110kV XLPE绝缘电力电缆局部放电的探讨.pdf

2 0 0 6年第 3期 No 3 2 O O 6 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b k 2 0 0 6年 6月 J u n 2 O 0 6 1 1 0 k V X L P E绝缘 电力电缆局部放 电的探讨 宫瑞磊 ， 汪建成， 王兆珉， 袁传镇 ( 泰开电气集团高压开关 有限公司 ， 山东 泰安 2 7 1 0 0 0 ) 摘要 ： 建 立 了 l 1 0 k V交联 聚 乙烯( x L P E ) 绝缘电力 电缆皱纹铝护套松 动时的放 电模型 ， 并利用 时域有限元 电场 的方法分析 了 1 1 0 k V的电缆耐 压试验时 在 电压相 位过零点 时的放 电现 象。 关键词 ： X L P E电缆 ； 皱纹铝护 套 ； 局部放 电 ； 时域 有限元法 中图分类号 ： T M 2 0 6 ； T M 2 4 7 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 0 6 ) 0 3 0 0 3 1 0 3 Ana l y s i s o f Pa r t i a l Di s c ha r g e i n 1 1 0 kV XLP E Po we r Cab l e s G0NG Ru i 1 e i e t a l ( T a i k a i El e c t r i c Gr o u p，HV S w i t c h C o ，L t d，T ai a r I 2 7 1 0 0 0，C h i n a ) Ab s t r ac t ：A p a r t i a l d i s c h a r g e mo d e l wa g b u i l t f o r a n 1 1 0 k V XL PE p o we r c a b l e wi t h l o o s e c o r r ug a t e d alu mi n i u m s h e a th T h e d i s c h arg e wh e n the p h a s e i s a t z e r o a t a v o l t a g e t e s t o f 1 0 k V c ab l e Wa 8 an a l y sed u s i n g the t i me do ma i n fin i t e e l e me n t me t h o d Ke y wo r d s：XLP E c ab l e；c o r r ug a t e d alu mi n i u m s h e a th ；p a r t i al d i s c h a r g e；t i me - d o ma i n fin i t e e l e me n t me tho d 1 引 言 为 了提高高压交联 聚乙烯 ( X L P E ) 绝缘 电力 电 缆 的各 项性 能指 标 的稳 定 性 ， 防 止 电缆 绝 缘 层 被 外 界潮 气 及水 分 的侵 入 ， 以保 证 电缆 具 有 优 异 的绝 缘 性 能 ， 使 电缆 能 在 各种 环境 下使 用 ， 电缆 应包 覆金 属 护套 。金属 护套 的 作用 主要 有 三 个 ： 一是 防水 的作 用 ， 防止 X L P E绝 缘接 触 到水 分 ， 作 为 电缆 的径 向 防 水层 ； 二是能承受较大的短路电流 ； 三是对电缆绝缘 起 保护 作用 ， 避 免 机械 外力 对绝 缘 的伤 害 。 目前 ， 1 1 0 k V级 X L P E电 缆 使 用 的 金 属 护 套 大 多是 纵 包氩 弧焊 皱 纹 铝 护 套 ， 关 于 纵包 氩 弧 焊 皱 纹 铝护套 的 生产 原 理 见 文 献 2 。文 献 3 分析 了 X L P E绝 缘 电缆 铝护 套生 产 过程 中 的受力 情况 ， 得 出 了在 6 4 1 1 0 k V一1 2 7 2 2 0 k V高 压 电缆 生 产 过 程 中 引入氩 弧焊 工艺 的可 行性 。对 于氩 弧 焊接过 程 中的 热效应研究在文献 4 中做了分析 ， 指出了高温焊接 时 ， 由于焊接的热量不是足够的大 ， 再加上焊点是在 不断的移动和电缆结构的特点 ， 又采取冷却措施 ， 温 度沿电缆径向下降很快 ， 所 以绝缘表面的温度很低 ， 即高温 焊接 不会 对 电 缆 绝缘 造 成 伤 害 ， 论 证 了氩 弧 焊 接 的可靠 性 。 以上 是从 理论 上论 证 了氩 弧焊 皱 纹铝护 套 的可 行性 ， 但实际生产 中， 由于高压 电缆 的工艺复杂 ， 加 收稿 日期 ： 2 0 0 5 1 1 - 2 0 作者 简介 ： 官瑞 磊( 1 9 7 9一) ， 男 ， 山东济宁人 ， 工程师 作者 地址 ： 山东 泰安市高新开发 区 2 7 1 0 0 0 上一些 不确 定 的 因 素 ， 很难 做 到 铝 护 套 与 绝 缘 层 的 完美 匹配 。在 高压 电缆 生 产 中 ， 如果 铝 护 套 的 内径 比较小， 可能会导致压伤绝缘屏蔽和绝缘层 ， 但如果 铝护 套的 内径 较大 会 出现什 么结果 呢? 即铝 护 套和 绝缘屏蔽之间有一 定的间 隙， 这 是许多生产厂家到 目前 没有 意识 到 的 一个 问题 。 下 面 以 1 1 0 k V X L P E 绝缘 电缆 及其 局部 放 电试验 为例进行 讨论 。 2 计算 的理论模型 1 1 0 k V电缆结构计算 的理论模型如 图 1所示 ， 图 中 1为 X L P E绝 缘 介 质 ， 2为绝 缘 屏 蔽 ， 3为 阻 水 带 ， 4为 电缆铝 护套和阻水带之 间的空气隙。图 1 中的 A点 是 铝护 套 与 阻 水 带 紧 密 接触 的地 方 ， 而 B 点 以及 A B之 间 的各点 则 认 为 没有 很 好 的 与 阻水 带 接触。计算中， 取 X L P E绝缘与 电缆导体接 触面为 高电位， 而铝护套接地 。 B 图 1 1 1 0 k V电缆计 算的模型图 3 计算的方法 计算 方法采用了时域有限元方法， 在半导 电介 质中， 电位 满足方程 ( 1 ) ： 一y - ( c o 勺 ) ( 1 ) 维普资讯 2 0 0 6年第 3期 NO 3 2 0 06 电 线 电 缆 El e c t r i c W ir e Ca b l e 2 0 0 6年 6月 J u n ， 2 0 0 6 式中， y为绝缘 的 电导率 ； e 。为 自由空间的介 电常 数 为半导电媒质的相对介 电常数 。 为求解非线性半导 电媒质 中的 电场分布 ， 利用 后退 E u l e r 法对 式 ( 1 ) 进 行离 散 处 理 ： 一y ( t ) = E o e ， ( 2 ) e ， 一 L Z 式 中 ， t 为 时 间 ； A t 为 时 间步长 ， 整理 后可 得 ： 一( y+ ) ( ) _ 一 E o e ( 3 ) 一e J 一 L j 式 ( 3 ) 也 可 以写 为 ： 一 c 一f =0 ( 4 ) 其 中 ： c= y+ ： - c o 1 1 0 k V X L P E电缆 的电场分布呈 轴对 称 ， 可采 用 圆柱 坐标 系 ， 则对 应 式 ( 4 ) 的 变分 问题 为 ： F ( ) =2 7 r l ( 1 c d ) r d r d z 一 50 2 7 r f r d r d ： m i n ( 5 ) s I l= 。 相 应 的有 限元 方程 为 ： = P( ) ( 6 ) 式 中 ， K 为 nn阶的 非线 性 刚度 矩 阵 ： 为 n阶电 位 列 向量 ； P( ) 为 n阶列 向量 。 4 计算 的结果及分析 根据 G B T 1 1 0 1 7 2 0 0 2 ， 取 电 缆 绝 缘 屏 蔽 的 电阻 率 为 5 0 0 Q m， 阻水 带 的 电 阻率 为 1 0 0 0 Q m， 对 A B 之间不同距离的各点进行了电场计算， 并找 出了空 气 间隙 中最 大 的电场 强度 ， 如 表 1 所 示 ， 然 后 在 图 2 中画出最大场强与 A B之间距离的关系。 表 1 空 气 隙 中 的 最 大 场 强 与 AB 距 离 的 关 系 从 表 1和 图 2可 以看 出 ， 即便 是 绝缘 屏 蔽 的 电 阻率符合 国家标准 的要求 ， 当铝 护套和阻水带不能 紧密接触时 ， 空气间隙 中的电场强度随 A B之间距 离的增加也会显著增大 ， 当 A B距离较大时 ， 空气隙 中的场强值已远远大于空气 的击穿场强 ， 这也说明 电缆铝 护 套松 动 时 ， 存 在 气 隙 放 电 的 可 能 性 。因此 电缆铝护套在设计时， 应该充分考虑到与阻水带 、 绝 缘屏蔽 紧密接触的必要性。 图 2 空气隙 中的最大场强与 A B之 间距 离的关系图 表 2和 图 3指 出 了空气 隙 中的最 大场 强 与 电缆 绝缘 屏 蔽 电阻率 的关 系 。 表 2 空气 隙中的最 大场强与绝缘屏蔽 电阻率的关系 一 3 O 董 2 5 量2 0 嚣I5 1 o U i U U 2 1 ) U 30 0 4 UU 5 1 ) 1 ) 绝缘屏蔽的电阻率 ( nm ) 图 3 空气隙中的最 大场强与绝缘屏蔽电阻率 的关 系图 从表 2和图 3可 以看出， 空气隙 中的最大场强 和电缆 绝缘 屏蔽 的 电阻 率 近 似 线性 关 系 ， 可 以说 在 A B间 距 离 一定 时 ， 电缆 绝缘 屏蔽 的 电 阻 率越 小 ， 放 电的 可能 性越 小 。但 另 一 方 面 也说 明 了 ， 即便 电缆 的铝护套设计的合理 ， 如果 电缆绝缘 屏蔽的电阻率 不符合要求 ， 也将导致铝护套 中气隙的放电。 图 4为 1 1 0 k V电缆 因铝 护 套松 动 放 电 的 图像 ， 其 试验 电压为 工 频9 6 3 k v， 局 放 电量 为 1 2 0 p C ， 电 缆 导 体截 面为 1 4 0 0 m m ， 电缆 长 度 为 1 1 0 4 m。图 5为模 拟 空 气隙 中一点 从零 时 刻 起 随施 加 电压 的场 强变 化 情 况 。从 图 5可 以看 出 ， 零 时 刻开 始 后 的短 暂时 刻 内存 在 电场 的过 渡 过 程 ， 但 很 快 就 进 入 了稳 态。在以后的几个周期 内可 以清楚的看到 ， 施加的 电压 与空 气 隙 中的场强 变 化存 在近 9 0 。 的相 位差 ， 这 也从根本上解释图 4放 电集 中在 电压过零点周围一 段 时 间 内的原 因。 维普资讯 2 0 0 6年第 3 期 No 3 2 0 06 2 0 0 6年 6月 J un， 2 0 0 6 鳗 蠼 脚 图 4电缆 因铝护 套松 动时放 电的图像 出 御 最 蠼 图 5铝护套松 动时 ， 空气隙 中的场强 随时间周期 变化 的关 系 1 一电场强度的模值 2 一电场强度的轴向分量 3 一 电场强度 的径 向分 量 4 一 电缆导体施加 的有效值 为 9 6 k v的工频电压 图 6为铝 护 套 同阻 水 带 、 绝 缘 屏 蔽 紧密 接触 的 情 况 ， 从 计算 的结果 来看 ， 此 时铝 护 套 中气隙 的 电场 强 度 很小 。这 也说 明 了 ， 铝 护套 同 阻水带 、 电缆绝缘 屏 蔽 密切 配合 的必 要性 。 5 结 论 在 高压 电缆 生 产 中 ， 铝护 套 的 内径 相 对 于绝 缘 屏 蔽 及 阻 水带 外 径 较大 时 ， 即它 们之 间有 一定 的间 时 间 T s 图 6 铝护套与阻水带紧密接触时 ， 空气隙中的 场强 随时 问周期 变化的关系 1 一 电场强度 的模值 2 一 电场强度 的轴 向分量 3 一 电场强 度的径 向分 量 4 一电缆导体施加的有效值为 9 6 k v的工频 电压 隙 时 ， 会 造成 高压 X L P E电 缆 的铝 护 套 气 隙 中的 放 电 ， 这严 重影 响 了 电缆 的性 能 指 标 和 使用 性 能 。因 此 ， 含铝 护套 的高压 电缆设 计 时 ， 应 该充 分考 虑铝 护 套 同绝 缘屏 蔽 、 阻水带 之 问各 方面 的密 切配 合性 。 参 考 文献 刘子玉 ， 王惠明 电力电缆结 构设计 原理 M 西 安 ： 西安交通 大学 出版社 ， 1 9 9 5 杨俊家 ， 吴宗新 ， 孙青 高压 X L P E绝缘 电力 电缆皱 纹铝护套 的应用 J 电线电缆 ， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 4 4 4 5 刘广松 ， 庄茁 ， 李 良玉 ， 等电力 电缆皱 纹铝护套 的强 度 变形 分析 J 电线电缆 ， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 3 5 3 7 吴长顺 ， 向宇龙 ， 曹晓龙 ， 等 1 1 0 k V、 2 2 0 k V交联聚 乙烯绝缘 电 力电缆皱纹铝护套氩弧焊接技术 的研究 A 中国高压输 变电 技术研讨会 C 山东新泰 ： 2 0 0 4 ， 2 3 3 4 盛剑霓 电磁场数值分析 M 北京 ： 科学出版社 ， 1 9 8 4 佛 山华联有机硅有 限公司 耐 高低 温 硅橡胶 ， 硅树脂 涂层 1 硅橡 胶( 挤 出成型 ) 用 于耐高低 温( 一5 0。 C2 0 0 。 C ) 的特种 电线 电缆 2 硅树脂 涂层 用于外包玻璃纤维套 管的硅橡 胶 电线 3 硅树脂 涂料 玻璃纤维套管专用 的 4 耐高温硅树脂涂料 云母带专用 的 我公 司是生产有机硅 系列产 品的专 业厂 家， 产 品 已在 多家 电缆厂使 用 ， 效果 良好 !欢迎来 电咨询和浏览我们 的网页， 谢谢 ! 网址 ： h t t p： ww w f o s 7 5 7 c o m E ma i i ： f o s 7 5 7 v i p 1 6 3 c o m 电话 ： 0 7 5 7 8 6 4 8 3 4 1 0 8 648 3 4 2 0 传真 ： 0 7 5 7 8 6 4 8 3 4 3 0 联 系人 ： 卢 志 明 华东办事处 ： 上海海谊化工有限公司 0 2 1 5 2 9 1 5 4 2 5 联系人： 吴立功 e a 缆叭 电m 线W 电 e E O5O5O 5O5O5O5O5 322O O2233 维普资讯