500kV超高压电缆设计详解

("哈尔滨理工大学学士学位论文摘要随着社会经济的发展和用电需求的不断增长，城市输电系统正在逐步从架空线路向电力电缆方向发展，电力电缆正逐步向更高电压等级、更大传输容量发展，500kV超高压电力电缆的应用将逐渐扩大。但目前国内对超高压电缆及附件的开发能力、长距离500kV电缆的设计、施工和运行等问题的研究还比较薄弱，相应的技术很难跟上发展的速度，500kV超高压电力电缆的设计、选材和生产也面临着重重问题，超高压电力电缆的设计研发经迫在眉睫。本文简述了500kV电缆的研究背景及意义，介绍了国内外的发展现状并着重了解了日本的发展过程。给出了500kV单芯电力电缆的典型结构，对充油电缆和XLPE电缆进行了对比，给出了生产XLPE聚乙烯料应满足的性能需求及挤包的相关问题。概述了超高压电缆的屏蔽层缓冲层的意义，对金属护套的选择和生产工艺进行了详细介绍，叙述了超高压电缆外护层的性能要求和阻水的意义等相关问题，简要介绍了载流量的计算。最后，通过对XLPE电缆和充油电缆的对比可以知道XLPE电缆优势明显，必然成为EHV发展的主要趋势。本文对500kVXLPE的选材结构等进行了较为全面的介绍，希望可以为500kVXLPE电缆的设计和生产提供一些帮助。关键词500kV；XLPE绝缘；超高压；电力电缆---Theodore-I-哈尔滨理工大学学士学位论文AbstractWiththedevelopmentofsocialeconomyandthegrowingdemandforelectricity,citytransmissionsystemdevelopsgraduallyfromoverheadlinetothepowercable,powercablegraduallycometohavethehighervoltage,largertransmissioncapacity,theapplicationof500kVultra-highvoltagepowercablesgraduallyexpand.ButatpresentthedesignofdomesticEHVcablesandaccessoriescapacity,constructionandoperationofresearchisstillrelativelyweak,thecorrespondingtechnicalisdifficulttokeepupwiththespeedofdevelopment.Thedesignofultra-highvoltagepowercablematerialandproductionisfacedwithmanyproblems,Thedesignandresearchofultra-highvoltagepowercableareattheimminent.Thispaperdescribestheresearchbackgroundandsignificanceof500kVcable,introducingthedevelopmentstatusathomeandabroadandfocusingontheunderstandingleveloftheprocessinJapan.Wealsocomparethetypicalstructureofthe500kVsinglecorecables,theoil-filledcableandXLPEcables,theperformancedemandfortheproductionofXLPEpolyethylenematerialanddescribetheneedswhichmeettherelatedproblems.WeoverviewthesignificanceoftheshieldinglayerofbufferlayerofEHVcableandtheselectionandproductionprocessofmetalsheathindetail,aswellastheproblemsrelatedtoperformancerequirementsofprotectivelayerofEHVcableandthesignificanceofwaterresistance,wealsobrieflyintroducesthecalculatingoftheloadflow.FinallywecanknowtheadvantagesofXLPEcablebycomparingwithoil-filledcable.AndwebelievethatitwillbethetrendforEHVdevelopment.Inthispaperweintroducethematerialselectionandstructureindetails,hopingthatitcanprovidesomehelpfordesignandproductionofXLPEcable.Keywords500kV；XLPEinsulationcable；EHV；Powercable-II-哈尔滨理工大学学士学位论文目录摘要.......................................................................................................................IAbstract................................................................................................................II第1章绪论..........................................................................................................11.1课题背景.....................................................................................................11.2国内外研究动态.........................................................................................21.2.1国内500kVXLPE绝缘电力电缆及其附件发展状况.......................31.2.2日本500kVXLPE绝缘电力电缆发展状况.......................................71.3本文主要研究内容...................................................................................10第2章500kV超高压电力电缆........................................................................112.1500kV超高压电力电缆...........................................................................112.2500kVXLPE绝缘电力电缆的结构........................................................152.3超高压电力电缆各部分结构及选材.......................................................162.3.1超高压电缆导体的选择....................................................................162.3.2超高压电缆导体的结构....................................................................182.3.3超高压电缆的绝缘层........................................................................212.3.4超高压电缆的屏蔽层........................................................................252.3.5超高压电缆的缓冲层........................................................................272.3.6超高压电缆的金属护套挤出工艺....................................................282.3.7超高压电缆的护层............................................................................332.3.8超高压电缆的阻水............................................................................352.4本章小结...................................................................................................39第3章电缆的电气参数计算............................................................................403.1电缆载流量计算的必要性.......................................................................403.2载流量计算的基本原理...........................................................................413.3稳态载流量的计算原理...........................................................................423.3.1电缆的几种敷设方式........................................................................443.3.2导体线芯焦耳损耗............................................................................45-III-哈尔滨理工大学学士学位论文3.3.3绝缘介质损耗....................................................................................453.3.4金属护套损耗....................................................................................463.3.5电缆的热阻计算................................................................................483.3.6稳态载流量计算流程........................................................................493.4本章小结...................................................................................................50结论....................................................................................................................51致谢....................................................................................................................52参考文献............................................................................................................53附录....................................................................................................................57-IV-哈尔滨理工大学学士学位论文第1章绪论1.1课题背景目前，城市电力负荷需求越来越大，电压等级越来越高，为适应都市化负荷密集、城市容貌、网络复杂等状况，从技术和经济考虑，用电缆作引出线己经成为城市供电线路最佳选择。选用高耐电强度与介电系数的电力电缆，具有全封闭、全屏蔽、紧凑型的结构、有一定的可挠性、可穿越水中、地下埋设、免维护和高可靠性等特点，大大地降低了对空间尺寸和环境条件的要求，降低了维护成本，提高了供电可靠性。这些独特的优势，使城市电网的输电已经由架空线路逐步向地下电缆转变，且电力电缆的电压等级也在不断提高[1-2]。近年来，随着我国智能电网的开发、电网容量的扩大和改造以及城镇化进程的加快，对EHV电缆的需求大量增加，随着绝缘耐压水平的提高，高压、超高压电缆的应用也越来越多。新能源电站的兴建、装备制造的发展、轨道交通的推广等又极大扩充了电缆的新型应用领域。客观预测：2020年前我国110kV及以上高压超高压交联电缆的年需求增长率平均为15％，根据行业统计资料和市场分析，500kV超高压电缆2008年为213km，2010年为近400km，2015年将达870km，2020年预计为1700km[3]。但目前国内对超高压电缆及附件的开发能力、长距离500kV电缆的设计、施工和运行等问题的研究还比较薄弱，缺乏已达到共识的国际标准。500kV超高压电缆的开发、设计、安装、运行、维护、推广的研究已迫在眉睫[4]。我国超高压电缆材料目前仍需要进口，国际上的主供应商是陶氏化学和北欧化工两家。110kV电缆代表规格800mm2绝缘料用量为2.5t/km，220kV代表规格1200mm2绝缘料用量为5.2t/km，500kV代表规格1600mm2绝缘料用量为14.0t/km。我国国产高压超高压电缆附件一直落后电缆本体，220kV电缆附件的制造商就已经非常少，在国家电网-1-哈尔滨理工大学学士学位论文武汉高压研究院通过型式试验和预鉴定试验的只有青岛汉缆股份有限公司、长沙电缆附件有限公司、沈阳古河电缆有限公司、江苏安靠超高压电缆附件有限公司等为数不多的几家。在220kV、500kV的超高压地下输电线路中，电缆附件的需求量分别为420m一套和400m一套。因此，我国超高压电缆企业和有关科研机构应加大对超高压电缆材料和电缆附件的研发进程，早实现国产化，抢占高压电力电缆的技术制高点，振兴我国线缆民族工业。1.2国内外研究动态近代，500kV及以上电力电缆的开发应用已成为热潮．自第一条500kV电缆1975年在日本问世；上世纪七十年代末，意大利、美国等国家也着手开发750kV及以上电压等级的特高压电缆。1988年由日本研制的500kV交联聚乙烯(XLPE)电缆问世，实现了电缆“无油化”的要求、深受欢迎；1993年后日本开始长距离500kVXLPE电缆的商业应用，即500kV电缆长度由适应于电源网点间连接的百米级长度，扩展到城区网络间的互联，长度则以公里乃至上百公里，如东京湾的新京叶工程和大阪、名古屋的城网工程。在欧洲，继丹麦的哥本哈根环网电缆工程之后，德国柏林的BAWAG也在建设420kVXLPE电缆环网[5-8]。我国超高压电力电缆研究起步较晚，略为滞后欧美日等国家，但进程很快。80年代初期沙江线工程的沙角A厂、广州抽水蓄能电站1、II期工程选用的500kV充油电缆，90年代的天荒坪选用了XLPE电缆，近年投产的四川二滩水电站则是LDPE电缆，颇具特色的东北的董家变三种500kV电缆兼而有之，已有的各类型500kV电缆在国内都可找到其应用业绩[9-10]。2007年2月3日，国家电网武汉高压研究院主办的“全国500kV交联电缆应用技术研讨会”在武汉召开，标志着我国第一个城市电网用500kV交联电缆系统应用取得突破性的进展。2009年3月，海南联网500kV海底电缆敷设成功，是我国第一条超高压、大容量、长距离的跨海联网工程，属亚洲首创、世界第二。2010年上海世博会500千伏静安变电站输电线路全程采用了500kV电力电缆，我国500kV超高压电缆在城市电网已进入实施阶段[11]。2012年北京海淀500kV也采用电力电缆-2-哈尔滨理工大学学士学位论文作为电源输电线路，我国是继日本之后，第二个将500kV电力电缆应用于城市电网的国家。1.2.1国内500kVXLPE绝缘电力电缆及其附件发展状况“十一五”期间，我国输电线路电压从220千伏、330千伏、500千伏到750千伏，电压等级在逐步提高。随着电网建设的加快，输电线路电压等级的提高，发电设备、变压器等产品的性能、质量也将随之提高这就要求电线电缆行业提供与之相适应的配套产品。此前因设计与研发空白，国内超高压500千伏及以上电压等级的交联聚乙烯绝缘电力电缆市场一直被国外高压电缆生产商垄断，导致超高压电缆市场价格畸高，售后服务延误，为此我国每年需花大量外汇进口，以满足国内电站建设需求。2011年我国企业研制并成功应用于国内大型水电项目的“国产500千伏交联聚乙烯绝缘电力电缆”通过成果鉴定，宣告了这一时代的终结。目前生产高压XLPE电缆所需的超净可交联绝缘料与超光滑半导电屏蔽料仍然依靠进口；高压XLPE电缆附件的橡胶预制件的材料配方与工艺尚待完善提高。500kV超高压电缆及附件基本依赖进口，中国海南500kV海南联网工程用海底电缆及附属设备，500kV海底充油电缆总长度104.1公里，由NEXANS和VISCAS设在日本的合资的NVC工厂制造并承担敷设工程。中国上海世博会500kV供电专线用500kV交联电缆102公里以及所用的全部电缆附件，均由VISCAS公司提供产品和承担敷设工程。这样，超高压电缆的使用成本非常之高，制约了超高压电缆的使用和发展[12]。参照国际电缆制造厂商的经验，要使超高压聚乙烯绝缘电缆趋于成熟，实现国内生产及应用500kVXLPE电缆，发展超高压、特高压主要从以下几个方面解决技术问题：包括采用三维静电场计算技术对绝缘支撑件的形状作优化设计，改进绝缘支撑件浇注材料及工艺以提高绝缘件性能以及制造金属嵌件元件；掌握绝缘气体净化技术及金属微粒陷阱捕获装置设计；掌握导体及外导体内表面提高光洁度处理技术、导体与外导体制造技术、气体密封及检漏技术、单元段(12～18m)导体插接结构设计与外导体自动焊接技术以及电缆终端与各种配套的单元组件包括转角形单元、曲线形单元、伸缩单元及塞止单元的设计与制造。其-3-哈尔滨理工大学学士学位论文关键问题是研发出特超净绝缘料及超光滑半导电料在运输以及生产过程中保持超净状态以及500kVXLPE电缆附件配套供应[13]，并建立从聚乙烯基料、高压交联聚乙烯绝缘塑料到超高压交联聚乙烯电缆的完整体系．同时通过XLPE电缆制造设备与技术引进，通过产品的研究开发，迅速缩短高压XLPE电缆与附件制造水平与国外先进技术的差距，提高电缆的科技含量，提高技术水平，实现产品结构的高端化。1.2.1.1国内500kVXLPE绝缘电力电缆目前在国家大力拉动下，我国的500kV等高压超高压电缆的生产也取得了一些成绩。1.山东阳谷电缆集团有限公司山东阳谷电缆集团有限公司是国内电线电缆行业的领头雁企业，2008年被国家统计局评为中国最大的1000家企业集团、中国大企业竞争力500强企业和中国电线、电缆、光缆及电工器材制造行业效益十佳企业。“日辉”电缆被认定为国家免检产品，“日辉”商标被认定为中国驰名商标。第一条总投资2亿元的500kV交联电缆生产线已于2005年10月竣工投产，第二期，总投资为3.6亿元，其中固定资产投资2.8亿元，企业自筹1.32亿元。购进德国特乐斯特公司的两条VCV交联生产线，设备配置参数是目前在国内线缆行业中属于最先进和最可靠。可生产750kV超高压交联电缆，电缆截面可达到3500mm2，可新增生产能力超高压电缆150千米，预计新增销售收入9亿元，利税1.34亿元，利润1.1亿元，电缆集团总形成500kV交联电缆225千米的生产能力，交联电缆生产能力一跃成为国内首位。2．青岛汉缆集团有限公司从事电线电缆高新技术研究和生产经营的技术密集型、高效益的大型企业，拥有国际90年代先进水平的500kV及以下多条交联电缆生产线。公司拥有从芬兰引进的220kV立塔交联生产线、船用、矿用电缆生产线等十几条国际先进水平的电缆生产设备，其中220kv大截面分裂导体结构电缆、35kV乙丙胶绝缘电力电缆，可填补国内空白。同时公司还有国内领先水平的超高压电缆检测装置。3．河北省的宝丰电缆集团-4-哈尔滨理工大学学士学位论文配置了当今世界最先进的自动化电缆生产线和线缆检测设备，拥有世界上最高的750kV特高压VCV生产线，10-110kV全干式CDCC交联电缆生产线，1-10kV一步法四层共挤硅烷交联电缆生线；及从德国西门子公司引进的10-110kV局部放电检测设备和从瑞士哈佛莱公司引进的1000kV雷电冲击型式试验检备。4．山东鲁能电缆有限公司其前身是山东鲁能泰山电缆股份有限公司，国家大型一档企业，国家电线电缆骨干企业。公司拥有先进的电线电缆制造设备526台套，其中关键生产设备是从德国SKET、KRUPP、芬兰NOKIA、加拿大CEECO公司引进的具有国际先进水平的专业制造设备，具备年生产中低压电缆6000km、高压电缆800km、各类祼电线30000吨的能力，公司具有自营出口权，建有国家级技术中心，有雄厚的自主研发实力。公司拥有先进的生产和检测设备1176台(套)，先后引进了芬兰诺基亚公司35－220kV立式交联电缆生产线；瑞士哈佛莱公司750kV局部放电测试仪等世界先进水平的电线电缆生产和检测设备210台(套)。公司500kV及以下高压电缆电性能试验屏蔽大厅为国内一流水平，并达到当今世界先进水平，为公司高压电缆的研制、开发和产品质量稳定提高奠定了坚实基础。除了上述几家公司外我国还有许多公司可以生产500kV及以上耐压等级的电缆，如浙江晨光电缆有限公司、渝能泰山电线电缆有限公司广州市明兴电缆有限公司、湖北永鼎红旗电气有限公司（湖北红旗电缆厂）、河北新华立达线缆有限公司、河南金龙电缆集团有限公司、宝胜集团、沈阳古河电缆有限公司、上海电缆厂有限公司、广州岭南电缆有限公司、杭州华新电力线缆有限公司、浙江万马等。综合考虑我国高压XLPE电缆技术与国外先进水平尚有差距。武高所正全力推动500kV电缆系统的国产化，我国开发与生产500kVXLPE电缆及附件对于电缆制造企业与电力工业单位均是必然的选择。完成这项工作需要有政府部门的大力支持，线缆行业管理部门和技术归口部门的宏观调控，需要有远见卓识的学者和企业家携手，需要相关有研发能力的行业应集结高技术的专家加大研发力度，研究出超高压交联聚乙烯绝缘塑料和超高压交联聚乙烯绝缘电缆，能够达到500kV以上的耐压等级[14]。-5-哈尔滨理工大学学士学位论文1.2.1.2国内500kVXLPE电力电缆附件的发展状况发展长距离500kV的XLPE电缆线路工程时，接头是必不可少的附件，城市电缆敷设需要大量电缆接头，且电缆万一发生事故时，必须采用接头进行电缆接续，国产高压、超高压电缆附件一直落后电缆本体，500千伏XLPE电缆连接接头至今未完成开发研制及实用化，附件技术的落后现状已严重制约超高压电缆推广应用[15]。我们不得不在购买超高压电缆的同时，花费大量外汇去高价购买国外的电缆附件，时常受到外商若干附加条件的限制，备品备件的品种规格、数量及时效的限制等。终端制造难度大，高新技术含量比电缆本体要高得多，因为电缆整个运行系统中这一部分是个薄弱环节，对其设计制造时要极重视接头部分的电场分布、温度分布、压力分布，绝对消除气隙，模具设计极复杂，材料配方应用也有难度。超高压挤包绝缘电缆及其附件是电网中极重要的组成部分，其长期可靠性是首先要考虑的重大课题；与110kV电缆及其附件相比，它们的工作场强很高，故安全裕度较小；它们的绝缘厚度较厚，热机械效应较严重；随着电压的增高，电缆本体与附件的设计以及安装配合，变得更为困难[16-17]。另一方面，电缆附件行业普遍存在的问题是如何对出厂产品进行试验检验，这也是作为电缆附件用户最关心的问题[18]。500kV电缆附件中的户外终端和接头，在国内仅有江苏安靠电缆附件公司通过了武高院的型式试验，正在筹划进行一年的预鉴定试验。目前的状况是附件产品一旦通过型式试验后，三、五年内不再作试验，特别是产品出厂前不做也无法做试验检验，容易造成运行中的事故隐患。高压电缆附件研制开发工作是一项资金密集型、技术密集型的系统工程，需要有电缆运行部门支持和配合，形成跨行业、多渠道技术合作，齐心协力快速发展我国高压电缆附件的民族工业，及早研制500kVXLPE电缆接头，提高电缆附件技术水平。对橡胶预制应力锥(机械扩张后套在电缆绝缘上)预置接头的应考虑合成橡胶应力锥与浸渍油的相容性：在高电场和热场作用下，预模制的橡胶应力锥老化会引起界面压的变化(松弛)从而降低电气强度的技术问题，采用合适的材料既可以使合成橡胶与浸渍油相容，又可以确保良好的老化性能。现在开发的硅橡胶绝缘材料可以很好的解决这一问题-6-哈尔滨理工大学学士学位论文还可采用弹簧压紧装置，在应力锥上增加一套机械弹簧装置以保持应力锥与电缆之间界面上的应力恒定，辅以对付在高电场和热场作用下，橡胶应力锥老化后可能会引起的界面压力的变化(松弛)。另外，采用一种非橡胶应力锥，我们也可以开发成超高压电缆附件。在设计上它既能提供可靠的应力控制又能避开应力锥与电缆绝缘直接接触。典型的结构是美国G&W公司设计的产品，从使用角度来看，这种结构可以允许配套电缆有较大的直径和偏心度的制造公差。我们还可以参照国外的经验，开发超高压电容锥附件[19]。从原理上讲，电容锥控制电场的效果优于应力锥，但制造上比较麻烦为保证产品质量，应根据IEC62067:2006标准和中国国家标准化指导性技术文件GB/Z18890.1～18890.3—2002《额定电压220kV(Um=252kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》对附件进行严格的预鉴定试验(即为了验证完整的电缆系统具有满意的长期可靠性能而进行的试验)[20]。为了考核超高压电缆系统的长期可靠性，可以增加预鉴定试验，即长期加速老化试验。一些发达国家对电缆附件相关标准做出了明确地规定，我们的权威部门在时机成熟时对电缆及附件也应作出相应规定。1.2.2日本500kVXLPE绝缘电力电缆发展状况我国现行电压等级规定高压的范畴为：IkV、6kV、10kV、35kV、60kV、110kV、200kV；超高压的范畴为；330kV、500kV、750kV、1000kV。近年来的我国基础建设的快速发展和城市进程的加快，使得我国成为世界超高压XLPE绝缘电力电缆的重要市场。国外资本在原有的生产规模基础上，正加紧扩大生产规模；国内的电线电缆企业在超高压电力电缆制造领域的投资也骤然放大。可是，我们对超高压电缆制造与使用技术的积累和目前的技术需求存在着一定差距。通过了解国外的先进经验，是确定行业的努力方向、迅速提高国内超高压电力电缆的制造与维护技术水平的有效途径。在国外500kV电缆的使用以日本为最多，且产量也不大，所以国产电缆的规格可以参照日本的产品选用，以便于各国间电缆使用的统一性和互换性，更便于使用统一的配套附件。在500kV电缆腌制后，有-7-哈尔滨理工大学学士学位论文可能首先要与日本或国外其他的电缆附件配套。所以了解日本500kVXLPE绝缘电力电缆的现状有助于我国在此方面的发展。1.2.2.1日本超高压XLPE绝缘电力电缆的开发日本于1832年开始制造铜线、1927年开始制造橡胶电缆、1949年开始制造聚氯乙烯绝缘电线、1950年开始制造聚乙烯绝缘电线、1987年由日本曰立电线株式会社制造的世界第一根500kVCV电缆入网运行。经过十几年的研发，2000年11月，世界首条500kV大长度CV电缆输电线路在东京都开始运行。这条线路全长40km，采用双回路，共计敷设240km单芯l×2500平方毫米CV电缆，单根电缆最大长度为1800m。采购的电缆于1996年8月开标，从开标到敷设完毕其间用时4年。电缆供应商为：日立电线、住友电工、古河电工、藤仓电线。各供应商提供60km结构参数完全一样电缆。对于绝缘线芯的制造，藤仓采用FZCV方式，其他供应商采用的是RCP方式。为了制造这条电缆的绝缘线芯，古河电工在千叶县新建了一座90米高的立塔：藤仓电线是在1992年建成的千叶县富津市工厂里的FZCV生产线上制造这条电缆的绝缘线芯。275kV及以下电压等级的XLPE绝缘电力电缆从运行经验上看不出RCP和FZCV两者在质量上存在显著差别。上世纪七、八十年代。世界对XLPE绝缘电力电缆进行了广泛深入的研究，其研究成果对于后来指导XLPE绝缘电力电缆的制造和运行的技术发展起到了很好作用。当时制造110kV及以上XLPE绝缘电力电缆绝缘线芯的主要设备是：干式交联生产线。经过20多年的综合比较，目前日本见诸于报端的500kVXLPE绝缘电力电缆绝缘层制造方法是：有氮气保护的RCP和硅油保护的FZCV两种。XLPE绝缘电力电缆发展方向是：超高压化：大长度化：大截面化。1.2.2.2日本目前XLPE电缆的绝缘水平与变迁在日本CV电缆实用化已有50多年的历史，随着材料制造技术和绝缘线芯加工技术的进步，电缆的工作场强也在逐步提高，下面是到2000年时，日本XLPE电缆绝缘平均工作场强变化的大致情况：500kV：9.1kV/mm——9.9kV/mm——11.7kV/mm-8-哈尔滨理工大学学士学位论文220kV：5.5kV/mm——6.3kV/mm154kV：4.2kV/mm——5.1kV/mm——5.7kV/mm66kV：3.1kV/mm——3.6kV/mm——4.4kV/mm1.2.2.3日本对超高压电力电缆的检测日本虽然在世界上最早完成500kVXLPE绝缘电力电缆的研发和应用，但到目前为止还没有收集到日本国家的产品标准。现将收集到的部分企业对于500kVCV电缆的要求汇总如表1.1：表1.1部分企业对于500kVCV电缆的要求汇总工频耐压试验465kV/15min局部放电试验465kV时未见放电（检验设备灵敏度小于5pc）护套冲击试验-90kV/3次安装后工频耐压试验970kV/60min安装后绝缘冲击试验士1960kV/各3次安装后局部放电试验352kV·1h+318kV·168h1.2.2.4日本对超高压电缆制造的主要要求在日本500kVXLPE绝缘电力电缆从基础研究到产品实用化用了约10年，通过实践认为影响其质量的主要因素为：异物、气孔、突起。采取的相应控制手段如表1.2：表1.2异物、气孔、突起采取的控制手段管理项目保证方法异物管理方法由过滤嘲来强化过滤检查手段使用树脂要全部经过检查，端头切片检查气孔管理方法通过交联专用程序(控制温度、压力等制造条件)检查手段端头切片检查突起管理方法由过滤嘲来强化过滤检查手段端头切片检查值得一提的是，异物不仅仅是来自材料外空间。在材料向挤出机输送过程、材料在挤出机机体及机头的流动过程中也不可避免地要产生异-9-哈尔滨理工大学学士学位论文物。日本的企业在要求所有可能和树脂直接接触的场所的环境要满足1000级净化标准。同时，还在挤出螺杆和机头上下功夫，努力减少其上的物质存留。将追求挤出效率转向追求挤出的塑化质量及挤出机头各处熔融体流速均一，减小偏芯。在使用气体传输材料时，由过去的低压高速方式转为高压低速方式。运行前的长时问局部放电试验的目的就是为了检测系统(电缆和接头等)内异物、气孔、突起的水平。1.3本文主要研究内容本文概述了500kVXLPE电缆的研究意义和背景，并对国内外发展现状进行了简单介绍。详细讲述了日本500kV超高压电缆的研究历程。介绍了典型500kV超高压电缆的结构，对充油电缆和XLPE电缆进行了对比，认为XLPE电缆具有充油电缆不具备的优势。对各部分选材、作用等做了详细分析，如导体的选择、导体的结构、绝缘的选择和工艺、屏蔽层、缓冲层、金属护套和护层的选择等。最后简要介绍了电缆的载流量计算。-10-哈尔滨理工大学学士学位论文第2章500kV超高压电力电缆2.1500kV超高压电力电缆超高压电力电缆一般可以分为充油电缆和交联聚乙烯（XLPE）电缆两种，下面对两种电缆的特性进行对比。1充油电缆充油电缆实际是在传统的浸渍纸绝缘结构延伸的产品，与66~275kV分相绝缘充油电缆的结构相似．由于有外置压力油箱所持有的(微)正压．可以保证各浸渍纸间油道(膜)丰满．并具有足够绝缘耐受能力，因而其运行可靠性高，过载能力强和使用寿命长等优点已被运行实践所证明，但其缺点也很明显[21]：(1)电缆敷设应用将受地理环境条件及两终端头之间自然落差的限制，并会增加电缆油道的压力。(2)有潜在的失火危险，尤其是在敷设安装过程受到意外的机械损伤等，会对安装现场提出严格的消防要求(3)终端电缆头需配置压力油箱、结构较为复杂，并需定期维护和繁复的检测工作，这是现代电力用户所不希望的。在我国应用历史最长，积累的运行经验最多，但有火灾危险，我国以礼河三级电站曾先后发生过电缆(820kV)失火事故而造成重大损失。充油电缆敷设维护均比干式电缆复杂，安装高差也有限制，浸渍纸纸绝缘充油电缆的缺点，电力部门是深有体验，现已被逐渐淘汰[22]。2交联聚乙烯（XLPE）电缆交联聚乙烯（XLPE）电缆具有无油化的特点，介质损耗小，防火性能好，安装敷设方便，维护工作量少，随着制造工艺的改进和实际工程运行的考验，其可靠性也逐步得到认可，应用也愈加广泛，提出电缆“无油化”的要求是一种必然的，电缆产业界也一直为此努力寻-11-哈尔滨理工大学学士学位论文求适合于制造干式电缆(DryCable)的绝缘材料，在HV和EHV系统中的电缆普遍认为聚乙烯是较为理想的绝缘介质、现已经开发研究并应用由于低密度聚乙烯（LDPE）本身的物理性状存在的一些不足，如软化点温度偏低，电缆的运行温度应控制在70℃及以下；过载能力较低、尤其是在出现外部短路时，允许的短时温升的极限温度必须控制在PE的软化点以下等原因，低密度聚乙烯（LDPE）的应用会受到制约，要想有所改观就只能从分子结构上予以改进所谓交联就是应用物理或化学手段使分子中的短侧链与两个长链相接的过程，就PE而言则需将分子中的氢原子有序地夺走一个(纵向长链上)代之横向支链接起来，从而使其具有牢固的晶体结构，类似于橡胶的硫化。故在交联的过程需增加脱气的工艺，使绝缘由线性结构交联成网状结构．其软化点温度可以达到130℃以上现今XLPE电缆的生产工艺流程，虽有悬链、水平和垂直布置的交联与三层共挤(Trimethoxysilan)生产线的方式之分[23]。但在工艺质量的监控上更趋连续性和严密，而仍然保有商业化流水线连续生产的优势，电缆的技术性能则有明显改进，交联与乙烯的特性：①长期持续运行温度允许值≥90℃②使电缆过载能力增加，短路运行温度允许≥250℃这就意味着在以载流密度选择电缆截面时，截流导体和屏蔽层有色金属的消耗量可减少而得以充分利用，不必受绝缘材料的限制。现有500kV电缆综台性能比较将上述各类型电缆的主要性能如表2.1所示。从表中不难看出XLPE在技术性能指标上相对较好。根据国内外500kV超高压电缆应用的一些实例，充油电缆制造经验丰富，运行历史长，可靠性较高；但它也有明显的缺点：敷设安装不方便易燃性高敷设落差受限制。与充油电缆比较XLPE电缆具有无油化的特点，防火性能好，敷设安装方便，维护工作量少，而且介质损耗低，具有明显的优越性随着制造工艺的改进和实际工程运行的考验，“无油化”挤塑电缆将是EHV电缆发展的主要趋势，XLPE电缆的可靠性也逐步获得认同越来越广泛地得到应用。因此，在未来城市的500kV电缆应用中应以XLPE电缆为主，这种形式的电缆更适合未来城市化发展的要求。-12-哈尔滨理工大学学士学位论文自1957年美国GE公司首先采用过氧化物蒸汽交联聚乙烯获得成功以来，交联聚乙烯生产技术有了长足的发展。现在有特色的交联方法有十几种，交联生产线吸收了包括计算机在内的许多先进技术。交联方法表2.1500kV电缆综合性能比较性能参数XLPE充油浸渍纸机械性能抗拉强度/Mpa15伸长率％600电气性能体积电阻系数/Ω·m³≥1016≥1014相对介电系数2.33.5介质损耗系数0.050.03绝缘击穿强度kV/mm40~80最大持续运行温度/℃9065最大短路运行温度/℃250220抗老化性能100℃时优良120℃时优中105℃时良差可以分为物理交联和化学交联，物理交联即辐照交联，化学交联可分为过氧化物交联和硅烷交联。物理交联又称为辐照交联，是利用电子加速成器产生的高能量电子束流，轰击绝缘层及护套，将高分子链打断被打断的每一个断点成为自由基。自由基不稳定，相互之间要重新组合，重新组合后由原来的链状分子结构变为三维网状结构的分子结构而形成交联，由于500kV线径过大，辐照交联难以保证完全交联，不应用于超高压电缆的生产。过氧化物交联是应用最广泛的交联方法，聚乙烯也多用过氧化物法交联，电缆用聚乙烯交联料是以低密度聚乙烯配合过氧化物交联剂、抗氧剂、填充剂等租场的混合物料。加热时，过氧化物分解为活血火星很高的游离基，这些游离基夺取聚乙烯分子中的氢原子，使聚乙烯主-13-哈尔滨理工大学学士学位论文链上的某些碳原子为活性游离基并相互结合，即产生C-C交联键，形成了网状的大分子结构。过氧化物交联的几种方法：(1)饱和蒸汽交联：饱和蒸汽的特点是热量来自汽化潜热，热容量大，传热效率高、成本低、压力和温度容易调节等。它在橡皮电缆生产中得到了广发应用，但此法中制品在高压高温下要与水蒸气接触，材料内部将吸收水分冷却时过半和水洗出形成大量的微小孔隙。另外饱和蒸汽温度与蒸汽加压力有关，压力大温度高。但在高蒸汽压力下，温度随压力上升而增加的速率会降低，这就决定了此法交联温度不高，继而限制了交联速度。教练速度低是饱和蒸汽交联又一明显不足。由于上述原因饱和蒸汽交联一般用10kV及以下电缆生产，无法生产超高压电缆。(2)惰性气体保护热辐射交联：针对饱和蒸汽交联的缺点人们开发了惰性气体保护的热辐射交联，即所谓干法交联，和饱和蒸汽交联相比，干法交联制品在交联过程中不与水或水蒸气相接触，最大限度地控制住了吸水量和微孔尺寸，这对限制水树的生成，提高制品使用寿命无疑使重要的，其次决定生产速度的交联温度与气体压力无关，故可根据工艺要求设计交联管的加热温度，以取得尽可能高的生产速度。(3)熔盐交联：这是以钾钠等低熔点金属盐溶液为交联介质的方法，初称为熔盐法(LiguidCuringMediun)，简称LCM，后来改进为加压熔盐法(PressureLiquidContinueVulcanigation)，简称PLCV。由于熔盐是导电物质，其水溶液是水树的促进剂，故不能生产高压超高压电缆。(4)硅油交联：硅油交联是70年代开发的新方法。其技术关键是用不和聚乙烯发生溶胀作用的加压硅油作为交联和冷却介质，由于硅油到点性优异、化学稳定性好、热导率高并有和聚乙烯相当的密度，这就较好的解决了生产中所需的高温高压，不恶化制品质量及卧式和悬垂式所需的托浮力问题。如FZCV机组交联温度为300℃，和饱和蒸汽方法相比，相同管长可提高速度10%~25%。生产中硅油有约350KPa的压力，因此气隙小，一般小于1微米；制品不和水接触，含水量也和其他干法交联相当。并且用卧式或悬垂式就可以生产高压电缆，因此它是目前生产高压交联电缆较为理想的方式。硅烷交联是在温水中进行的，故又称温水交联。温水交联的方法是将电线电缆置于90℃的温水中浸泡5至7小时，在此状况下，氢氧化-14-哈尔滨理工大学学士学位论文物将吸收大量的水分，导致绝缘电阻下降，直接影响到电缆的综合性能。故不应用于超高压电缆的生产。但这种方法设备简单、价格便宜、工艺灵活、可以着色，改变规格时不需浪费大量电缆，所以是生产中低压电缆的比较合适方式[24]。2.2500kVXLPE绝缘电力电缆的结构电力电缆按照单根电缆包含的线芯数量可分为单芯和三芯两种，一般来说，500kVXLPE单芯电缆的典型结构，其主要结构包括导体、导体屏蔽层、XLPE绝缘层、金属屏蔽层、内衬层、金属护套以及PVC外护套等，如图2.1所示。图2.1500kVXLPE绝缘单芯电缆的结构1—导体2—半导电带3—导体屏蔽4—绝缘5—绝缘屏蔽6—半导电阻水带7—金属护套8—防腐层9—聚乙烯外护层（含半导电层）-15-哈尔滨理工大学学士学位论文2.3超高压电力电缆各部分结构及选材2.3.1超高压电缆导体的选择目前，国内外电缆导体材质主要有铜芯、铝芯两种。铜芯与铝芯电缆线芯基本性能比较如表2.2所示：表2.2铜芯与铝芯电缆线芯基本性能比较材质电阻率电阻温度系数热膨胀系数熔点密度抗拉强度抗腐蚀性能弹性模量载流量铜芯0.01723.9316.610838.9196好11.7高铝芯0.2823.9236602.778差7.16低从由表中各项性能指标不难看出，铜芯电缆比铝芯电缆有明显的优势。主要体现在以下几点：(1)铜芯电缆线芯电阻率低：铝芯电缆的电阻率比铜芯电缆约高1.68倍；(2)铜芯电缆线芯弹性模量高，是铝芯电缆的1.63倍，可以弯曲、易延展。(3)铜芯电缆线芯抗拉强度是铝芯电缆线芯的2倍。(4)铜芯电缆抗腐蚀性能好。(5)铜芯电缆的载流量比铝芯电缆大：同截面的铜芯电缆要比铝芯电缆允许的载流量高30％左右。从经济角度考虑，铜价格比铝价格高很多，铝芯的经济优势明显，但500kV超高压电力电缆导体材质的选择，既需考虑经济性，更要考虑其较大截面特点和包含连接部位的可靠安全性[25]。综合考虑铜铝两种材质的经济和技术性能，本课题推荐在城市500千伏超高压电缆中应采用铜芯电缆。除以上经济技术术分析外，还基于以下几个重要原因：(1)从国内外运行电缆来看，在中低压电缆中铝芯电缆线路故障率高，截止目前还没有任何电缆制造厂家在超高压电缆中采用铝芯电缆。-16-哈尔滨理工大学学士学位论文(2)铝芯电缆线芯的连接质量不易保证，从两种材料的性能比较中，我们可以看到铝材与铜材相比较弹性模量小、造成铝材的接头易变形、固定不紧易松动、接头接触不良、接触电阻高。(3)由于近20年以来，电力系统均以铜芯电缆为主，目前电缆安装部门配置的压接工具都是以压接铜芯电缆为主的，压铝芯电缆的工具基本没有配置。现在压接工具制造企业也基本没有制造铝芯电缆的压接工具。国标规定压接铝芯电缆采用点压法。点压法的优点是需要的压力较小，较容易使局部压接处接触表面产生金属表面渗透，可以破坏铝芯线及连接管表面的氧化膜，但压接以后连接管易变形。国标规定压接铜芯电缆采用围压法，围压法的优点是压接后连接管表面形状比较平直，不变形，容易解决连接管处电场集中的问题。参考国标GB/TXXXX《额定电压500kV（Um=550kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》第二部分，500kV交联聚乙烯绝缘电力电缆导体用铜单线应采用GB/T3953中TR型圆铜线。导体应采用紧压绞合圆形铜导体，截面为800mm2导体可任选紧压导体或分割导体结构；1000mm2及以上导体应采用分割导体结构[26]。导体的结构和直流电阻应符合GB/T3956和表2.3规定。表2.3导体的结构和直流电阻相关规定导体标称截面mm2导体中单线最少根数20℃时导体直流电阻最大值Ω/km800530.022110001700.017612001700.015114001700.012916001700.011318002650.010120002650.009022002650.008325002650.0073导体便面应光洁、无油污、无损伤屏蔽及绝缘的毛刺、锐边以及凸起或断裂的单线。-17-哈尔滨理工大学学士学位论文2.3.2超高压电缆导体的结构电力是重要的绿色能源，是国民经济发展的前提和基础。随着国民经济的快速发展，电力需求剧增，电力设施朝着大容量(高电压、大电流)传输方向发展。为了提高电缆的载流量，通常采用增大导体截面的办法。但是，由于交流系统中集肤效应的存在，导致导体中的载流量并不是随电缆导体截面的增大而成正比例增加，而是当导体直径增大到一定程度时，集肤效应严重，导致导体的交流有效电阻即交流电阻会明显大于其直流电阻，因而单靠增大截面也就失去了其实用性和经济性[27]。为了最大限度地减轻因集肤效应引起的导体交流电阻增大，有效地减小导体的损耗发热，增加导体的载流量，就要将大截面导体分割成彼此绝缘的几部分即形成分割导体。分割导体是由分割股块、隔离绝缘皱纹纸、扎带、半导电尼龙带、导体填充等部分组成，其中，每个股块外要纵包隔离绝缘皱纹纸，股块成缆后在分割导体外首先要用扎带捆紧，再绕包半导电尼龙带，最后缠绕无纺布保护层。另外，分割导体中心采用导体填充。集肤效应即场量比较集中在表面的现象。在电磁场理论中，交流电源与负载间的能量传输是通过导线中的空间以电磁波的形式进行的。坡印亭向量s表达了能量传输的功率密度：SEH\uf03d\uf0b4（2-1）其中：E为电场强度；H为磁场强度。E\uf064\uf067\uf03d（2-2）其中：δ为电流密度γ为导体电导率E为导体内的分布场强由式（2-1）（2-2）知，导体中的δ分布决定于导体中场强E的分布，也决定于坡印亭向量的分布。由于导体的电导率γ≠∞，即电阻率ρ≠0，所以其中有能量损耗，即有一部分电磁能转变为了热能。因此电磁波在导体内部，随着与表面距-18-哈尔滨理工大学学士学位论文离的增大，能量逐渐减少，从而引起电磁场量的逐渐减弱。因而集肤效应是由于场量在导体内部的衰减形成的[28]。场量在导体内的衰减快慢又可以用透人深度d或衰减常数α表示。D表示在平面波条件下，其幅值衰减到表面值的1/e时的纵深距离。对于良导体有：12d\uf061\uf077\uf06d\uf067\uf03d\uf03d（2-3）对于直流传输有ω=2πf=0，d→∞，因而无集肤效应。对于钢导体工频传输有：ω=2πf=100π，u=u0.γ=58兆西/米，则有：dcu=9.45mm，即在9.45mm深处，场量衰减到其表面值的0.368倍。而对于纹合型电缆导体，由于单线间有缝隙，从理论上很难精确计算透人深度，但dcu＞9.45mm是肯定的。由此可见外径越大，集肤效应就越明显，导致交流电阻增加的比例也就越大，电缆损耗发热越多。由以上分析电磁场理论可知，要想对大截面电缆导体有效地减轻因集肤效应引起的交流电阻增加，就要将导体加工成为由几个相互绝缘的独立部分构成的导体，每个部分的外形尺寸明显减小，以达到减小交流电阻的目的。\uf06c分割导体的结构形式及特点扇形分割：将分割导体加工成几个扇形股块，然后彼此间加以绝缘成缆为一个圆形导体，如图2.2所示：图2.2分割导体扇形分割主要有扇形四分割、五分割、六分割、七分割，以五分割居多。主要适用于中等截面800~1800mm2，具有良好的分割效果。而对于更大截面，由于扇形高和扇形宽已大于2d，因而分割效果就不再明显。这种扇形分割方式，在结构和压型模具设计时要充分考虑到成缆后的-19-哈尔滨理工大学学士学位论文外观圆整及导体的电性能，就要保证扇形面的两个角越尖，则成缆后每两个扇形块结合处过渡越平整，无明显凹缝，外观圆整。为了消除分割导图2.3组合式分割图2.4扇形分割导体-20-哈尔滨理工大学学士学位论文体成缆过程中产生的内应力，扇形股块在纹制时必须采用预成型紧压，成缆则采用具有自动纠偏的退扭成缆。组合式分割：组合式分割有两种结构形式，分别如下：一种是中心是一个圆形的紧压导体，外围为瓦楞形股块经成缆而形成的外观为圆形的分割导体，如图2.3所示。另一种中心是扇形分割导体，外围由两层铜单线绞合而成，如图2.4所示。这两种是扇形分割导体的衍生，可以将分割导体的截面生产的更大。但是结构设计和生产工艺控制难度较大，电缆附件安装时导体处理较为复杂。分层式分割：分层式分割即在绞制压型过程中，每层之间加以绝缘。该方案难以保证压型过程中绝缘材料不破损，因此未见实际应用，结构如图2.5所示图2.5分层式分割-21-哈尔滨理工大学学士学位论文2.3.3超高压电缆的绝缘层500千伏充油电缆是世界上公认的绝缘性能优良、运行可靠的高压及超高压电缆。但由于介质损耗系数较大，故其在超高压下传输大容量电能就受到其他型式电缆的挑战。超高压电缆发展的初期主要以充油电缆为主，上世纪60年代以后，交联聚乙烯(XLPE)电缆逐渐开始应用并得到推广。XLPE电缆介质损耗较低，传输容量较大，适合于高落差敷设，可以实现无油化。500千伏皱纹铝套XLPE电缆已于1998年首先在日本今市电站与下乡电站安装运行。与XLPE电缆同时投入运行的还有插入全封闭组合电器电缆终端。但500千伏XLPE电缆连接接头至今未完成开发研制及实用化。对于XLPE电缆，特别对于超高压XLPE电缆的长期运行可靠性是世界各国十分关注的问题。日本500千伏XLPE电缆的运行经验，对于500千伏系统中采用500千伏XLPE电缆起到了积极的推动作用。表2.4交联聚乙烯料的性能要求序号项目单位绝缘料半导电料1抗张强度N/mm2≥17.0≥12.02断裂伸长率％≥500≥1503热延伸试验（200℃，0.2N/mm2,15min）负荷下伸长率永久变形％％≤100≤10≤100≤104tgδ≤5.0×10-4—5体积电阻率23℃90℃Ω·cm≥1.0×1015—＜100＜3506短时工频击穿强度MV/m≥22—7凝胶含量％≥82≥658绝缘料杂质含量（100g样带）杂质颗粒尺寸＞0.075个0-22-哈尔滨理工大学学士学位论文500千伏XLPE电缆导体最高温度为90℃。同样对500千伏XLPE电缆进行系统设计与载流量计算，截面范围为800～2500平方毫米。绝缘料推荐采用超净的可交联聚乙烯料，其性能要求见表2.4。早在上世纪70年代初，人们就发现挤包绝缘电缆的绝缘击穿分散性很大，这是因为挤包电缆的绝缘是很不均匀的。绝缘中有杂质、微孔、和在生产中产生的焦烧、半导电屏蔽层的尖角或突起，以及在交联工艺中产生的热机械应力。特别是后者，交联绝缘可在很低的电压下击穿。即使是生产工艺很好的企业，由于生产中存在的微小差异，交联绝缘的分子结构就可分为结晶态、无定形态和两者过渡区之间的过渡态等到几个部分。结晶态的分子排列整齐，绝缘密度最高可达1g/cm3左右，有着很高的介电性能。而无定形态和过渡态的结构较为松弛，绝缘密度在交联温度下约为0.7~0.8g/cm3之间，介电强度就差多了。在电缆绝缘运行中还会产生水树、电树等新增加的因素更加影响其不均匀性。为了区分不同交联绝缘的电气性能，很多专家、学者都付出了毕生的精力，进行了交联绝缘的电树、水树和电气击穿的可靠性统计研究工作。如NKF的Kreuger，PIRELLI的Occhini，还有日本的Tanaka、Kaneko等都对绝缘的电树、水树，绝缘可靠性和威布尔数理统计等进行了大量的研究工作。早期威布尔的可靠性二元变量方程以及和尺寸参数有关的可靠性经典公式为：001exp[()()]abtERFtE\uf03d\uf02d\uf03d\uf02d（2-4）式中，R为可靠性方程；F为失效率方程；E,t为击穿电压和时间；E0,t0为威布尔统计中63%累计击穿概率下的电压和时间参数；a,b为击穿时间和击穿电压的分散系数。如果选用击穿电压一元变量进行考，公式(1)中，在给出同样概率下：1211211000(())bLrEEHLr\uf03d\uf0b4\uf0b4(2-5)式中，E2,E1为不同绝缘体积时的击穿电压；L1,L0,r1,r0为电缆绝缘体积的几何尺寸参数；H10为不同电缆长度L，不同半径r有关的系数，近-23-哈尔滨理工大学学士学位论文似取H10=1。和电缆绝缘体积(V)、绝缘厚度(d)和导体半径(r)的有关的方程，早于1975年就为日本的Kaneko推导出来了[29]：11212()bVEEV\uf03d(2-6)11212()bdEEd\uf03d(2-7)121210[()]brEEr\uf03d(2-8)上述公式说明了能采用的电场强度与该处的绝缘体积有关(即包括绝缘厚度和导体尺寸)[30]在挤包电缆的设计中，均应考虑到电缆可靠性和电缆绝缘尺寸的关系，如b值很小，则E2≈E1(r1/r2)2。在上世纪70年代，日本的挤包电缆均采用平均电场强度进行电缆绝缘设计，一直沿用至今。目前中高压交联电缆绝缘模型的b值约为10～20左右，即1/b≈0时，则E2≈E1，也就是说，在电压分散系数b值较大时，电缆绝缘厚度和导体尺寸等已显得不是最重要了。这种观点是不正确的，因为可靠性数理统计方法，一般可适用于绝缘设计的参考，但不能作为绝缘设计的依据，只有大量的研究试验数据和长期积累的运行经验，才能作为设计的依据。为此日本六大公司仍采用平均电场强度的设计方法进行绝缘-24-哈尔滨理工大学学士学位论文图2.6绝缘的击穿场强与电缆的结构尺寸及绝缘厚度的关系设计，日本通过大量的绝缘结构试验中发现，即使b值较大时，绝缘的击穿场强与电缆的结构尺寸及绝缘厚度仍有很大的关系，交联聚乙烯电缆的绝缘厚度和工频击穿电场强度的关系，如图2.6所示。从上图可见，电缆绝缘的电场强度随着电缆绝缘厚度的增加，将大为下降，在上世纪90年代初，日本六大公司都做了大量研究试验工作，得出了电场强度和电缆绝缘厚度的关系公式为[31]：0.18EAt\uf02d\uf03d(2-9)式中，E为电缆绝缘的电场强度；t为电缆绝缘厚度(mm)；A为电缆绝缘为1mm时的电场强度，取为A=78kV/mm。从公式(6)可见，绝缘厚度由25mm增加到35mm时，即绝缘厚度增加了40%，可是设计场强的改善只有5%。截面较小的电缆由于导体表面电场强度大，希望绝缘厚度厚一些，同时截面大的电缆绝缘，为了要减小电缆绝缘表面电场强度(使电缆附件的电场小一些)，也要求电缆绝缘厚度厚一些，为此日本的500kV电缆选用了一种规格的绝缘厚度，在绝缘内层和绝缘外层的电场都考虑到了，生产和使用也均较为方便。2.3.4超高压电缆的屏蔽层在中、高压电力电缆生产过程中，由于制造工艺的原因，不可避免地在导体的外表面存在尖端或突起，这些尖端或突起处的电场非常高，将会导致导体尖端或突起处绝缘的交流击穿场强降低。众所周知，高的电场必然导致尖端或突起向绝缘中注入空间电荷。根据最新的研究成果注入的空间电荷将引起绝缘的电树枝化或水树枝化。而绝缘的外表面和金属屏蔽之间不可避免地存在空气间隙，在电场作用下会引发间隙放电。为了缓和电缆内部的电场集中，改善绝缘层内外表面电场应力分布提高电缆的电气强度，要求在导电线芯和绝缘层、绝缘层和金属屏蔽层之间分别加有一层半导电屏蔽层，称为导体屏蔽层和绝缘屏蔽层。国内外学者研究表明[32]，控制半导电屏蔽层性能是改善电缆运行特性、提高电缆运行寿命的重要技术措施。-25-哈尔滨理工大学学士学位论文半导电材料的导电机理比较复杂，一般认为，半导电层的导电的载流子有两类：一类是电子或空穴，另一类是离子。电子电导的过程是电子在导电网络中通过导带传导，而在各导电网络之间由于存在绝缘的阻隔，因此导电网络之间的电导是通过隧道效应实现的；离子电导是通过离子在势垒间受热作用发生跃迁而实现的。在温度较低时，从室温到电阻达到最大值时的这段温度区域，虽然电导是由电子电导和离子电导构成，但是由于温度相对较低，离子受热的作用而发生跃迁的几率较小，所以以电子电导为主。在这段温度区域，随着温度升高，导电网络之间的距离增大，电导降低。当温度从最大电阻值开始继续升温此时温度较高，离子受热作用，活化能增大，有更多的离子参与电导，载流子浓度变大，所以电导变大。这就导致屏蔽电阻先随温度的升高而增大，后随温度的升高而减小的现象[33]。伴随我国国民经济的飞速发展，电力的需求越来越大，同时也极大地带动了高压输变电的发展。目前，国内110kV及以上高压交联电缆的需求量都急剧增加，我国也引进了220kV以及500kV高压超高压电。物料在机头中的流动如图2.7所示。图2.7三层共挤机头物料流动示意图缆的生产线，而解决影响其产品质量的工艺设计、生产制造等技术难题就迫在眉睫。由于国内建造立塔的费用在整个生产线所占的比例远远低于国外，所以国内的高压超高压电缆生产线大多采用立式交联生产线，-26-哈尔滨理工大学学士学位论文它能大大降低电缆绝缘及内外屏蔽的偏心，提高电缆品质。同时，为了减少灰尘及杂质进入电缆内部，使内外屏蔽层及绝缘层三层紧密结合，提高电缆产品的局放和击穿水平，都不约而同地采用三层共挤机头[34]。三种物料——内屏蔽料、绝缘料、外屏蔽料在各自的流道汇流到导体表面，形成对电缆导体的包覆。如果存在缺陷会导致绝缘内的场强分布不均，局部出现场强集中，从而导致电缆寿命缩短、绝缘直接击穿。2.3.5超高压电缆的缓冲层在高压与超高压单芯电缆的金属护套与电缆缆芯之间均有缓冲层。缓冲层具有半导电特性，能有效缓冲、弱化电场强度，并有效缓冲电缆绝缘与金属层，防止损伤绝缘。电缆如有纵向阻水要求，缓冲层绕包带还应具有吸水膨胀性能，一般是采用聚酯纤维编织布与遇水可迅速膨胀的聚丙烯酸脂吸水膨胀粉复合而成。其阻水机理是，当水分从电缆端头或是从护套缺陷中进入后，这种膨胀粉就会遇水迅速膨胀，阻止水分沿电缆纵向进一步扩散，这样就实现了电缆纵向阻水的目的[35]。研究表明，具有不同结构与材料的缓冲层，对电缆本体的热阻有显著影响，也对电缆载流量有着很大的影响。作为电缆本体重要的一部分，它的存在必将对电缆本体性能产生影响。有学者对缓冲层的绕包带对电缆局部放电特性的影响开展过研究图2.8500kV电缆的纵向剖面图发现半导电带的半导电特性以及金属护套与半导电绕包带之间的间隙对于电缆的局部放电特性有重要的影响。-27-哈尔滨理工大学学士学位论文典型的500kV电缆的纵向剖面见图2.8。图中金属护套与电缆绝缘屏蔽之间由两层构成。一层为绕包带，另外一层为绕包带与金属铝套之间的气隙。缓冲层由绕包层和气隙共同组成。对于电缆的不同功能要求，绕包带材料可以采用金属化布(简称金布)、无纺布，还可以采用半导电橡胶。带有阻水功能的阻水带可以分为单面半导电阻水带和双面半导电阻水带。对几种典型的绕包带材料进行了热阻系数测试，结果见表2.5：由表2.5可以看出，阻水带材料的热阻系数在11.0Km/W左右，表2.5常用缓冲材料的热阻材料名热阻系数/（K·m/W）单面半导电阻水带10.8双面半导电阻水带11.3半导电缓冲阻水带10.5半导电橡胶缓冲带3.0远高于所用聚酯纤维编织带的热阻系数3～7K·m/W，分析其原因主要在于阻水带的结构特性。上表中的半导电阻水带材料的热阻系数，实际上是聚酯纤维、空气的混合热阻系数。阻水带中含有大量静止空气，静止空气的热阻系数约为40K·m/W，比聚酯纤维约高一个数量级，因此，阻水带的热阻系数很大程度上取决于纤维层中所含空气的状态和数量。在空气不流动时，纤维层中所保持的空气越多，材料的热阻系数越大。其次是厚度较大，造成电缆的缓冲层热阻明显偏大。当采用合适的工艺和材料，适当优化绕包带结构，减少绕包带的厚度和气隙总含量，能起到降低绕包带热阻系数、加强电缆的散热的作用。2.3.6超高压电缆的金属护套挤出工艺改革开放以来，电力电缆的应用日益广泛。到目前为止，110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆(以下简称交联电缆)已经基本国产化，220kV交联电缆50%以上也采用了国内产品。多年来，无论是电缆用户还是制造商，对于电缆的结构和性能，都积累了相当丰富的宝贵经验。高压、超-28-哈尔滨理工大学学士学位论文高压交联电缆的防水问题越来越引起人们的关注，为根本隔绝潮气、水分从电缆护套进入绝缘，以防止引起水树，500千伏XLPE电缆必须采用金属套。电站要求电缆敷设落差达130米，由于铅套强度较低，不宜采用铅套XLPE电缆。皱纹不锈钢套具有较大的电阻，当金属有较高的短路电流通流要求时，皱纹不锈钢套下尚需有附加载流导体。因此，对于电站用高落差500千伏XLPE电缆应考虑采用皱纹铝套结构。高压、超高压电力电缆金属护套按原材料不同可分为皱纹铝套、铅套、皱纹铜套、皱纹不锈钢套，按生产工艺的不同可分为纵包焊接金属套、挤包金属套和综合护套。纵包焊接金属套包括纵包焊接皱纹铝套、纵包焊接皱纹铜套和纵包焊接皱纹不锈钢套；挤包金属套包括挤包皱纹铝套和挤包铅套；综合护套是指铝/塑复合带纵包与聚乙烯粘结结构。由于铅的密度大，铅包层重量约占电缆总重的40%～50%，使得电缆的重量大大增加，而铅的资源稀少且有毒，不利于环保[36]，因此，目前国内很少采用铅作为电缆的金属护套，一般只有海底电缆和传统的充油油纸绝缘电力电缆采用铅套结构。欧洲发达国家对电缆结构的设计与我们有很大差异，他们通常采用铝—塑复合带纵包与聚乙烯粘结护层作为高压、超高压交联电缆的径向防水层。这种类型的电缆结构紧密，工艺简单，一般无需在径向防水层下面设置纵向防水结构，但是由于铝/塑复合带纵包热风焊接存在一个重叠的焊缝，国内的电缆用户不易接受这种结构。铜套和不锈钢套在国内很少应用，国际上只有美国、日本等少数国家具有一定的生产规模和较成熟的生产经验。在国内大量使用的高压、超高压交联电缆大多采用皱纹铝套。皱纹铝套具有如下几个优点：(1)铝资源丰富，占地壳重量的7.58%，在金属元素中居第一位；(2)铝的密度小，可使电缆的重量大大减轻，有利于电缆的制造和安装；(3)铝的机械强度比铅大得多，皱纹铝套用铝的抗拉强度为68MPa，是铅的6倍(铅套的抗拉强度为11MPa)，因此，皱纹铝套的机械抗压性能很好，采用皱纹铝套作为交联电缆的径向防水层还可以免去铠装结构；-29-哈尔滨理工大学学士学位论文(4)铝的导电性能优良，在金属元素中铝的导电率仅次于银、铜、金居第四位。因此，金属套损耗也相对比较小，而且皱纹铝套的散热性好使电缆的载流量大大增加。皱纹铝套还能够承受相当大的短路电流，该结构电缆一般无需设置铜丝屏蔽，大大降低了电缆的制造成本。皱纹铝套也有相应的缺点：(1)铝元素比较活泼，容易出现电化腐蚀，一般皱纹铝套的表面需要涂覆一层电缆沥青或热熔胶作为防腐层，或者采用表面钝化处理。(2)由于铝容易氧化生成Al2O3薄膜，而这层薄膜的熔点在2000°C以上，且比铝轻，造成焊接困难，因此皱纹铝套电缆接头相对比较困难一些。(3)铝的线性膨胀系数(2.4×10－5℃－1)约为交联聚乙烯(2.2×10－4°C－1)的1/10，皱纹铝套内必须留有足够的间隙来吸收绝缘膨胀，以免绝缘膨胀后在绝缘表面留下波纹的凹痕。因此，一般都在皱纹铝套下面设置一层纵向防水层(缓冲层)来弥补这一缺陷。基于皱纹铝套机械强度高、导电性能好、密度小等优点，国内用户很喜欢使用该类型的电缆，因此，皱纹铝套电力电缆在国内得到了长足的发展。目前，皱纹铝套的被覆存在两种成熟工艺———挤包工艺和纵包焊接工艺。这两种工艺在国内平行发展，在市场竞争中也是相互争论的焦点，下面就这两种工艺的特点和各自的优缺点做详细描述。图2.9卧式压铝机主体示意图1—液压缸2—活塞3—压芯4—模套5—模芯6—电缆7—铝层-30-哈尔滨理工大学学士学位论文挤包皱纹铝套是在液力活塞压铝机上进行的，压铝机可分为两大类型：卧式压铝机和立式压铝机。两种压铝机工作原理都是间歇式的，由于活塞的往复运动，挤压出来的铝管随着供料间歇而呈非连续状态。挤包皱纹铝套是将铝锭在压铝机盛铝筒内加热到510°C左右，通过活塞推动压芯，将半固态铝通过模具形成铝管，然后冷却，再经过轧纹形成皱纹铝套[37]。两种压铝机的设备组成见图2.9和图2.10。图2.9为卧式压铝机的主体示意图。铝套是由两个压芯所挤压的两路铝流而形成的，两路铝流合并，就在铝套上部和下部形成两条沿电缆的纵向接缝。图2.10立式压铝机主体示意图1—液压缸2—活塞3—压芯4—盛铝筒5—铝6—模具座为了使接缝吻合，必须保证铝非常纯净。如果氧化铝等杂质进入接缝中，将会造成接缝断开。由于氧化铝密度比铝小，通常浮在上面，因此上面的接缝容易断开。为了保证铝层均匀，卧式压铝机的两个活塞必须严格同步，所以卧式压铝机的结构非常复杂。图2为立式压铝机的主体示意图。立式压铝机的特点是在模具座工作室里面的铝只从上面受到压力，所得到的铝套只在下面有一条接缝。另外，氧化铝等杂质浮在盛铝筒的表面，很-31-哈尔滨理工大学学士学位论文容易被清除。很显然，立式压铝机的性能比卧式压铝机优越得多。但是由于立式压铝机中的铝受的是单向压力，造成模芯和模套之间环形孔四周的压力不均匀，影响铝层厚度的均匀性，需在模套前加设均压环来补偿不均匀压力。铝的熔点658℃，如果采用液态挤压将会使压铝机的盛铝筒、模具座等部件寿命降低，通常采用半熔态挤压。但是，为了保证挤压成形，尽量降低挤出压力，压铝时压铝机的盛铝筒和模具的温度在510°C左右，此时压铝机的压杆上的压强850～900kPa。因此，压铝机的挤压系统不仅要耐受高温，还要有很高的机械强度。挤包铝套最大的弊病就是容易烫伤绝缘线芯，为了防止烫伤，需要在模芯内加装冷却水套。即便如此，绝缘线芯也不能够长时间停留在模芯内。绝缘线芯在模芯内停留时间不超过40s是安全的，如果出现意外停机，应将绝缘线芯及时绕到电缆盘上，避免因停留时间过长而烫伤绝缘。纵包焊接皱纹铝套是采用压延轧制的铝板经过剪边、纵包、氩气保护焊接、冷却、轧纹，形成皱纹铝套，见图2.11：图2.11铝纵包设备主体示意图1—切边机2—夹持器3—成型辊4—成型模5—氩气保护焊枪6—承线模纵包焊接皱纹铝套的原材料是经过压延轧制的铝板，铝板厚度均匀、内部晶格排列整齐，纵包焊接皱纹铝套具有很好的机械性能，不存在变形现象。该工艺最引人关注的是焊缝质量，欧美发达国家大力发展纵包焊接皱纹金属套设备主要是改进焊接工艺，目前国内的氩气保护焊接(简称氩弧焊)技术已经相当成熟，而且各厂家都在不断地更新换代，相继出现了双焊枪焊接、多焊枪焊接和激光焊枪焊接等新型焊接技术，-32-哈尔滨理工大学学士学位论文焊缝质量已经有了强有力的保证。通过试验证明焊接时绝缘线芯表面温度最高仅仅69°C，不存在烫伤绝缘的现象。皱纹铝套挤包工艺和纵包焊接工艺在我国平行发展，都有各自的特点，因此成了各生产厂家相互争论的焦点。从高压、超高压交联电缆的电性能来看，两种工艺没有任何区别，均能满足产品要求。挤包皱纹铝套在压铝机上进行，压铝机无论是卧式还是立式，其工作原理都是间歇式的。如果铝锭和铝锭之间的界面处理不好，将会出现夹杂、气孔等现象，严重的会造成横向断裂。卧式压铝机出来的铝管存在上下两个合缝，立式压机铝出来的铝管存在一个合缝，在生产时应严格控制模具温度(一般不能低于500°C)，并保证铝锭纯度。一旦有杂质混入或有氧气侵入形成氧化铝，铝套的合缝很容易裂开，将会严重影响产品质量。此外，挤包铝套时不能让绝缘线芯在压铝机内长时间停留，意外停车时应立即将绝缘线芯绕到盘具上，避免烫伤绝缘。纵包焊接工艺简单能耗小是其最大特点，焊缝质量的稳定是各生产厂家应该关注的问题。虽然目前国内的焊接技术已经成熟，但是对铝板、氩气等原材料的质量应严格加以控制。无论是挤包皱纹铝套还是纵包焊接皱纹铝套，都应在生产线上加装在线探伤监测装置，实时监控铝套的挤包或纵包质量。我国正在建设节约型社会，走可持续发展道路，因此纵包焊接皱纹铝套工艺是我们国家高压、超高压电缆领域今后的发展方向。2.3.7超高压电缆的护层早期电缆的护层绝缘是由塑料带沥青藻皮绕包的，其绝缘水平为工频耐压10kV/min不击穿，雷电冲击耐压为1.2/50微妙550kv，士10次不击穿。这种护层绝缘结构水分容易浸入，工频耐压水平降低很多。80年代后期，我国开始试制500kV30m落差的充油电缆和110kV交联聚乙烯电缆。500kV电缆护层绝缘采用PVC挤塑型，其绝缘水平为工频耐压15kVlmin和雷电冲击1.2/50微妙72.5kV，士10次不击穿。电缆护层绝缘保护器，70年代后期曾采用压敏电阻，利用避雷器放电记录器改装而成，其通流能力可达6.6kA，一片的工频耐压25大于1kV，10kA下残压小于3kV。80年代先后用碳化硅阀片、氧化锌阀片并由国内电瓷所研制定型生产电缆护层绝缘保护器，其特性很好，最-33-哈尔滨理工大学学士学位论文大通流容量可达8/20微秒20kA，残压小于15kV，2ms方波通流可达400~600A·2s工频耐压10kV不击穿。至此，500kV及以下电缆护层绝缘保护器，已定型生产，能满足电缆护层绝缘的技术要求。单芯电缆其金属护层只能一端接地，另一端通过护层绝缘保护器接地，以避免电缆金属护层流过环流，但是电缆在通过工频短路或雷电冲击电流时，护层不接地端将产生很高的工频过电压，尤其是冲击过电压。电缆在雷电冲击波作用下，金属护层不接地端出现的冲击过电压，其值与通过电缆芯线的冲击电流有关，由于电缆的波阻抗很小，一般为22~25Q，冲击电流值可达十几千安。对于500kV电缆，不接地端出现的冲击过电压可高达1253kV，护层绝缘一定损坏，造成护层多点接地，引起环流损耗，限制了电缆的载流量。因此，不接地端必须装护层绝缘过电压保护器，限制冲击过电压。系统发生对称或不对称短路时，其短路电流可达几十千安，金属护层上出现的感应电势可高达十几千伏，此电压作用在护层绝缘和保护器上，会危及其安全。试验研究和工程实践确认：在每回电缆三相之间，相间距离按“三七”比例分开处(以后称“三七”开)布置敷设回流电缆，并在每回电缆的中点换位，如图2.12所示：图2.12回路电缆“三七”开布置图-34-哈尔滨理工大学学士学位论文电缆正常运行时，回流电缆两端的感应电势接近于零。当A相电缆通过单相接地短路电流，并经回流电缆返回主变中心点时，由于反相电流有很强的去磁作用，在电缆金属护层与回流电缆构成的回路中，感应电势减小很多。“三七”开布置回流电缆，使A、B、C各相与回流电缆的几何均距相接近，各相电缆的工频短路过电压也较相近，使护层绝缘水平和保护器参数的选择更为合理。但“三七”开布置对三相对称短路，会使电缆护层感应电压升高应引起注意。2.3.8超高压电缆的阻水电缆有金属护套、铝塑聚乙烯护套、以及聚乙烯和聚氯乙烯护套，它们的径向阻水性能按上述先后次序逐步下降，尽管聚乙烯径向的阻水性能不如前两者，但仍优于聚氯乙烯，因此也可作为电缆护套，这要视具体的使用环境及要求和经济性综合考虑而选定。交联聚乙烯绝缘电力电缆(以下简称交联电缆)，由于具有优良的电气性能和机械物理性能，且生产工艺简单、结构轻便、传输容量大、安装敷设及维护保养方便、不受落差限制等优点，已广泛受到用户欢迎，特别是随着我国国民经济的快速发展，基础建设的不断深入，电力需求急剧增加，交联聚乙烯绝缘电力电缆产品用量也逐年大幅度的增加。但是交联聚乙烯绝缘老化程度受到树枝放电，即水树和电树的影响，从而也影响其使用寿命，降低绝缘水分含量是提高交联聚乙烯绝缘电力电缆使用寿命的方法之一，特别是随着电压等级的提高，电缆阻水性能也就越来越重要[38]。水树是由于水分渗入交联聚乙烯绝缘，在电场作用下形成的树枝状物，其特点是引发树枝的空隙含有水分，且在较低的场强下发生。水树的产生，将会造成绝缘介质损耗增加，同时降低绝缘电阻及绝缘击穿电压，加快绝缘老化速度，缩短电缆使用寿命。水树的产生既有其内在原因也有其外在原因，内在原因是电缆绝缘本身的质量，即绝缘内部含有杂质、气泡、残留微水分；外在原因是电场及电缆内部的潮气的渗入。内在原因可以通过检测并控制绝缘材料及其加工艺的质量，而外在原因可在使用过程中加以防止。水树生长机理一般可分为剩余应变使水树枝增长，或电场下的化学势作用而发展-35-哈尔滨理工大学学士学位论文的水树、电泳与扩散力理论。剩余应变使水树枝增长是在电缆经受电压和水的作用下，导致绝缘内应变逐渐增加而产生的，这主要是由于间隙内的水分因损耗发热而产生的热膨胀力和电致伸缩力而导致的；电场下的化学势作用而发展的水树主要是因为电缆进水，导致绝缘浸泡在水中，并在运行电场的作用下，水分子逐渐绝缘中存在的含水杂质在运行电场作用下，形成间隙扩大和发展而形成水树枝。虽然水树枝不会直接导致绝缘的击穿，但水树枝在直流电压下或经过长时间氧化、转化，也会迅速转变为电树枝，并形成放电，致使水树、电树同时作用，加速绝缘劣化，这一点往往被忽视，因此必须重视电缆阻水性能，特别是当电缆在运行过程中长期浸泡在水中或处于潮湿环境时，如果没有很好的阻水结构或措施，那么电缆极容易导致绝缘因水树而产生老化，从而造成绝缘性能下降，大大缩短电缆的使用寿命。所以敷设在有水或潮湿环境中的电缆，特别是中高压电缆都要求电缆具有阻水结构[39]。随着交联电缆使用的普通，对交联电缆绝缘状况检测的研究也越来越重视，针对交联电缆的特点，在实际应用中，一般采用损耗电流谐波分量法来进行水树老化状态的测量。谐波分量法的原理是根据水树引起老化的交联聚乙烯绝缘电缆会在损耗电流中产生谐波分量来检测电缆的绝缘状况。研究表明，在水树枝老化的情况下，绝缘的电导会呈现出非线性特征，在交流电压作用下，损耗电流将出现谐波分量，因此，谐波分量能很好的表征电缆的老化情况，伴随着电缆老化程度的加深，损耗电流畸变状况就会越来越强，所含有的谐波分量也就越来越大，利用检测到的损耗电流的谐波分量就能够提供更多的水树枝的老化信息。电缆渗水途径通常可分为两种类型：沿着电缆导体和缆芯纵向(或轴向)渗水；沿着电缆径向(或横向)透过护套渗水。因此，要使电缆达到阻水的目的，可以分为以下三个层次措施和结构来达到阻水的目的：(1)采用阻水型导体。在绞合紧压导体时添加阻水绳、阻水纱或绕包阻水带。(2)采用阻水型的缆芯。在缆芯成缆工艺中，填充阻水纱绳及绕包半导电阻水带或绝缘阻水带。-36-哈尔滨理工大学学士学位论文(3)采用结构致密的不透水(气)的护套。通常采用金属护套或铝塑复合带纵包的复合护套。不宜采用单一的塑料护套。因为聚乙烯绝缘聚乙烯(或聚氯乙烯)护套的通信电缆经长期实践运行经验，证实塑料护套通信电缆在地下敷设时，尽管护套完好，水分或水气仍然会通过塑料护套渗入到电缆的缆芯中，造成电缆传输性能的恶化，由此开发和应用了铝塑综合护层，又称LAP护层。如图2.13和图2.14分别为阻水型单芯中压电缆和阻水型单芯高压电缆的结构[40]。它们的阻水机理是：当外力作用下，电缆损坏或护套破损时，水分或潮气会沿着电缆的导电线芯和缆芯纵向渗入，并被含有吸水膨胀粉沫的阻水带、阻水纱或阻水绕包带吸收、膨胀，最终阻塞了渗水通道，终止水或水气进一步扩散和延伸，避免了整根电缆的报废，只需修复或更换部分的渗水电缆，可大幅度节约维修费用，缩短维修时间，减少停电损失。电缆径向阻水的最佳选择是，中压电缆通常采用铝塑复合综合护层，通过铝塑复合带的纵包熔接聚乙烯护套的挤包，靠复合带的铝带和聚乙烯护套达到阻水的目的。其阻水的机理：当挤包聚乙烯护套时，由于聚乙烯融体的高温及压力的作用下，铝塑复合带表面的聚乙烯薄膜与聚乙烯护套的内表面能很好地粘结；也使铝塑复合带纵包的搭盖之间获得了良好的粘结。因此，使水分(气)渗入电缆的途径被完全的堵塞，起到优良的阻水作用。但是这种方式的缺陷是熔接可靠性较差又无法准确检测聚乙烯薄膜的熔接及损坏的程度。而高压电缆则采用金属护套，使电缆达到彻底的径向阻水，因为金属护套的最大特点是具有完全的不透气性。金属护套的种类很多，主要有热挤压的铝或铅护套冷拔的金属套，-37-哈尔滨理工大学学士学位论文图2.13阻水型单芯中压电缆结构1—阻水导体2—导体屏蔽3—绝缘4—绝缘屏蔽5—半导电阻水带6—铜丝屏蔽7—阻水带8—铝塑复合带9—聚乙烯外护层图2.14阻水型单芯高压电缆的结构1—阻水导体2—半导电带3—导体屏蔽4—绝缘5—绝缘屏蔽6—半导电阻水带7—金属护套8—防腐层9—聚乙烯外护层（含半导电层）-38-哈尔滨理工大学学士学位论文以及纵包氩弧焊并轧纹的皱纹铝或钢护套。目前较多的采用纵包氩弧焊并轧纹的皱纹铝护套或热挤压并轧纹的皱纹铝护套。在护套外通常还要挤包聚乙烯或聚氯乙烯外护套。应该说，聚乙烯的阻水性能优于聚氯乙烯，但采用金属护套后也可采用聚氯乙烯，这并不影响电缆径向的阻水特性。阻水型电力电缆通常运用于较为苛刻的运行环境，如长期浸在水中、排水不畅的含水环境，以及雨季频繁的热带或亚热带地区，特别是用于江湖、沼泽等水下敷设环境对于电缆阻水试验方法，目前只有电缆纵向阻水性能试验方法及其国家标准，即按GB/T12706.2-2002附录D、GB/T11017.1-2002附录C、GB/Z18890.1-2002附录C等阻水试验的方法来进行试验和判定；而电缆径向阻水性能，目前还没有明确的试验方法以及试验标准，主要是通过间接的方法进行，如金属护套电缆径向阻水试验是通过气密性试验，即静置一段时间或浸水，靠压力变化或气泡来判定其径向阻水效果；同时检查聚乙烯非金属护套是否有缺陷，如被确定为完好的，即认为电缆具有良好的径向阻水性能。但这种方法仅对金属护套有用，却无法检测铝塑复合综合护层的径向阻水效果。因此希望国家标准制定部门应探讨制定相应的测试标准或方法，同时制造厂家也应进行相应的探讨与尝试。2.4本章小结本章介绍了充油电缆和XLPE电缆在超高压方面应用，对充油电缆和XLPE电缆进行了对比，分析了各自的优缺点。了解到XLPE电缆在应用方面具有很大的优势。给出了500kV电缆的典型结构，对铜铝导体进行了综合对比，超高压应选用铜作为电缆的导体，并简述了分割导体的作用及集中分割方式。概述了XLPE绝缘应满足的性能需求，绝缘挤包时应注意问题。对超高压电缆的屏蔽层、缓冲层、金属护套及护套的选择、工艺、性能和作用进行了介绍，并简述了超高压阻水的相关知识-39-哈尔滨理工大学学士学位论文第3章电缆的电气参数计算3.1电缆载流量计算的必要性在城市电网建设中，由于美观、占地少、安全可靠等等原因，电力电缆逐渐取代架空线成为电力传输的主要方式，城市电缆率水平正在成为衡量电网技术水平的重要标志。尤其进入二十一世纪以来，随着我国经济的高速发展，全社会用电量持续增加，统计数据显示2006年用电量为29368亿千瓦时，到2009年用电量已经达到36430亿千瓦时，增长了24%。为了满足城市密集地区不断增长的电力需求，往往需要敷设新的高电压等级、大截面电缆输送电能。以北京地区为例，截止2009年6月底，共有220kV电缆线路74路，单线长615公里；110kV电缆线路616路，单线长2148公里，电力隧道572公里。但由于城市规划、地下空间有限、以及投资大等原因，敷设新线路解决的输送容量有限。而投入运行的电缆线路为了保证使用寿命和安全，往往低负荷运行，导致传输能力浪费，十分不经济。并且电缆的额定载流量是在假设运行环境最恶劣时计算得到的，其值偏小，造成电缆的利用率较低。导体温度与载流量计算可以根据电缆周围环境因素（温度）与负荷的变化计算其导体温度及所能承受的最大电流，指导调度实时调整输送功率，提高现有电缆的负荷率。由于电流流过导体线芯，引起线芯焦耳损耗、主绝缘介质损耗以及金属护套损耗等，造成电缆温度升高。导体温度监测实际上是监测与线芯直接相连的电缆主绝缘的最大温度。当电缆绝缘温度过高时将加速老化、缩短电缆使用寿命，甚至是发生击穿事故，因此绝缘所允许的运行温度都有明确的规定。通常电缆持续工作时，纸绝缘所允许的温度为65℃~80℃；热塑性材料（如聚氯乙烯、聚乙烯）在75℃以上时由于分子长链之间的自由移动变得更容易，其机械强度变低；而热固性绝缘材料（如交联聚乙烯、聚丙乙烯）通过分子之间的交联，具有更好的机械和耐热性能，其持续工作允许的最大温度为-40-哈尔滨理工大学学士学位论文90℃[41]。相关研究表明，当交联聚乙烯电缆工作温度超过其允许值的8%时，寿命将减半；如果工作温度超过15%，电缆寿命将只剩下1/4[42]。电缆的载流量是指电缆运行期间，不超过正常额定温度条件下，所能承载的最大电流。即电缆载流量研究的是在给定导体最大运行温度的基础上，计算导体允许通过的最大电流。3.2载流量计算的基本原理目前，XLPE电缆以其优良的机械、电气等性能被广泛使用在城市输配电网中，尤其北京、上海、广州等负荷需求大的城市正在发展220kV以及500kV的高电压等级XLPE电缆，为保证整个电力系统的安全运行、打造坚强电力网，电缆运行状态监测技术变得越来越重要。导体温度监测与载流量计算系统可以通过监测高压电缆的表面温度间接地了解电缆运行情况。电缆不论是过负荷运行还是运行环境发生变化或者是电缆线路本身绝缘故障（如主绝缘局部放电或者外护套接地故障等）都将引起电缆表面温度的变化，检测电缆表面温度可以及时发现电缆异常情况，采取措施，避免事故发生。电缆导体温度与载流量计算的基本原理是通过对电缆在运行过程中导体线芯的焦耳损耗、绝缘的介质损耗、金属护套的涡流损耗以及环流损耗等热源进行计算，然后考察电缆的结构参数、金属护套接地方式以及敷设环境条件等因素，建立热学方程，计算当电缆内外达到热平衡时导体线芯温度，进而考察在电缆线芯温度不超过绝缘材料所能耐受温度时所允许通过的最大电流，即电缆的载流量。因此电缆的导体温度与载流量有着密不可分的关系，计算载流量实际上是对电缆产热以及传热能力的分析。关于导体温度及载流量计算的研究最早可以追溯到上世纪30年代。在此基础上，1957年10月J.H.Neher与M.H.McGrath两位学者根据热学欧姆定律与基尔霍夫定律提出了基于热路模型计算导体温度与载流量的方法，给出了不同环境中（直埋、排管以及空气）敷设电缆的热阻、热损耗计算公式，并考虑了外热源、回填土、太阳辐射及强迫冷却的影响，奠定了近代导体温度与载流量公式计算的理论基础。此后，经过对该方法的改进，国际电工委员会（IEC）分别于1982-41-哈尔滨理工大学学士学位论文年、1985年制定了电缆额定载流量计算标准（IEC60287）与电缆周期载流量和应急载流量计算标准（IEC60853）。电力电缆在运行过程中，由于线芯电流引起绝缘层、金属屏蔽层和铠装层损耗发热，使电缆各部分的工作温度升高，电缆在过高温度下工作，将会导致绝缘材料加速老化，缩短了电缆的寿命。根据运行中的经验，规定了电缆所允许的长期和短期最高工作温度。由此电缆的载流量实际可分为三种：(1)长期运行持续额定电流(Continuouscurrentrating，对交联聚乙烯(XLPE)其载流量对应于电缆线芯温度达90°C时的稳态工作电流)；(2)瞬时短路电流(Momentaryshort-circuitcurrent，XLPE绝缘电缆短路时允许最高工作温度达150°C，最常持续时间不超过5s[43]；(3)短时允许过载电流(Short-timethermalrating，XLPE绝缘电缆超载时允许的最高工作温度达130°C，时限100h，不得超过5次[44]。电力电缆的载流量是电缆运行中受环境条件和负荷影响的重要动态参数，其重要性涉及到输电线路的安全可靠、经济合理的运行以及电缆寿命问题。电缆的载流量偏大，会造成缆芯工作温度超过允许值，绝缘的寿命就会比预期值缩短；载流量偏小，则电缆芯铜材或铝材就不能得到充分的利用，导致不必要的浪费[45，46]。电力电缆载流量的确定是一个困难和繁琐的问题，特别是对于运行条件复杂的场合，如大量的直埋敷设及排管敷设的情况。随着城市的发展，这些敷设方式的应用越来越广泛，且电缆敷设的密集程度也越来越高，运行的环境也变得更加复杂。目前，电力电缆载流量的确定有解析计算、数值计算和试验等三种方法，而试验的方法往往存在成本大周期长、通用性差等问题。3.3稳态载流量的计算原理IEC60287标准电缆载导体温度及载流量计算公式是依据电缆稳态运行时所形成的热物理温度场，建立微分方程求解而得。不同敷设方式下的电缆导体温度及载流量计算公式有所不同。本文主要介绍单芯XLPE电缆的稳态载流量计算方法，其热网路模型如图3.3所示。图中T1、T3、T4分别表示单位长度的电缆绝缘层热阻、外护层热阻以及外部环-42-哈尔滨理工大学学士学位论文境热阻；Wc、Wd、Ws分别为单位长度的导体焦耳损耗、绝缘介质损耗以及金属护套损耗；θc、θs、θa分别为导体线芯温度、电缆外护套表面温度以及周围环境温度。图3.1单芯电缆稳态载流量计算等效热网络图根据该热网络图可以得出电缆的导体温度与载流量计算公式。即：11()[(12cacdcWWTW\uf071\uf071\uf06c\uf02d\uf03d\uf02b\uf02b\uf02b（3-1）11342341()2[](1)()cadWTTTIRTRTT\uf071\uf071\uf06c\uf02d\uf02d\uf02b\uf02b\uf03d\uf02b\uf02b\uf02b（3-2）式中λ为电缆金属护套损耗与导体焦耳损耗的比值。由于外部环境热阻T4计算较为复杂，而且受环境影响较大，因此本设计利用电缆表面温度、实时负荷电流计算导体线芯温度，同时考虑到温度对导体线芯、金属护套等电阻的影响，在计算过程中引入迭代算法。由于避免使用T4，而使导体线芯温度的计算可以不受电缆敷设环境的影响，并且计算结果与IEC60287标准方法相比更加准确，其计算公式如下式所示：131()[(1)]2cscdcdWWTWWT\uf071\uf071\uf06c\uf02d\uf03d\uf02b\uf02b\uf02b\uf02b（3-3）在计算电缆载流量时，由公式可知其影响因素主要有以下三个：1.电缆的结构材料参数（如导体交流电阻、绝缘材料导热系数等等）；2.金属护套接地方式（交叉互联接地、单端接地或者两端接地）；3.现场敷设环境（如环境温度、外部热源以及其他电缆的影响等等）。-43-哈尔滨理工大学学士学位论文对于已经敷设运行的电缆，因为其结构材料参数、金属护套接地方式已经确定，因此只有周围敷设环境（主要是环境温度）影响载流量的大小。3.3.1电缆的几种敷设方式电力电缆的载流量因受敷设方式、运行条件和周围环境等因素的影响而不易确定，准确计算各种复杂条件下电缆的载流量，对确保电缆的安全、经济运行具有重要的意义。目前XLPE绝缘电缆在城市配网中的敷设方式主要有直埋敷设、排管敷设、沟道敷设以及隧道敷设四种[47]。对于由单芯高压电缆组成的三相线路，其典型的直埋方式有三种，如图3.1所示，其中：(a)为三角形敷设，(b)为平行接触敷设，(c)为平行非接触敷设。另外当需要穿过街道墙壁或者其他较短的不利环境区段时，通常将电缆放置在料管或者钢管中。该敷设方式施工简单，维护量小，但是电缆散热性能较差，发生故障不易于处理。(a)(b)(c)图3.2典型的直埋方式电缆排管敷设时应将几根放置在水泥管或者塑料管中的电缆按照一定的次序摆放在一起并在电缆管外面浇灌混凝土，再在混凝土之上覆土，如图3.2所示。其优点是可以有效地防止外力对电缆的破坏，以及生物的啃噬，但由于电缆放置在混凝土保护层中，散热条件较直埋敷设更差，额定载流量更低，并且很难检测其运行状态，一旦出现绝缘击穿等故障时，很难修复。-44-哈尔滨理工大学学士学位论文图3.3电缆排管敷设城区，当需要敷设的线路较多或者对载流量要求较高的情况下往往采用电缆沟或者隧道敷设。电缆沟道敷设施工量相对较大，但散热条件较好，有利于提高载流量，适合中低压电缆敷设要求。隧道敷设有利于大量电缆的汇集在一起集中管理，可以有效地防止外力破坏，巡检方便，特别适用于需要重点维护的高电压等级电缆，但防火要求较高。另外单芯高压电缆敷设在隧道中时，通常以三角形、平行或者垂直方式固定在靠墙的支架上。直埋与排管电缆因其敷设在土壤中，环境热特性稳定，其传热方式主要是热传导，计算相对简单。而敷设在沟道或者隧道中时，电缆热辐射、空气对流以及强迫通风等均对电缆温度产生影响运行环境比较复杂，研究的理论和实践知识较少。3.3.2导体线芯焦耳损耗考虑到导体集肤效应和邻近效应的影响时，电缆的导体交流电阻计算公式可表示为：'(1)spRRYY\uf03d\uf02b\uf02b(3-4)式中R——工作温度下导体的交流电阻，Ω/m；R’——工作温度下导体的直流电阻，Ω/m；Ys——集肤效应系数；Yp——邻近效应系数。导体的直流电阻R’可以由下式)给出：020'[1(20)]RR\uf061\uf071\uf03d\uf0b4\uf02b\uf02d(3-5)式中R0——20℃下电缆导体线芯的直流电阻，Ω/m，其值可以通过电缆制造厂商或者试验获得，也可以利用金属电阻率及电阻公式计算得出。故单位长度的导体线芯焦耳损耗为：-45-哈尔滨理工大学学士学位论文2cWIR\uf03d(3-6)式中I——流过高压电缆的负荷电流，A。3.3.3绝缘介质损耗绝缘材料在交流电场作用下发生极化现象引起热损耗，即介质损耗。其值大小与所施加的电压有关。介质损耗计算的表达式如下式所示20tandWcU\uf077\uf064\uf03d\uf0b4(3-7)式中U0——电缆额定相电压，V；tanδ——电缆工作温度下的绝缘损耗因数；c——单位长度的电缆电容，F/m。其中电容c由下式计算得出：91018ln()iccDd\uf065\uf02d\uf03d\uf0b4(3-8)式中ε——XLPE绝缘的相对介电常数；Di——绝缘层直径，mm；dc——导体直径，mm。一般来说，介质损耗在电缆总体发热损耗中所占的比例较小，因此只有当电缆运行在足够大的对地电压时，在导体温度及载流量计算中才会计入介质损耗。IEC60287-1-1中规定，非填充XLPE电缆相电压超过127kV、填充电缆相电压超过63.5kV时计及介质损耗。表3.1列出了工频电压下XLPE绝缘材料的相对电常数和损耗因数值。表3.1XLPE绝缘材料的相对介电常数与损耗因数值XLPE类型εtanδ18/30(36)kV及以下电缆（无填充）2.50.004大于18/30(36)kV电缆（无填充）2.50.001大于18/30(36)kV电缆（填充）3.00.005-46-哈尔滨理工大学学士学位论文3.3.4金属护套损耗高压电缆的金属护套在工频交流电场的作用下，将会产生涡流和环流效应，因此金属护套的损耗是由环流损耗和涡流损耗两部分组成的。IEC60287-1-1中规定，为简化运算，将金属护套损耗用电缆导体线芯损耗与一个比例因子λ的乘积表示，并定义λ’、λ’’分别为金属护套环流损耗、涡流损耗与导体线芯总功率损耗的比值。于是有：12()sccWWW\uf06c\uf06c\uf06c\uf03d\uf03d\uf02b(3-9)由于目前电缆敷设中广泛使用金属护套交叉互联接地方式，这里只介绍交叉互联系统的金属护套功率损耗计算方法。1.环流损耗在金属护套交叉互联系统中，当每个大段被分成相等的三小段场时，单芯电缆的环流损耗可认为是零。但如果交叉互联所含各段不相等环流损耗将不可忽略。对于已知各小段实际长度的线路，环流损耗因数计算按照每大段两端互联接地且不交叉互联的情况计算的环流损耗因数λ’与下述不均衡因数U相乘得到：2221(1)pqppqqUpq\uf02b\uf02b\uf02d\uf02d\uf02d\uf03d\uf02b\uf02b(3-10)这里p、q分别表示在一个大段中两个较长的小段分别为最小段长度的p、q倍数。当各小段长度未知时，通常取p=1，q=1.2。对于三角形排列的三根单芯电缆金属护套两端互联接地时，其环流损耗因数计算式λ’如下：21'1()ssRRRX\uf06c\uf03d\uf02b(3-11)其中Rs——工作温度下单位长度电缆金属护套的电阻，Ω/m；As——金属护套的截面积，mm2；X——电缆单位长度金属套的电抗，Ω/m，X=2w×10-7ln(2s/d)；s——导体轴线间的距离，mm；-47-哈尔滨理工大学学士学位论文d——金属护套的平均直径，mm。对于皱纹铝护套，d=(Doc+Dst)/2。2.涡流损耗金属护套交叉互联的涡流损耗λ’’计算式由下式给出：4101212()''[(1)]1210sssRtgR\uf062\uf06c\uf06c\uf03d\uf02b\uf044\uf02b\uf044\uf02b\uf0b4(3-12)其中ts——金属护套厚度，mm。3.3.5电缆的热阻计算单芯电缆导体与金属套之间绝缘的热阻T1计算公式如下[48]：112ln[1]2TctTd\uf072\uf070\uf03d\uf02b(3-13)式中ρT——交联聚乙烯绝缘的热阻系数，其值取3.5K·m/W；t1——导体与金属护套之间的绝缘厚度，mm。由于导体屏蔽层、绝缘屏蔽层以及缓冲层热阻系数与主绝缘热阻系数相差不大，为简化计算本文将这三部分的厚度计入绝缘层的厚度中计算T1。对于皱纹铝护套，t1由金属护套的内直径获得，即t1=(Dit+Doc)/2-ts，ts为金属护套厚度。电缆外护套的热阻T3计算公式为：332ln[1]2TstTD\uf072\uf070\uf03d\uf02b(3-14)当外护套为PVC时，ρT等于6.0Km/W。t3为电缆外护套的厚度，Ds是金属护套的外径。另外3-15给出了自由空气中敷设的电缆在不受阳光照射时，其与周围环境的外部热阻T4计算公式：4141()esTDh\uf070\uf071\uf03d\uf044(3-15)式中De——电缆外径，m；△θs——电缆表面高于环境的温度，K；-48-哈尔滨理工大学学士学位论文h——散热系数，W/m2(K)5/4，其值由Z、E、g参数决定，h=Z/Deg+E。(△θs)1/4下式迭代得到，期初值设为(△θs)1/4=2，迭代误差不大于0.001.14114()[]1()dsnAsK\uf071\uf071\uf071\uf071\uf02b\uf044\uf02b\uf044\uf044\uf03d\uf02b\uf044(3-16)1413[(1)]1eADhKTT\uf070\uf06c\uf06c\uf03d\uf02b\uf02b\uf02b(3-17)111()12ddWT\uf071\uf06c\uf044\uf03d\uf02d\uf02b(3-18)在这里迭代公式14114()()[](1())dsnAsK\uf071\uf071\uf071\uf071\uf02b\uf044\uf02b\uf044\uf044\uf03d\uf02b\uf044是根据公式24(1)sdIRWT\uf071\uf06c\uf044\uf02b\uf02b\uf03d得出的，KA时迭代因数数，Δθd是计及绝缘介质损耗的因数，当介质损耗忽略时Δθd=0。虽然隧道电缆所处空间有限，周围空气不是自由空气，但电缆与周围环境进行热交换的方式相似，因此本论文使用自由空气中电缆的外部环境热阻计算公式来估算T4，其式中的Z、E、g根据IEC60287-2-1取值。3.3.6稳态载流量计算流程电缆稳态运行条件下的导体温度与载流量计算首先是根据当前的负荷电流I与电缆表面温度θs计算电缆的线芯温度θc，由于计算导体焦耳损耗与金属护套损耗时需要考虑电阻随温度的变化情况，因此这里先预设θc=90℃计算导体线芯与金属护套的电阻及损耗，然后根据式（3-3）计算导体线芯温度，如果线芯温度小于90℃，则利用计算得到的线芯温度代替预设的θc计算导体线芯和金属护套的电阻及损耗，进而再计算导体线芯温度，如此往复，直到上下两次运算得到的导体线芯温度差小于0.1℃为止，具体流程如图3.4所示当最后计算得到的导体线芯温度小于90℃时，即意味着电缆的负荷率小于100%，接下来再利用周围环境温度计算电缆的外部环境热阻T4，然后根据式（3-2）计算电缆的稳态载流量。-49-哈尔滨理工大学学士学位论文图3.4稳态时电缆道题线芯温度计算流程图3.4本章小结本章主要分析了电缆载流量计算的意义和原理，给出了载流量计算的公式和计算方法。-50-哈尔滨理工大学学士学位论文结论本文通过对500kV电缆国内外发展状况的调研以及对500kV电缆结构的充分了解得出以下结论：1从海底电力电缆到城市电网的应用，超高压电缆有着巨大的优势，而国内技术水平和国外发达国家相对落后，这就意味着我们应加大对超高压电缆的研发力度。2充油电缆存在着敷设困难、环境要求高、结构复杂等等缺点，而XLPE超高压电力电缆实现了电缆的无油化并克服了充油电缆的缺点，并且这些年XLPE超高压电力电缆的应用也大量增长着，这就意味着XLPE电缆将是EHV发展的主要趋势。3500kVXLPE电缆选用铜导体并采用分割导体结构做为超高压电缆的线芯是必然选择。4500kVXLPE电缆应采用性能优良的交联聚乙烯料来作为超高压导体的绝缘层，并注意生产时绝缘挤包的均匀性。交联方法应选择惰性气体保护的热辐射法。5500kVXLPE电缆应挤包屏蔽层（导体屏蔽、绝缘屏蔽），屏蔽层可以缓和电缆内部的电场集中，改善绝缘层内外表面电场应力分布，提高电缆的电气强度。6500kVXLPE电缆应设计缓冲层和金属护套，它们都应具有阻水用，能够有效抑制水树的生成，提高电缆的寿命。缓冲层可以避免金属护套损伤屏蔽层，金属护套除可以阻水外也可以提高电缆的机械强度。7超高压电缆应注意载流量的计算，其可以指导电缆生产和运行环境。-51-哈尔滨理工大学学士学位论文致谢历时半年，从老师帮助论文选题到论文的资料搜集，从写初稿到反复修改，期间经历了迷茫、痛苦、心急如焚、彷徨到最后完成的喜悦，论文的写作期间心情是如此的复杂。现在伴随着这篇毕业设计论文的最终成稿，心中有的只是开心和对老师对同学的感激。首先感谢王伟老师，从论文选题到论文材料的搜集，从论文初稿反反复复的修改到最终成稿，从观点推敲到字句斟酌，无不凝聚着他的汗水他的心血。他严肃的科学态度、严谨的治学精神、精益求精的工作作风都无不让我收到感染和激励。现在王伟老师的指点都历历在目，在此衷心的感谢王伟老师。同时我也要感谢我的同学们，他们和我在论文写作过程中的探讨也让我深得裨益。最后我要感谢所有传授我知识的各位老师，是他们无私的教授才让我有了完成论文的基础。我要感谢哈尔滨理工大学，这里浓郁的学习氛围让我受益匪浅。-52-哈尔滨理工大学学士学位论文参考文献1.徐应麟．电线电缆手册[M]．北京：机械工业出版社，2009：1～102.夏新民．电力电缆选型与敷设[M]．北京：化学工业出版社，2008：1～263.张虎，胡景云．我国电力电缆市场及产品结构分析[J]．电气技术，2010：97～984.应启良．面临二十一世纪我国超高压与特高压电力电缆发展预期[R]．上海：中国电工技术学会电线电缆专委会98学术年会暨21世纪行业技术，19985.Jr.Attword．DevelopmentofhighstressHVandEHVXLPEcablesystems[C]．CIGRE1998：21～1086.M.K.Choi，等．Developmentof400kVXLPEcableandaccessoriesinKorea[C]．ClGRE1998：21～1077.MartiJR．AccurateModelingofFrequency-DependentTransmissionLinesinElectromagneticTransientSimulation[J]．IEEETransonPAS，1982，(1)：147～1578.EAndersen．Developmentofa420kVXLPEcablesystemforthemetropolitanpowerprojectinCopenhagen[C]．CIGRE1996，21～2019.何永泉．天荒坪电站500kV电缆的选型设计和安装[J]．水力发电，2001，6：41～4310.王华军．构皮滩水电站500kV电缆选型设计[J]．人民长江，2009：15～1611.陆项羽．500千伏世博隧道电缆全线竣工[N]．国家电网报，2010：3．3(3)12.何善庆．500kV电缆的开发应用与型式选择[J]．电力电缆，2001：12～1413.应启良，王佩龙，魏东，徐操．城市电网地下输电用高压电缆附件的发展[C]．1996年亚洲线缆会议论文集．上海：上海电缆研究所，1996：51～61-53-哈尔滨理工大学学士学位论文14.仇岚，李海波．500kVXLPE电缆在宜兴抽水蓄能电站的应用[J]．华东电力，2008，04：31～3315.甄惠民．长距离地下传输线用500kVXLPE电缆及附件的研制[J]．1996：电线电缆，04：4～616.S．Tsuchiya，等．EvaluationofinstalledlongdistanceEHVXLPEcablesystemsinJapan[C]．ClGRE1998：21～10417.E．EPeschke，等．AnewgenerationofjointsforXLPEinsulatedextrahivoltagecables[C]．CIGRE1996：21～20418.Q／GDW371．2009，10(6)kV---500kV电缆线路技术标准[s]．北京：中国电力出版，201019.应启良，王佩龙，徐操．接触面切向电场均匀的橡胶应力锥[P]．中国专利：ZL97234728．3，1999：4～2220.AvilaA．VogelsangR．ExperiencesinManufacturing．Testing．InstallingandOperatingof500kVCableSystemsIncludingTemperatureSensingandPDMonitoring[C]2010GIGRESessionPapersTechnicalProgramme．Paris．France：CIGRE．201021.王大刚，刘淞伯，王志强．电力电缆截面选择方法的发展与应用[M]．电力设备，2004：5(9)25—3022.Occhini．Highvoltagecableswithextrudedinsulationstatisticalcontrolsandreliabilityevaluation[J]．PAS294,1975,(3)：967297023.HawkesDJ，MorgenRE．Conformextrusioncurrentmethodsandcapabilities［J］．WireIndustry，1991，58(6)：323-32624.HeadJGLewisR，QuaggiaD，eta1．TransitionJointsforConnectionofACFluidFilledtoExtrudedCablesform33kVto400kV[C]2010CIGRESessioPapersTechnicalProgramme．Pads．France：CIGRE．201025.WorkingGroupB1．28．On—SitePartialDischargeAssessmentofHVandEHVCableSystems[C]CIGRETechnicalReport．London．UK：CIRGE．201026.YvesMaugain．TheOcial2010PreferentialSubjects[C]The66thCITRESCB1Meeting．Pads．France：CIGRE．2010-54-哈尔滨理工大学学士学位论文27.AmetaniA．AHicientMethodforCalculatingTransmissionLineTransients[J]．IEEETransonPAS，1976，95(5)：1545～154928.MartiL．SimulationofTransientsinUndergroundCableswithFrequencyDependentModalTransforillationMatrix[J]．IEEETransonPowerDelivery,19883(3)：1099～111029.Kaneko．Statisticalconsiderationonimpulesbreakdowncharacteristicsofcross2linkpolyethyleneinsulatedcables[J]．PAS294,1975,(3)：367237030.PeschkeE,SchrothR．ExtensionofXLPEcablesto500kVbasedonprogressintechnology[Z]．Jicable1995,SIEMENSGermany．31.IEEEPowerDelivery[J]．1994,9,(4)32.PeschkeE,SchrothR．XLPECablesystemsupto500kV;Stateoftheartandlatestdevelopments[Z]．SIEMENSGermany．33.GustavsenB，SemlyenA．SimulationofTransmissionLinesTransientsUsingVectorfittingandModalDecomposition[J]．IEEETransonPowerDelivery,1998．13(2)：605～61434.HamptonRN．PerkelJ．HernandezJC．eta1．ExperienceofWithstandTestingofCableSystemsintheUSA[C]2010CigreSessionPapersTechnicalProgramme．Paris．France：CIGRE．201035.郑肇骥，王琨明．高压电缆线路［M］．北京：水利电力出版社，198336.WorkingGroupB1．08．CableSysteminMultiPurposeorSharedStructures[C]CIGRETechnicalBrochure．Pads．France：CIGRE．200937.WorkingGroupB1．24．TestProceduresforHVTransitionJointsforRatedvoltages30kVupto500kV[C]CIGRETechnicalBrochure．Pads．France：CIGRE．2010．38.张栋国．电缆故障分析与测试[M]．北京：中国电力出版社，200539.张栋国，孙雷．电力电缆及其故障分析与测试[M]．西安：陕西科学技术出版社，199440.毕国轩，等．电力电缆故障原因分析及探测方法探讨[J]．山西电力，2005,(4)：16～18-55-哈尔滨理工大学学士学位论文41.GB50217-1994，电力工程电缆设计规范[S]，199442.刘英，曹晓珑，电力电缆在线测温及载流量监测的研究进展与应用[J]，电网与水力发电进展，2007，23（8）：11～1443.邱昌荣．电线电缆［M］．西安交通大学，200744.史传卿．电力电缆讲座［J］．供用电，2001，18(3)45.曹惠玲．坐标组合法对直埋电缆与土壤界面温度场的数值计算［J］．电工技术学报，2003，18(3)：59～6346.李熙谋．不同敷设条件下电缆载流量的校正和实用算法[J]．电力建设，1997(5)：1-747.丛柏生，吴兴林，王志坚，浅谈几种电缆敷设形式的经济技术比较[J]，高电压技术，2000，27（8）：17～1848.IEC60287-2-1,ElectricCable-CalculationoftheCurrentRating-Part2-1：CurrentRatingEquations(100%LoadFactor)andCalculationsofThermalResistance[S],IECPublication287,2006-56-哈尔滨理工大学学士学位论文附录-57-哈尔滨理工大学学士学位论文-58-哈尔滨理工大学学士学位论文-59-哈尔滨理工大学学士学位论文-60-哈尔滨理工大学学士学位论文-61-哈尔滨理工大学学士学位论文-62-哈尔滨理工大学学士学位论文-63-哈尔滨理工大学学士学位论文-64-哈尔滨理工大学学士学位论文-65-哈尔滨理工大学学士学位论文500kv直流冲油PPLP（聚丙烯纸绝缘）海底电缆发展概况摘要本文对载荷量为2800MW，额定运行电压在正负500kv电流2800A下的极性系统直流冲油绝缘海底电缆发展进行大概介绍。绝缘材料聚丙烯和薄纸，对于直流电缆全世界还是首次。导体截面积为3000mm2,这对于目前所有投入运行的海底电缆是最大的了。通过了基本及标准测试该电缆在直流电压以及暂态过电压下均表现出了极好的电气性能。该电缆及其附件的可靠性和稳定性目前正在通过加速老化试验来做最后的校验。关键词高压直流电缆，直流海底电缆，聚丙烯纸绝缘，测试结果，绝缘设计简介铺设位于日本Honsu和Shikoku岛间的500kv直流载荷量为2800MV海底电缆的计划正在进行中。作为一项可能性研究的结果其目的在于研发出一种体安载流量为2800MW，电极电压为正负500kv的电缆，就在未来更高的导体允许工作温度和稳定性的发展前景这一问题我们选择了冲油型电缆。这样选择的原因还在于在尺寸如此大的电缆在其传统的牛皮纸绝缘制造中评估至关重要，选择聚丙烯纸绝缘是因为其相对于传统的牛皮纸绝缘有更高的直流和脉冲击穿强度，降低了绝缘厚度，减小了电缆的热阻和电缆尺寸。通过对pplp做基本试验，标准电缆的击穿试验以及根据ＣＩＧＲＥ推荐标准设计的电缆的机械强度和电性能试验，采用ｐｐｌｐ绝缘的直流和交流冲油电缆相对于采用牛皮纸绝缘表现出了优越的性能。改电缆的特殊性能可概括如下：（１）导体尺寸为目前投入实际运行的海底电缆最大的3000mm'。（２）ｐｐｌｐ绝缘首次应用于直流电缆（３）单芯电力电缆包含贮存在由聚乙烯包裹的不锈钢电子管中的光纤。-66-哈尔滨理工大学学士学位论文铺设位于日本Honsu和Shikoku岛间的直流电缆规格参见表１和图１.其结构参见表２.此电缆为２０００年由此用于商业用途的250kV，2800A的直流电缆并且在未来会升级为５００ｋｖ直流系统。-67-哈尔滨理工大学学士学位论文ｐｐｌｐ的基本介电性能设计中有三个因素影响直流电缆的绝缘厚度：额定直流电压，极化和暂态过电压。ｐｐｌｐ绝缘直流电缆的性能取三张薄片实样和两个电缆实样做直流击穿测试。这样能得出V-t特性和ｐｐｌｐ的电阻率。Ｆｉｇ．３-68-哈尔滨理工大学学士学位论文Ｔａｂｌｅ２（１）直流击穿强度-69-哈尔滨理工大学学士学位论文表３为扁平试样的直流击穿强度，该试样由分高中低三层直径为５ｍｍ的ｐｐｌｐ薄片构成。ｐｐｌｐ的厚度为１２５微米。结果分析过程中考虑的因素具体如下：（ａ）ｐｐｌｐ的击穿强度为牛皮纸绝缘的１.６倍或更多（ｂ）ｐｐｌｐ和牛皮纸的击穿强度都受温度影响（ｃ）ｐｐｌｐ和牛皮纸在８５摄氏度时击穿强度比在周围煤质温度下大概低１０％自从测试出高温下牛皮纸绝缘直流电缆直流击穿强度为１００至１２０ｋｖ／ｍｍ，高温下ｐｐｌｐ的直流击穿强度为设计需要保守测定为１６０ｋｖ／ｍｍ，由表３可知是牛皮纸绝缘的１.６倍。表２的电缆试样Ａ的结果符合直流击穿测试结论。表３的结果证明其表现出了比为设计目的而既定的更高的直流击穿强度。(2)直流下的V-t特性先得出表4的电缆试样（B）在85摄氏度下直流击穿电压V1，然后再施加施加在电缆试验（B）一般的直流电压（85摄氏度）。结果是200天后没有一个试样被击穿。-70-哈尔滨理工大学学士学位论文V-t特性曲线的等式一般为V（n）=C（常数）。代入V1和施加电压，t=200,其结果为寿命指数n等于17.2或更大。也就是说，寿命指数n=16时为评估交流pplp绝缘电缆性能保守击穿强度值时取的值。考虑到这是首次将pplp绝缘用于直流电缆，最终决定采用指数n=16来做寿命评估。（3）设计直流场强直流设计电压由高温下击穿强度160kv/mm和寿命指数n=16来推定，为的是能经受得住典型测试电压。应用V-t等式，测试条件会比施加直流额定电压40年要更严格，其值为CIGRE推荐的额定电压的两倍。击穿强度为45kv/mm试样的设计电压由下式中的额定直流电压决定：.E=EBD/K1/K2/K3,其中，E为额定直流电压的设计场强EBD为高温下直流击穿强度K1为为安全系数（1.2）K2为CIGRE推荐比值，值为施加在2U0电压下测试10天的测试条件下的击穿强度比V-t等式中t取30分钟的击穿强度（1.47）K3为标准测试直流电压（2U0）比额定电压（2.0）U0为额定直流电压（500kv）-71-哈尔滨理工大学学士学位论文(4)体电阻率下列等式用于表征体电阻率与文图和直流电压的特性曲线其中，为T和E条件下的体电阻率为唯独系数T为温度P为电压系数E为直流场强为T=0和E=1kv/mm时的体电阻率图4为表4的电缆试样（B）经测试得出的体电阻率的特性曲线。代入………….于上式，可得pplp的体电阻率Pplp的转向极化性能由于对于直流电缆测试施加电压后的极化转向条件严格，我们需要研究击穿强度和转向极化的数目。（1）转向极化击穿测试采用表4的电缆试样（B）进行转向极化击穿试验。10分钟的试验转向极化在2秒内完成。测试结果参见式5。用V（n）=常数（n取47）得出其各项性能指数。-72-哈尔滨理工大学学士学位论文Table5(2)转向极化的设计场强由式5，在维修中转向极化数目为1000时测定得到的击穿场强为103kv/mm.若安全系数为1.2，转向极化的设计场强为85kv/mm.Pplp耐雷电脉冲电压性能表5为三张薄平试样进行雷电脉冲电压击穿测试得出的结果。由表5可以看出，当施加正负脉冲电压时pplp的击穿强度要高于牛皮纸绝缘电缆，施加在正脉冲电压的pplp的击穿强度比施加在负脉冲电压的差-73-哈尔滨理工大学学士学位论文值更大。在正与负脉冲电压下产生差值是因为试样在正电极与负电极下表现不同，也就是说，负电荷容易扩散到油沟，牛皮纸，聚丙烯薄膜中，正电荷被聚丙烯薄膜表面俘获并增加了局部场强。根据之前做的探究，若在pplp绝缘层内部添加一层牛皮纸以防止正电荷集中，就会得到与实验相符的结果。就会出现由于与牛皮纸接触更紧密而出现的导体屏蔽层场强减小的E-grading效应薄平试样和电缆试样（A）的击穿实验验证了在pplp绝缘层内部添加牛皮纸后的雷击脉冲击穿强度的值。若继续添加牛皮纸最多到7张，击穿强度较不放牛皮纸平均提高了10~20%。最终决定在pplp绝缘层中放入5张牛皮纸（总厚度为0.5mm），忽略相邻两张牛皮纸的位置变化。也就是说，在Pplp绝缘层外面放5层牛皮纸其效果与护套端的效果一样。转化系数直流电缆受迅速并短暂的内部过电压和雷击脉冲过电压的影响。为了绝缘设计要测出最危险的过电压，就击穿强度而言将过电压问题等效归结为雷电脉冲过电压显得尤为重要。进而我们开始研究pplp的转化。（1）电压突变的转化系数表2和表4为电缆试样随不同前波和极性下进行的电压突变击穿试验数据。式6为负极突变电压的结果。与正极突变电压试验结果相同。由于突变击穿电压可等效为更高或相等的雷击脉冲击穿电压，突变电压的转化系数定为1.0.（2）短时间交流的转化系数由于在维修中要考虑短时间的交流过电压，表4的电缆试样（B）需进行击穿试验。结果参照式7.-74-哈尔滨理工大学学士学位论文-75-哈尔滨理工大学学士学位论文绝缘设计和标准测试结果暂态过电压传输线上的直流电缆部分其绝缘设计应根据不同极性的直流操作电压基础上额外承受的暂态过电压来确定。出于这个原因，有必要要深入了解电缆内部可能存在的各种类型的过电压并以此为设计基础为的是让电缆能承受这些过电压。（1）雷电脉冲过电压雷电反击一架空输电线上的绝缘子，其造成的雷击脉冲过电压会以波的形式沿着电缆行波，因此该过电压会由于电缆的长距离而大幅度衰减而变得相对很小。（2）内部暂态过电压来源经计算，诸如转换器击穿这一类事故造成的各种各样的短暂内部过电压比因雷电闪击造成的过电压要高。综上，因换流器开关关断而造成的相与地短路故障产生的过电压是最考验绝缘性能的。-76-哈尔滨理工大学学士学位论文（2）承受过电压所需绝缘等级根据直流海底电缆过电压的计算，承受过电压所需绝缘等级如下：（a）等价雷击脉冲电压值最高为1250kv，也就是上述的换流器关断电压。（b）对于绝缘设计，考虑试样长度限制作为统计因素而留出了雷击脉冲电压10%的裕度，该结果已经测试验证。这样，在导体温度在85摄氏度时雷击脉冲电压等级为1375kv.电缆标准测试和绝缘设计（1）电缆标准测试结果由上文对pplp的基本性能的测试结果，根据绝缘厚度的不同制造了3种标准电缆。其绝缘厚度参见表8.标准电缆1和2用来测试电性能。电缆3则用来测试机械应力作用下对其电性能的影响。表9为电缆雷击脉冲击穿测试的结果。一部分在无外加机械应力下测试，一部分则在cicret推荐标准——带有弹性连接件然后在外加机械应力下进行测试。-77-哈尔滨理工大学学士学位论文（2）绝缘设计由表9，所有的击穿场强的标准误差都在3~3.5%，接近10%。因此设计的绝缘厚度在考虑上述误差和工程制造精度允许的范围后其裕度为20%。表10给出了直流电缆在考虑了额定电压下所需绝缘厚度，转向极化，施加在不同电极的暂态过电压后所需绝缘厚度。其中，施加在不同电极的暂态过电压是最重要的考虑因素。-78-哈尔滨理工大学学士学位论文结论目前已经研制出导体截面积为3000mm的500kv直流pplp绝缘冲油海底电缆。其优秀的性能已经通过cigre的推荐机械强度和电性能测试证实。其发展过程可概括为如下：（1）通过各种各样的试验已证实pplp绝缘相较于牛皮还绝缘对于直流和交流电缆会有更优秀的介电性能（2）在pplp绝缘中添加牛皮纸会提高对施加在正极脉冲电压的耐击穿强度（3）测定所需绝缘厚度时需让其能承受最严峻条件下的短暂过电压（4）由于海底电缆自身的导体很大，在制造和铺设过程中就要考虑更严格的机械应力变化，于是在pplp绝缘外再加上厚度为2mm的牛皮纸绝缘作为保护-79-",)