220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆的研制.pdf

2 2 0 k V 交联聚乙烯绝缘 电力 电缆的研制 郑州电缆( 集团) 股份有限公司 陈光高 王建军 蔡信成 张 乒 一 丁 M 2 (7 摘 要 介 绍 了 220 k V 交 联 聚 乙 烯 绝 缘 电 力 电 蜕 的 结 构 设 计 ，技术指标的确定， 以友产点 。 ， 温度 高、 电气性 能优 良、 传 输 容 量 大 、 结 掏简 单、 安 装敷 设方便 ， 广泛 受到 用户 的欢迎 。我 国 3 5 k V 及以下 电压 等级 的交联电缆 已经 基本 取代 油浸 纸绝 缘 电力电 缆 ， 1 1 O k V 交 联 电缆 已大量使用 ， 2 2 0 k V交联电缆也已批量 投运行。为了满足蓬勃发展的电力工业和 城 市 电 网 改造 对 2 2 0 k V 交 联 电 缆 的需 要 ， 挡住该类产品的进 口， 郑州 电缆( 集团) 股份 有 限公 司于 1 9 9 2年分 别 从 芬兰 NOK I A 公 司和 瑞士 HAE F E I Y 公 司引进 了 V C V 高压 交联 电缆 生 产 设 备 和 3 5 0 k V、 4 2 0 0 k VA 的 局放畏 试 系统 ， 建立了高 8 5 4 m 的立式交 联塔、 高压试验室和局部放电试验室， 自制了 6 3 O框 式 绞线 机 、 6 O盘金 属 屏 蔽机 ， 再加 上 原 有 的 连 续 压 铅 机 、 压 铝 机 、 1 7 5挤 出 机 、 2 0 0挤 出机 与之 配套 ， 已形成 了比较 完 整 的 2 2 0 k V 交联 电缆生 产 线 。 这项 高 压 交联 电 缆技 术 改 造 工程 于 1 9 9 4年底竣工后 ， 1 9 9 5年成 功地试制出 l 1 0 k V 交 联 电缆 ， 并通 过 了 电 力 部 和机 械 部 组 织的 技术鉴 定 ， 产 品已在北京 、 安 阳等地投入 批量 使用 。 在此基 础上 ， 我 们又成 功地试制 出 我 国第 一根 2 2 0 k V 交 联 聚乙 烯绝缘 电力 电 缆 ， 并 已于 l 9 9 6年 1 2月通 过 了机械 工业 部 和 电力 工业部 两部 组织 的技 术鉴定 。现 就试 制 2 2 0 k V 交联 电缆 的情 况介 绍于后 。 试制产 品基本情 况 t 1 )产 品名称 ： 额 定 电压 2 2 0 k V 交联 聚 、 ( 2 )型 号规 格 ： Y J Q0 2 2 2 0 1 8 们 。 ( 3 ) 产 品执 行标 准 ： Q Z L 8 1 1 9 9 6 额 定 电压 2 2 0 k V 交联 聚 乙烯绝 缘 电力 电缆 。 ( 4 )电缆结 构 ： 示 意图见 图 1 。 圈 l Y J Qo z 2 2 o 1 8 0 0交联电缆结构示意 图 试制中的技术问题 及解决的方法 1 产品标准及主要技术指标确定 由于 国 内 尚无 2 2 0 k V 交 联 电缆 产 品 ， 也无 相 应 的 国 家 标 准 ， 我 们 参 照 l l O k V 交 联 电缆 的 国家标 准 GB l 1 0 l 7和 I E C 8 4 0以 及瑞典标准 S S 4 2 4 l 4 l 7 ： l 9 8 8 额定电压 1 2 k V4 2 0 k V 交联 聚乙 烯绝 缘塑料 护套 电力 电缆试验方法 ， 制定了企业标准 Q z i 8 1 1 9 9 6 ， 作为产品试制的依据。其中： 产品结 构受 式主 要参照 G B 1 1 0 1 7 ； 试验 项 目和 技术 指标 参 照 GB 1 1 0 1 7 、 E C 8 4 0和 S S 4 2 4 1 4 l 7 。考虑 到 我公 司采用 VC V 立式 交联 生产 1 3 l 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 工 艺 ， 绝 缘层 厚度 不 易偏心 的特 点 ， 将绝 缘 层 偏心 度 ( 一t ) t 由 I E C 8 4 0规 定 的 不 大 于 0 1 5f i l m 提 高 到不大 于 0 1 0mm。 2 绝 缘厚 度 t 的 确定 按照 典 型 的平 均 场强 分 布 ， 分 别 计 算 出 工频 场 强 和 冲击 场 强下 的绝缘 厚 度 ， 然 后取 其较太值。 ( 1 )按 冲击 场强 计算 绝缘厚 度 作为纵 向阻水层， 其阻水效果良好， 完全能达 到纵 向阻水 的规 定 。 根据 交联 电缆 热 膨 胀量 计 量 ， 交联 料 的 线 胀 率 为 ： = ( 1 ) 一 1 ( 3 ) 绝 缘径 向膨胀 量 为 ： 一 ! + 尝 军 孚 (y r 一 。 一 一 ( 1 )式 中 一 交 联 料 的体 胀 卢： 式 中 B l l 基 本 冲 击 绝 缘 水 平 。 按 S S 1 0 - ” C 4 2 4 1 4 1 7和 GB 9 3 2 6的 规 定 ， 取 B I I 一1 0 5 0 k V K 温度 系数 ， 取 K 一 1 2 Kz 老化 系数 ， 取 Kz = 1 1 0 Ka 裕度 系数 ， 取 Ka 一 1 1 0 E 交联 聚乙烯 绝缘 最 小 冲击击 穿强度 ， 取为 6 0 k V mm 一 曼 ： 兰 ! ： ： 一 “ 6 0 2 6 4 7 、 ( mm) ( 2 )按 工频场 强计算 绝缘 厚度 f 一 旦 ( 2 ) 式 中 ， 电缆 设 计 用 导 体 之 间 额 定 电 压 ， U一 2 2 0 k V K 温 度 系数 ， 取 K =1 1 0 K 老 化系数 取 K ： =4 0 K 裕 度系数 取 K 。 一1 1 0 交 联 聚 乙烯 绝 缘 景小 工 频 击 穿强度 取 E =2 5 k V mm ( 2 2 O _ 了 ) 1 1 0 1 1 1 一一 一 2 4 5 9( ram) 根据 以上结果， 取较大值并对其取整 故 取 一 2 7 0 mm。 3 缓冲 层和纵 向阻水 层结确 定 此前 经 对 1 1 0 k V 交 联 电缆 试 制验 证 ， 铅套 电缆用 两层 0 6 i l l r l l 厚 的半 导 电阻 水带 l 4 丁 交 联 聚 乙 烯 绝 缘 的 平 均 温 升 ， 取 T一5 0 C f 绝缘 径 向膨 胀量 ， mm 、R 分 别 为导体 半径 和绝缘 屏蔽 半 径 。R L =1 7 1 1 mm， R 2 4 6 85mm 由此 将各参数数值代式( 3 ) ( 4 ) 得： 一 0 01 6 At 一 0 6 7mm 试 验证 明 ， 两 层 0 6 mm 厚 的半 导 电 阻 水 带 在 一 定 压 力 作 用 下 厚 度 可 压 缩 0 4 mm， 加 之铅套 与阻 水 带 之间 有一 定 的 问隙 ， 在 电缆受 热膨胀 过程 中能起到较 好 的缓 冲作 用 。所 以我们 采 用 两层 0 6 mm 厚 的半 导电 阻 水带 作 为铅 套 电缆 的纵 向 阻水 层 ， 同 时也 作为 缓 冲层 。 4 主要工 艺措 施 1 9 9 ,5年 ， 我 们 研 制 的 Y J Q0 2 2 2 0 1 3 0 0交 联 电缆 在 通过 9 5 0 k V 正 负极 性 各 1 0 次 冲击 电 压试 验后 ， 再进 行 工 频电 压 试验 时 电缆 主绝缘 发生 击穿 。电缆 击穿 的原 因有两 个方 面 ： 一 是外 部条件 对 电缆造成 的损 害 如 电缆 导体进 水 、 受 到严 重弯 曲 、 冲击试验 过程 中多 次承受 截渡 等 ； 二 是 电缆本体 存在 缺陷 ， 如 导体 屏 蔽层 的 外 表面 不平 整 或 焦 烧 ， 绝 缘 层中存在热应力 、 杂质等。 针对电缆本体可能 存在 的缺 陷 在 这次试 制过 程 中 ， 我们 在工艺 上重 点采 取 了以下几 项措施 ： 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 ( 1 )针对 导 体 屏蔽 在 交联 过程 中嵌入 导 体 单 线 间 隙而 造 成 的 表面 不平 整 问题 ， 改 进 了 紧压 导体 用拉 模 的 L 型 和 尺 寸 ， 对各 层 单 线 的根 数和 直 径 进 行 了认 真 的推 敲和 计算 ， 使 各 层 单线 尤 其 是 外 层单 线 排 列 紧密 、 表 面 光 滑， 而 且 按 照标 准要 求 在 导体 外面 绕 包 了 一 层半 导 电尼 龙带 。 这样 ， 导体 屏蔽就 不会 进 入单 线 间隙 中， 解决 了导 体屏蔽 外表 面呈“ 齿 轮” 状 时所 引起 的场 强升 高 问题 。 ( 2 )高压 交 联 电缆 绝缘 焦烧 的两 个重 要 原 因 ， 是 挤 出机 温 度过 高 和 绝缘 料 在挤 出 机 中停 船 时间过 长 。 在 开车 过程 中， 如果 采用 焊 接方 式连 接导 体与 导缆 ， 通常 需要 3 0 ml n以 上 ， 交 联料 ( 包 括 绝缘 料 和 屏蔽 料 ) 在挤 出机 中停 船这 么长 的时 问必然 会 产生先期 交联 或 局部 焦烧 。 针 对这 个 问题 ， 我 们一 方 面 降低 了正 常 开 车时 的挤 出温 度 ， 将 挤 出机 的各段 温 度 控 制 在 1 2 O C以下 。另一 方 面 采 取特 殊措 施 连 接 导体 与导缆 ， 将连 接 时 间控 制 在 2 0 mi n以 下 ， 缩 短 了 导体 与 导缆 连 接 时交 联 料在 挤 出 机 中的停 船时 间 ， 从而 有 效 地 减少 了绝 缘 层 中出现焦 烧 的可 能性 。 ( 3 )热应力 是 国内外 有关 交联 电缆研 究 的一 个 热门课 题 ， 它 的存 在 对 电缆危 害极大 产 生 的 原 因也 是 多方 面 的 ， 如绝 缘 线 芯经 过 高 温 交联 进 人 冷 却 区时 ， 首 先是 绝缘 表面 冷 却 ， 在 中间未 完全 冷却 的情 况下 ， 绝缘 无法 向 导 体 中心收缩 ， 而 是 向绝缘层 中间收缩 这 样 就 在绝 缘层 中产 生 了径 向拉 应力 。 显然交 联 温 度越 高 这 种拉 应力 就越 明显 。另外 ， 由于 导 体 和绝 缘 的热 膨胀 系数 相 差很 大 ， 两者 又 是 紧密 接 台在一 起 的 在 冷却 过程 中绝 缘 无 法 作轴 向收缩 ， 因此会 产生 轴 向应力 ， 且轴 向 应 力是 随着 线速 度提 高而增 加 的 为 了减 少 绝 缘 层 中存 在的 应力 ， 我 们采 取 了低 温低 速 交 联 工 艺 ， 将 交 联过 程 中的 绝 缘表 面 温度 控 制 在 2 6 0C以下 ， 线 速 度控 制 在 0 5 3 m rai n 以下 并 且 采 取 了增 加绝 缘 线 菩存 放 时 间 的 措 施 。 在 交 联 过 程 中 ， 绝 缘 内外层 的交 联 度 不 均 匀也 是产 生 内应力 的原 因之一 。随着绝缘 层 厚 度 的增 加 ， 导 体 温度 和 绝 缘层 温 度 之差 就越 大 ， 这种 应力 就越 明显 。 我们根 据过 去 的 试制 经验 ， 通 过计 算机 多次模 拟计 算 ， 台 理选 择 了导体 预热 温度 ， 力求 达到 与工 艺匹 配 ， 使 绝 缘 内外 层 的 交联 度 尽 可能 均 匀一 致 ， 从 而 减小绝 缘 层 中的热 应力 。 ( 4 )其 它工 艺措施 t 1 )用 酒精 或 汽油擦 干净 导体 ， 防止杂 质 和金 属屑 遗 船在导 体表 面 。 2 )在半 导 电 带外面 绕包 一层 无纺 布 带 ， 当导体进人挤出机机头之前再将无纺布带去 掉 ， 这 可对 半导 电带起 到 机械保 护作 用 。 3 )清 理生 产现 场 和整个 设备 系统 ， 使 外 来 杂质 不 能 进人 绝缘 料 中 ， 保 证绝 缘 层 睁 纯 净度 。 4 )对 绝缘 料 和屏蔽 料进 行预 热处 理 ， 除 去其 中的水份 。 5 )调 整护 套表 面 半导 电涂层 的配方 ， 提 高半 导 电涂层 的导 电率 和粘跗性 。 5 试 验 终端 的应 用 电缆端 头 是 电缆 的 电气 性 能试验 电场集 中之 处 ， 也是 易发 生击穿 和闪络 的弱 点 。 为使 电 缆 电气 性 能 试验 正 常进 圣 亍， 必 须选 用 合适 的 终端 对 其 弱点 进行 补 救 。对 1 1 0 k V 及 以 上电压等级的电缆 ， 通常有三种型式 的终端 可供 试验 选择 ： 即瓷套 管 式终端 ， 脱离 子水 终 端和复合介质终端 。 瓷套终端费用太高， 安装 工序 复 杂 运 至试 验场地 也较 困难 ， 而且 国 内 与 2 2 0 k V 交 联 电缆 配套 的产 品 尚 无供 应 。 脱离 子 水 终 端 用 于局 部 放 电 试 验 、 l g 3试 验 和 短 时 工频 耐 压试 验 是很 合 适 的 ， 但 是 用 于 2 O天热循 环试 验的 问题较多 。 所 以我们选 择 了复合介质终端( 见图 2 ) 用于 2 0天热循环 试 验 。 图 2中介质 A是高介电常数、 低电阻率 的 极 性 介 质 水 ， 介 质 B是 低 介 电 常 数 、 l 5 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 盟 、 ， ( L r _ J 上屏越罩 地 缘 青 主 鲁 蠊 舟 质 B 舟 质 A 地球屏越 j - 屏置罩 圈 2 夏台介质试验终靖示意 图 高耐电强度、 弱极性介质变压器油。 这两 种 介 质 由于 密 度 和 分 子极 性 的 差异 而 不 混 溶。水受电场力和其 自身重力的作用上下移 动 ， 起 到动 态均化 电场 的作用 。 在 进 行 冲击 电压 试验 时 ， 需 要 将 试验 终 端 中的 A、 B介 质均 换成 适 当 电导率 的水 ， 以 改变试 验终 端 内外 的电场 分布 。水 的电导率 对试验过程和试验结果影响很大 。若电导率 过低 ， 其均压效果较差 ， 会降低 冲击 闪络 电 压； 若电导率过高 ， 则会影响冲击发生器的输 出效率和波形， 对波尾影响甚为明显。 水的电 导率的确定， 取决于电缆的结构与性能、 试验 终端 的 结构 尺 寸 和型 式 、 冲击 发生 器 的容 量 以及试验电压的高低等因素。我们进行冲击 电 压 试 验 时 水 的 电 导 率 调 节 在 8 0 1 0 0 S c m 范围内， 试验效果为最佳。 试 验过程 及试验结果 我们对试制 的 2 2 0 k V交联电缆进行了 出厂 ( 例 行 ) 试验 ， 国家 电线 电缆 质 量监督 检 验 中心和电力部电气设备质量检测中心进行 了型 式试验 和抽 样试 验 。 其 中 ： 型式试 验中 的 电气性 能 由两 中心 派 专家 到郑 缆 公 司测 试 ， 物 理机 械性 能分别 在 两 中心 测试 。其 主要性 能的检 测结果 如下 ： ( 1 )2 0C时 导 体 直 流 电 阻 为 0 0 2 1 7 n k m ： ( 2 )2 0天热循环试验前后 ， 1 5 U。 下的 局部放电量为 1 0 p C； ( 3 )t g d ( 9 5 U0 下) 为 5 6 1 0 ( 4 )电缆 通过 2 5 U。 ( 3 1 8 k V) 、 3 0 mi n 工 频 交 流 电压 试 验 和 1 0 5 0 k V 冲击 电压 试 验 ； ( 5 ) 绝 缘 层不均匀 性 ( 偏 心) 为 3 。 结 论 ( 1 )我 公 司 引进 的 VC V 立 式 交 联 电 缆 生产线技术先进、 工艺性能良好， 辅助生产设 备配套 ， 检襟 5 手段齐全， 并且建立了完整的质 量保证体系， 可 以满足 2 2 0 k V 交联寨乙烯 绝缘电力电缆生产的需要。 ( 2 )试制产品经国家 电线 电缆质量 监督 检验 中心和电力部电气设备质量检验测试 中 心检验测试 ， 各项性能符合郑缆企业标准 Q z I 8 1 一l 9 9 6的规定， 达到设计要求。 ( 3 )试 制产品填补 了国内空 白， 性 能指 标达到 国际同类产品先进水平， 投产后 将产 生较好的经济效益和社会效益 。 ( 4 )我们通过 2 0 0 k V交联电缆的试制 ， 总结 和 积 累 了一 定 的 高压 交 联 电 缆 生 产 经 验 。这些 经验 用于 1 1 0 k V 交联 电 缆生 产 ， 将 对 l 1 0 k V交联电缆质量和技术水平的提高 起到积极的推动作用。 参 考 文赫 l 刘 子玉 王惠 明电力 电境站 l 设 计原理 西安 ， 西安交通大学出崾杜 2 蒋佩南 韩续 董五 一国产 l l 0 k V 高压交联电墁 的结柯授计与选强 3 孔锥武交联聚乙烯电缆的 试验 终瑚电线电境 1 9 93 ， ( 6 ) 4 M L c h io T a k a o k a ， M i k i y u k i On o n d l s 0 K a j i De v e l op r e n t 0 2 7 5 kV XLPE Ca b L e SF s t e m a n d Pr os p e c t Df 5 0 0 kV XLPE Ca b l e 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载