中高压电力电缆半导电屏蔽电阻率特性分析.pdf

2 0 0 4 年第 3 期 No 3 2 0 04 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e S ( ： a b l e 2 0 0 4年 6月 J u n 2 0 0 4 中高压电力电缆半导电屏蔽电阻率特性分析 徐 刚 ， 吴 炯 ( I 上海电机技术高等专科学校 ， 上海 2 0 0 2 1 o ； 2 上海电机技术研究所 上海 2 0 0 0 8 0 ) 摘 要 ： 本 文 分 析 了 GB T1 2 7 0 6 2 3 2 0 0 2及 GB T1 1 0 1 2 2 0 0 2额定 电压 6 3 0 k V 及 3 5 k V 和 l 1 O k V挤 包绝缘 电力电缆及 交联聚 乙烯绝缘电力电缆标； 住中提 出的半导 电屏蔽电阻率技术指标规定的理论依 据 探讨上述标准中指 出老化前 、 后导体半导 电屏蔽 电阻率均不超过 l 0 Q m 绝缘半导 电屏蔽电阻率均不 超过 5 1 0 Q m 规定值 对 电缆 运行 特性 的影响 。 关键词 ： 中高压挤包绝缘电力电缆； 半导电屏蔽电阻率； 特性分析； 电阻率稳定性 中圈分类号 ： TM2 4 7 1 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 0 4 ) 0 3 0 0 2 5 ： 0 4 Anal y s i s of t he r e s i s t i v i t y of t h e s e m i c ondu c t i v e s h i e l d u s e d i n m i ddl e a nd hi g h vo l t a ge powe r c ab l e s XU Ga n g e t a l ( S h a ng h a i Hi g h 【 Te c h ni c a l S c h o o l f o r M o t o r Te c h n o l o g yS h a n g h a i 2 0 0 2 4 0Ch i n a) Ab s t r a c t ：Th i s p a p e r a n a l y s e s t h e t h e o r e t i c a l 1b a s i s of t h e r e q u i r e me n t s f o r t h e r e s i s t i v i t 3 o f t h e s e mi c O n dU C t i v e s h i e l d 【 s t i p ul a t e d i n t h e s t a n d a r d s GB T l 2 7 0 6 2 3 2 0 0 2 Po we r c a b l e wi t h e x t r u d e d i n s ul a t i o n a n d P o we r c a b l e wi t h 【 XI P E i n s u l a t i o n o f r a t e d v o l t a g e s 6 3 0 k V a n d 3 6 k V a n d GB T 1 1 O 1 7 1 2 2 0 0 2 P o w e r c a b l e wi t h e x t r u d e d i n s u l a t i o n a n d P o we r c a b l e wi t h XI P E i n s u l a t i o n o f r a t e d v o l t a g e o f 1 1 0 k VI t i n v e s t i g a t e s t h e e ffe c t o f t h e r e q u i r e me n t s s t i p ul a t e d i n t h e a n 1 s t a n d a r d s o n t h e c a b l e p e r f o r ma n c e t h a t t h e c o n d u e t or s hi e l d s h a l l h a v e a r e s i s t i v t y n o t e x c e e d i n g l 0 n F I 1 b e f or e a n d a f t e r a g i n g a n d t h a t i n s u l a t i o n s h i e l d s h a l l h a v e a r e s i s t i v t y n o t e x c e e d i n g 5。 n m b e f o r e a n d a f t e r a g i n g Ke y wo r d s：mi d d l e a n d hi g h v o l t a g e p o we r c a b l e s wi t h e x t r u d e d i n s u l a t i o n；r e s i s t i t y o f t h e s e mi c o n d u c t i v e s h i e l d I c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s；s t a b i l i t y o f r e s i s t i v t y 1 前 言 随着橡 塑电力 电缆向 中高压 、 大容量发展 ， 对电 力电缆结构中半导电屏蔽电阻率的指标及其在老化 前后 的稳定性提 出的要求 ， 也越 来越 突出 。 多年来已 有众多 电缆 技术 工作者和专家强调作 为电缆结 构 中 第 四单 元 的 半 导 电屏 蔽 层 特 性 的 重 要 性 不 容 忽 视 1 M z _ 。国外也有不少专业标准制定了半导电屏 蔽 电阻率限定值 和技 术规范要求 ， 我 国 2 0 0 2年 1 0月发 布 ， 2 0 0 3年 4月 实施 的额定 电压 6 3 0 k V 和 3 5 k V 挤包 绝 缘 电力 电缆 及 附件 ， 以及 1 i 0 k V 交联聚 乙烯绝缘 电力电缆 及附件 国家标 准中明确规 定 了成 品电缆 型式试 验 中要对半导 电屏蔽 电阻进行 试验 ， 并规定 了半导 电屏蔽 电阻测量 方法 ， 且要求 老 化前 、 后 的导 体屏 蔽 电阻率 不超 过 1 0 Q m， 绝缘 屏蔽不超过 5 1 0 Q ml 6 j 。可见 ， 我 国电缆行业 也 收稿 日期 ： 2 0 0 3 1 2 一 l 1 作者简介： 徐 刚( 1 9 5 8 一) ， 男 浙江上虞人， 讲师 作者地址 ： 上海市闵行 区江川路 6 9 0号 2 0 0 2 4 0 十 分重 视半 导 电屏蔽技 术参数 的选择 和规 范 ， 这将 大大促进我 国橡塑 电力 电缆 的发展 。 本文将 从 吸收 、 理 解 的角度探 讨上述 标准 关于 半导电屏蔽电阻率技术参数、 技术要求提 出的理论 依据 并分析 相关规 定值对 电力 电缆运行 特性 的影 响 以供有 关人员的参考 。 图 1 2 半导电屏蔽电阻率限定的理论依据 2 1 为了确保 电缆 的安全运行 从 电缆 结 构 的等值 电路 出发 ( 图 1 ) 7 j ， 设 外加 电压 作用下 ， 电缆对地 电容 电流为 ， 绝缘上 电压 维普资讯 2 0 0 4 年第 3 期 NO 3 2 0 0 4 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e 8 Ca h i e 2 0 0 4年 6月 J u n ， 2 0 0 4 降 和半导 电层上 电压降 【 之 比为 一1 ( RJ r- R) I ： ( 尺，+ 尺， ， ) ( ( 1 ) 【 l， 1 “ J ( 式 中， 尺 、 尺” 为导 体屏 蔽 和绝 缘 屏 蔽 的电 阻 ( Q) ； ( 、 为绝缘层 电容 ( F) ； 为角频率 ( s ) 。若对 1 c m 长 绝缘线 芯 其 电容 为 1 p F， 工 频时 一3 1 4 ( s ) ， R 、 尺 取 同一数量级 。 约 为 3 l 0 Q， 则 一 3 3 1 4 ! 。( 。) 即半导电屏蔽层 上将 分配到电压 为绝缘 层上的干分 之一 这是相 当安全而不 至于引起半导 电层击 穿。 若 半导 电层厚 0 5 1 0 mm， 而周 长为 3 c m， 则半 导 电导电层 电阻率 约为 1 0 Qm 的数量级 ， 所以半导 电层 电阻率 在工频 时只要 为 1 0 n m 就 能达 到要 求 ， 但 脉冲电 压作 用下 ( 波 形 l 。 8 4 0 s ) ， 因波 头时 间很 短 ， 故 等值 的交 流频率 为 - 厂 1 o ( s ) ， 这 时 为 了达到在 半导 电屏蔽 上 同样 的电压 分配 ( 即频率 比工频 增 加 1 0 3 1 4 1 0 。 倍 ) ， 故 这 时要 求 半导 电 层的 电阻率 约为 ： 1 0 3 1 4 1 0 6 1 0 1 1 0 。 Q m( 按 公式 ( 1 ) 可知 ， 因 增 加 ， 则( 尺 +R” ) 下 降) 。所 以一 般 为了保证 电缆安 全运行 ， 要 求半 导 电层 的 电阻率 p 1 0 Q m( 与文献 6 国家标准一致的) 。 2 2 为减 少 因半导 电电阻率 偏大 而 引起 附加 损耗 t g 8的增大 理论 上讲 电阻率 在 1 0 Q m 和 1 0 Q m 之 间都 属于半 导电范 围 ， 但究竟 应控 制在什 么范 围合 适 ， 半 导电层电阻率 j0 与 电缆 的 t g 3关 系如何 ， 有人 通过模拟试验 和理论论证 ， 得到 了如图 2的曲线 。 图 2中的曲线 1为理论 曲线 ， 曲线 2为实验 曲线 。 模 拟 实验 方法 是将 X LP E电缆 料 与相应 的半 导 电料 制成 的各厚 为 1 mm 的薄片 ， 并且平 放重合在 一起 ， 即绝 缘料 夹在 中 间， 并且 用 中 5 0 mm 平板 电极 加压 力 2 k g ( 2 O。 C时 ) ， 改变不 同次 方电阻率 的半 导 电试 片 固定 一种绝 缘 的 试 片 ， 即 可测 出图 2中的 曲线 2 一 。 理论 曲线 i由等值 电路图 3而推导的理论公式 计算 ， 并绘制而成 的 。 与 图 1相 比， 图 i中简化 讨论 时 只把 半导 电层 等值 地看作 为一个 电阻 ， 事 实上半 导 电层 还存 在 电 容的效应 ， 因 为它可 以看作为极低 电阻率 的介 质。 如 果这样 ， 还须 加上并联 的电容 ， 因而图 3中可将 尺 分别 作为半导 电层相 应的 电阻和 电容 ， 其介 质损 耗 为 t g 3 R 、 C 分别作 为相应 的绝缘 的电阻 和 电 容及其介质损耗为 t g 3 。等值 电路 导出的电缆 的表 观介 质损 耗 t g 3 ( 即包 含绝 缘 和半导 电层 的介 质损 2 6 耗 ) 计算公式 为 t g 3 、 一 尺 、 t g ! ( 1 q - t g ! M ) +尺 M t g M ( 1 +t g 。 ) 3 t E R 。 t g 3 ( 1 +t g 1 M ) +尺 M t g 3 M ( 1 +t g 0 ) ( 3 ) 将相关数 据代人 式 ( 3 ) 可求 得与 实验结 果相 当 符 合的图 2中曲线 1 j 。可见 ， 半导 电层 电阻率 P值 增大 表观介质 损耗 t g 3 上升 ， 当 p 1 0 。 Qm 时 ， t g 3急剧 上升 ； 当 p =1 0 1 0 Q m 时 t g 3 出现极 大值 因而 p 1 0 。 Qm 的半 导 电材 料都 可用于 电 缆 ( 但 不宜太低 ， 见下文说明 ) 。 采 用半 导 电层后 电缆 的表 观介 质损 耗 t g 3 比 绝缘 介质 损耗 t g 3 大的原 因 的另一种 解析 是半 导 电层 与金属导体的不 良接触引起 的电位差 而产生的 附加损耗 。由附加损耗的等值 电路得 出的表 观的介 质损耗 t g 3 经验公式 为 t g 3 = t g 3 M+ t g 3 0 1 2 一 t g 3 M+ ( 上 H 、 M( r + o R + R ) ( 4 ) o 式 中， t g 3 为绝 缘 的介 质损 耗 ； t g 3 。为半 导 电层 的 介 质损耗 ； C 为绝缘 的 电容 为半导 电 层厚 度方 向电阻 ； R 为半 导电层 圆周方 向 电阻 ； R 为半导 电 层 和导 体 的接 触 电阻 ； 为 半导 电层 和 导体 不 良接 触两点 间距离 。由式 ( 4 ) 可见 ， C 、 足 、 越 大 ， t g 3 也 越大 。 这 和前 面论 述 的半导 电层 电阻增加 使 t g 3 增大的结论是一致的。 当 R 、 R 下降极低时， t g 8 。 0 则 t g 3 t g 3 ， 即逐 渐趋 向绝 缘材 料本 身 的介 质损耗值。这与上述半导电层 p 1 0 。 n m， t g a便开始上升。 若温度 上 升 。 半 导 电电阻率 p急剧上 升 ， t g #变 大后半导 电 层 的热效应 变坏 ， 容 易引发局部放电 。 对电缆使用 寿 命不 利。 2 ) 、 若 经老化试 验后 的 l。值大 于老化 前的 P值 ( 老 化 n天 ) 。 可 能导致 t g g上升 ， 对 电缆 运行 不 利 故通 常要进 行 l。值 的时 间稳定性 试验 ， 以判断 P值 是上 升还 是下降 。 这可 以参 照美国 I C E A 出版物 T一 2 5 4 2 5有关规定进行试验 。 通 过式 ( 6 ) 计算 可 以得到半 导 电层 电阻率 P值 的时间稳定性 的论证 每 当式 ( 6 ) 成立 。 即表明 电阻 率 P值稳定。- 一 ： l g p 1 I +l g p ! s +l g p ! 十0 3 3 1 g p ( 6 ) 式 中 P 为第 n天 测量计算到 的 l。值 ( 计 算 P值公式 可 以参 见 I C EA 出版物 T一 2 5 4 2 5 ) ： 当 n 1 2天时 1。 一 、 0 ? 、 0 一 分 别为 之前 第 1 4 、 2 8 、 4 2天 间隔测量计算到 的 p值 。 当 n =4 2天时可用式 ( 7 ) 计算 2 ( D 1 D l 4 D 2 8 ) | D i ： ( 7 ) 当 n 4 2天 ( 如 4 9天 ) 时 。 可用式 ( 8 ) 计算 2 ( D l 4D 2 8D 7 2 ) D j 9 ( 8) 而且在全部实验周期之 内 ， 包括烘箱温 度降 到室温 P值都 应保持低 于所适可 的标 准规 定 的最 大值 。按 AE I C CS 6 8 2 标 准第 D5条规定 ： 9 O。 C和 1 3 0。 C下 导体屏蔽电阻率 p 1 0 。 Qm。 绝缘 屏蔽 电阻 率 p l O Q m。 分 析式( 7 ) 、 式 ( 8 ) 可见 ， 当 p ： P ， 即 P值随实验 时间进展 而下降 ， 则完 全能满 足上式要 求 ； 当 p值 随时间增 加而且 在很 小百分 比 内增 加时 也能满 足要 求 。 就是说 电阻率至少应保 持 基本 稳定 不变或正在减小 。 半 导电料才是合格 的。 反 之 。 P值超过一定 值 ， 增长率 在变大 。 就会 因电缆 t g 3 变大而认 为不合格 。 3 ) 、 电阻率 p值 稳定性 对局放运 行特性的影 响 可 以从半 导电层的功能效应 的改善得到认 识 ： 半 导电层 的场强效应 。 有了导体屏蔽 。 在内半 导 电层外表 面的最大场强大于线芯导体 表面最大 场 强 则可 以减少或 防止线 芯 表面高场 强 引发气 隙局 部 放 电。 半导 电层 电阻 越低 ( 1 0 n m) 越能将 导 体 屏蔽与导体 看 成等 电位 ， 越 有利 于改善 局部放 电 特性 。曾有报 导 j ， 某厂 因半导 电料 电阻率 p大大超 过标准规定值 ， 结果造成 局部 放电不合格 ， 当电阻率 P达到 l O 。 n m 要求 后 ， 该 产品的局放 特性有所 提 2 8 高 。 半导 电层的热 效应 。上面论证 过半 导电层 p 值增 大 电缆 t g 3增 加 ， 附加 损耗增 大 ， 实 质上 也是 限 制了电缆运 行载流量 ， 降低半导 电层 电阻率 有利 于减少附加损耗 ， 能有效改善热效应 。 半导 电层 界面效应 。 基 于发现半导电层界 面 的老化 效应和 界面存 在着 电树 、 水树和 杂质 电树 的 引 发 界面尖凸 、 界 面气 隙、 界面水 隙引发 界面电树 、 水树 。 再导致局放特性恶化 。 为此 提出超光滑加工半 导 电界面的工艺技 术要 求 ， 这与半 导 电料 配方要 求 有关 ， 其中即电阻率要求 一定要小 于限定值 ， 炭黑量 少 电阻率 高 ， 加工 界面光 滑性就 下降 。炭 黑颗粒 大 了 表面尖 凸 、 表面粗糙 ， 电树 、 水树 、 局放 特性都 下 降 。 故半导 电层 电阻 率一定要 在一 个最 大限定值 之 4 结 论 ( 1 )控制半 导电屏蔽 电阻率 不超过一个 限定 值 是基于改善电缆运行特性、 提高电缆运行寿命 的重 要技 术措 施 。 ( 2 )当半导电层电阻率超过限定值后 ， 将增加 电缆 t g 6 ， 恶化 电缆热性 和电缆 局放特性 。 ( 3 )半导 电层 电阻率在 电缆 老化 前后试验 中保 持稳 定值 ， 是控制半 导 电料性 能指标 技术参 数 的有 效方法。保持了电阻率的稳定性就保持了电缆运行 的稳定性 。 ( 4 ) 加大炭黑用量能降低半导 电料 电阻率， 但 超过一定 量后 。 降低 的效果并不好 ， 且会影响半导 电 料 的抗拉强 度、 伸长率和耐寒性 ， 并会使挤 出加工性 能 变坏 。 参 考文 献 ： 1 电力 _ 一 ， 用， ) 为导体遮蔽 意义E J 日立评论 第 4 ( ) 卷 I 2号 ： I 4 9 5 ； 第 4 1 卷 第 8号 ： 9 7 ： ! 吴 炯 ， 等 橡塑力缆半导电层电阻率稳定性的试验研究 J 电线 电缆 I 9 9 0 7 ( 4 ) ： 2 O 一 2 5 ： 3 娄尔康现代电缆工程 M 沈阳： 辽宁科技出版社 1 9 8 9 l j AE I C C S 一 6 8 2标 准； I C E A 出版 物 T 一 2 5 4 2 5标 准； I C E A N E WA标准 S 一 6 8 5 1 6 规定 s 5 R i c h a r d s o n C Ne w t e c h n o l o g y f o r i mp r o v e d c a b l e p e r p o r ma n c e L C Th e 4 t h Wi r e As i a I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e a n d Ex hi b i t i on，Sh a n gh a i Chi n a，1 98 9 f 6 j GB T 1 2 7 0 6 2 - 3 2 0 0 2及GB T 1 1 0 1 7 1 2 - 2 o o z E s 7 是 炯塑料电缆( 第二册第 3章) M 西安交通大学教材， 1 9 8 2 8 吴 炯， 万树德高压交联电缆局放特性与半导电层电阻率关 系的分析 J 中国电线电缆， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 3 维普资讯