=1.4、Eoac=15 kV/mm,ELimp=112kV/mm、mimp=1.8、Eoimp=35kV/mm(电缆样品条件d、D分别为16.7mm、28.7mm);并根据式(3)、(4),按样品长为10 m的条件算出V,可求得kac=5.273×10-9/mm3、kimp=3.885×10-9/mm3。
   又对绝缘厚度分别为6、9、15mm的3类样品分别测试其击穿场强值,察明△i影响Emean的变化情况,结果归纳出测试值的关系式有:
  ELac(△i)=78△i-0.18  (5)
  ELimp(△i)=155△i-0.18(6)  
  (2) 按500kV XLPE电缆实际尺寸(△i为27~30mm,截面为2500mm2,d、D分别为61.2、120.2 mm,长为20m)算出此时的V值。由式(3)、(4)可推算出此时的Eoac=1.1kV/mm、Eoimp=4.7kV/mm。当△i为27mm时,由式(5)、(6)有ELac=43.1kV/mm、ELimp=85.6kV/mm;若取△i为30mm时,ELac=42.2kV/mm、ELimp=84kV/mm。实际择取ELac=40kV/mm、ELimp=80kV/mm,见表1中所列。
  (3)对500kV XLPE试制电缆的设计电场强度进行验证试验。施加电压应不小于式(1)、(2)分子项

110kV及以上XLPE电缆绝缘厚度现状述评
    
  国内外110kV及以上XLPE电缆绝缘厚度概况见表4。
  由表4可见,我国110、220kV电缆绝缘厚度比世界上有些国家同类电压等级的厚。现就如何认识和对待该问题提出分析与建议。

    表4 各国110~500kV XLPE电缆绝缘厚度[3]        mm

额定电压UN/kV
雷电冲击耐压/kV

110~123
550

132~145
650

220~245
1 050

380~420(500)
1 425

美国、加拿大

20.3(UN=115)

21.6(UN=138)

23.4,(加)25.7


 

英国、意大利


 

(英)20→14(开发中)


 

25(试验)

法  国

14(UN=90)


 

22~23

27~30

德  国

9(试验)


 

15(试验)

27~29.5

荷  兰


 

 

 

27.5(试验)

瑞  士

13~17

14~17

20~26

29~35

丹  麦


 

19


 

 

俄 罗 斯

12


 

 

 

澳大利亚


 

 

27(UN=200~275)


 

韩  国


 

23(UN=154)


 

 

日  本

17


 

23(UN=275)

27(UN=500)

中  国

16~19*


 

 

24~27**

  * 按GB 11017—89,缆芯截面为240、300、400、500、630、800mm2及以上时,绝缘厚度相应为19、18.5、17.5、17、16.5、16 mm。
  ** 按CSBTS/TC213-01-1999,缆芯截面为400和500、630、800、1 000mm2及以上时,绝缘厚度相应为27、26、25、24mm。
  (1)我国在制订的统一电缆标准中规定了绝缘厚度,这对各厂初期产品的规范化具有积极意义,且其指标制订当时不失先进性。如对比美国爱迪生照明公司联合会(AEIC)制订电缆技术条件同类标准[6],110kV XLPE电缆绝缘厚度我国比美国薄,没有其保守。  
  (2) XLPE电缆绝缘厚度往往受雷电冲击耐压水平(BIL)制约,同一额定电压级的BIL在我国与其他国家并非都等同。如我国220kV与日本275kV的BIL一样,意味着同一额定电压的BIL我国较高,相应绝缘较厚,选用国外产品应注意。
  (3) 从动态发展观点看,电缆绝缘厚度并非一成不变。有持此观点的国内专业人士指出,按我国国家标准规定的110kV XLPE电缆绝缘厚度可以在绝缘安全裕度范围内适当地减薄[7]。鉴于我国标准修订的时间往往间隔过长,常滞后于技术发展水平。如果机械性地以现行标准制约电缆绝缘厚度,客观上不利于国内电缆制造企业参与市场公平竞争;反过来,缺乏市场从而难获效益的企业,由于实现制造工艺技术进步的资金难以为继,将更无条件改变技术落后的局面。
  (4)客观形势的发展需要绝缘层尽可能薄的电缆。电缆绝缘层减薄不仅可降低电缆造价,同时还可提高载流能力、增加每盘电缆的容许长度并减少接头,从而带来提高运行可靠性、减少工程投资等综合效益,为此,① 在工程订货技术条件制订时,对国内外电缆均应遵循IEC 60840等标准,同时,除了要强调满足我国系统的BIL水平外,不必硬性规定国产电缆绝缘厚度,宜以较变通措词不限制厂家实施工艺改进、减薄绝缘厚度的积极性。如此,将有助推动技术进步,实现良性循环的局面。② 借鉴日本减薄绝缘厚度技术发展经验,鼓励有条件的企业通过制造工艺革新以改善绝缘性能;开展必要的试验,提出减薄绝缘的分析论证,并用通过预鉴定试验方式佐证。如110kV等级电缆,除按20次热循环试验的国标要求外,也可考虑适当延长但应短于220 kV的预鉴定试验时间(如90个周期)。总之,在XLPE电缆绝缘厚度不以标准限定的同时,明确以含有试验分析的验证方式来要求较妥善。

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