13超高壓電纜附件發(fā)展與制造技術(shù)

1、超高壓電纜附件發(fā)展與制造技術(shù)特變電工昭和（山東）電纜附件有限公司 伊藤一己1. 前言電力電纜的運(yùn)行歷史已經(jīng)有幾十年，經(jīng)歷了從充油式電力電纜到交聯(lián)聚乙烯電力電纜，電壓等級(jí)從中壓35kV，66kV到高壓110kV，再到超高壓220kV，500kV的發(fā)展過程。電纜附件的發(fā)展是與電纜技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的，經(jīng)歷了充油式絕緣到干式絕緣，中壓到高壓、超高壓的發(fā)展歷程。電纜附件必須要滿足電纜導(dǎo)體連接良好，絕緣可靠，密封良好和足夠的機(jī)械強(qiáng)度等性能，才能保證整個(gè)電纜輸配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性。經(jīng)過幾十年的絕緣材料的發(fā)展和設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，電纜附件整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)趨于穩(wěn)定和成熟，目前高壓及超高壓電纜附件的發(fā)展主要注重以下幾

2、個(gè)方面：l 在復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，如何能簡(jiǎn)便地并且高可靠性地完成附件的施工，已經(jīng)成為在附件設(shè)計(jì)開發(fā)當(dāng)中必須考慮的問題。部件數(shù)量減少，工廠預(yù)制化，產(chǎn)品小型化，安裝簡(jiǎn)便化等設(shè)計(jì)思想逐漸被廣泛采用。l 從地球環(huán)境保護(hù)的觀點(diǎn)出發(fā)，產(chǎn)品環(huán)保化已經(jīng)成為重要的研究方向，特別是在各種附件中絕緣油/氣的使用比例還較高，無絕緣油/氣或少絕緣油/氣，完全固體絕緣，插拔式結(jié)構(gòu)等等已逐漸成為主流發(fā)展方向。l 高壓、超高壓電纜附件產(chǎn)品涉及的電壓等級(jí)高，一旦出現(xiàn)問題，影響的范圍廣，這就要求附件產(chǎn)品從生產(chǎn)制造初始階段進(jìn)行嚴(yán)格的品質(zhì)監(jiān)控管理，并且能夠在運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，確保附件產(chǎn)品的長期可靠性。2. 附件發(fā)展動(dòng)向電力電纜附

3、件產(chǎn)品從用途上分主要分為兩大類：中間接頭產(chǎn)品和終端產(chǎn)品。其中中間接頭產(chǎn)品包括：直通接頭，絕緣接頭，Y分支形接頭等；終端產(chǎn)品包括：戶外終端，GIS終端和油浸終端等。各種附件主要是沿著高電壓化，方便簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)施工，縮短工期和環(huán)?？煽康姆较虬l(fā)展而來。2.1 中間接頭（Cable Joint）現(xiàn)在被廣泛使用中間接頭是電纜線路中不可缺少的部件，利用中間接頭將兩根電纜連接起來，同時(shí)改善電纜末端的電場(chǎng)，從而將各段分段線路連接為一條整體線路。中間接頭的發(fā)展大致分為以下幾個(gè)階段（圖1）自粘帶繞包接頭Tape Joint自粘帶模塑接頭Tape Molded Joint擠壓模塑接頭Extruded Molded Jo

4、int組合預(yù)制式接頭Prefabricated Joint整體預(yù)制式接頭Rubber Block Joint圖1. 中間接頭發(fā)展階段自粘帶繞包（Tape Joint, TJ）方法從七十年代開始應(yīng)用的，它在繞包的絕緣帶之間以及絕緣帶與半導(dǎo)電帶之間存在微小間隙，隨著電壓等級(jí)提高，允許的氣泡直徑越來越小，為了在110kV系統(tǒng)下不發(fā)生局放，氣泡直徑必須小于200微米，對(duì)于膠帶繞包來說很難做到，因而自粘帶繞包接頭難以適用于110kV及以上電壓等級(jí)中?；谝陨显?，八十年代開發(fā)了膠帶模塑接頭（Tape Molded Joint, TMJ）應(yīng)用到154kV電壓等級(jí)。采用可交聯(lián)的聚乙烯膠帶繞包到連接的電纜上，

5、之后加熱、加壓使聚乙烯膠帶交聯(lián)形成整體，做成模塑接頭?？墒沁@種接頭也不能完全避免氣泡，且施工環(huán)境要求嚴(yán)格，如果繞包周圍環(huán)境不凈化，PE膠帶很容易將灰塵，雜質(zhì)帶入連接頭中，造成連接頭絕緣的缺陷。加上交聯(lián)溫度及時(shí)間控制不好，也會(huì)造成交聯(lián)度不足而導(dǎo)致接頭性能劣化。為適應(yīng)更高等級(jí)電纜的連接以及提高施工的可靠性，在八十年代末期出現(xiàn)了擠壓模塑接頭(Extruded Molded Joint, EMJ)（圖2）。在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)絕緣表面進(jìn)行打磨光滑處理，并且將電纜導(dǎo)體壓接連接后，在連接處套上注塑模，用小型擠塑機(jī)將潔凈電纜料注入，冷卻后用X射線檢查，確認(rèn)沒有缺陷后進(jìn)行交聯(lián)工藝。這種接頭使用電纜絕緣體同種材料并且和

6、電纜絕緣進(jìn)行化學(xué)架橋，接頭與電纜之間沒有界面，所以能夠保證長期安定性，EMJ在日本已經(jīng)應(yīng)用到500kV電壓等級(jí)并取得良好效果。但這種接頭施工工期較長，在日本3相接頭施工需要一個(gè)月，且現(xiàn)場(chǎng)必須要有嚴(yán)格工藝控制。圖2. 擠壓模塑接頭結(jié)構(gòu)組合預(yù)制式接頭(Prefabricated Joint, PJ)就是為解決以上問題而出現(xiàn)的，它不僅與EMJ有相同的性能，而且安裝時(shí)間短（大概為EMJ安裝工期的一半），預(yù)制件在工廠內(nèi)通過例行試驗(yàn)，性能有保證，現(xiàn)場(chǎng)安裝人員也叫能夠適應(yīng)要求。從結(jié)構(gòu)上看，它由環(huán)氧預(yù)制本體、橡膠應(yīng)力錐及壓縮金具，保護(hù)金具等部件組成（圖3），比較方便進(jìn)行異徑電纜連接。由于采用環(huán)氧樹脂彈簧壓縮機(jī)

7、構(gòu)，應(yīng)力錐和電纜絕緣界面有穩(wěn)定的面壓力，適合于某些溫度變化劇烈或寒冷地區(qū)使用。此種接頭的不足之處是體積大，重量重，應(yīng)力錐的過盈量較小。圖3. PJ內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體預(yù)制式接頭（Rubber Block Joint）是由歐洲首先開發(fā)并得到廣泛使用（圖4），這種接頭采用整體預(yù)制橡膠絕緣件，電纜絕緣外徑與橡膠絕緣件內(nèi)徑有較大的過盈配合，以保持橡膠絕緣件與電纜絕緣之間的面壓力。橡膠絕緣件的橡膠材料主要有兩種：三元乙丙橡膠（EPDM）和硅橡膠（SiR），由于要求橡膠材料有較大的斷裂伸長率和較低的應(yīng)力松弛，以保證橡膠本體有較大的擴(kuò)徑率并且在長期運(yùn)行當(dāng)中不會(huì)因橡膠的彈性模量下降而導(dǎo)致面壓力下降，彈性優(yōu)異的硅橡膠材

8、料應(yīng)用比例較高。整體預(yù)制式中間接頭由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工工期短，現(xiàn)在已逐漸成為高壓電纜接頭的主流，但實(shí)際運(yùn)行歷史還較短，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)還需要較長時(shí)間積累。圖4. 整體預(yù)制式接頭結(jié)構(gòu)組合預(yù)制式接頭和整體預(yù)制式接頭在如今都被廣泛使用，特變電工昭和（山東）電纜附件有限公司（特變昭和）為滿足客戶不同實(shí)際使用要求，兩種接頭都可進(jìn)行制造供貨，并且是國內(nèi)首家兩種接頭都通過國家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院的220kV預(yù)鑒定試驗(yàn)的廠家。特變昭和的整體預(yù)制式接頭采用在工廠潔凈室內(nèi)進(jìn)行無塵預(yù)擴(kuò)徑工藝，施工現(xiàn)場(chǎng)只需拉出擴(kuò)徑環(huán)就可完成橡膠本體安裝，避免了現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)徑帶來的絕緣件易損和環(huán)境異物，雜質(zhì)混入等問題，大大提高了施工的便利性和可靠性。（

9、圖5a, b）b. 施工現(xiàn)場(chǎng)拉出擴(kuò)徑環(huán)a. 工廠預(yù)擴(kuò)徑圖5. 特變昭和的整體預(yù)制式中間接頭2.2 終端（Cable Termination）電纜終端主要包括兩大類：戶外終端用于架空線與電纜的連接；GIS終端/油浸終端用于電纜與開關(guān)設(shè)備/變壓器設(shè)備的連接。2.2.1 戶外終端（Outdoor Termination）戶外終端的發(fā)展與種類如表1所示，主要分為充油式和干式絕緣兩種內(nèi)部絕緣方式：l 充油式戶外終端（Oil filled Type）充油電容錐式戶外終端最早應(yīng)用于充油電纜終端，具有良好的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行記錄。通過電容錐均勻套管表面電場(chǎng)分布，使得戶外終端獲得較高的耐沖擊電壓水平，性能優(yōu)異可靠，

10、因此至今在275kV500kV電壓等級(jí)上還是有較高使用比例。但是充油電容錐式終端在制造上和安裝上較為復(fù)雜，安裝的工期表1. 戶外終端種類目前廣泛使用的種類較長。在交聯(lián)聚乙烯電纜上使用較廣泛的是預(yù)制應(yīng)力錐充油式戶外終端，又可根據(jù)外護(hù)套的不同有瓷套管型和復(fù)合套管型。瓷套式運(yùn)行歷史較久，抗惡劣氣候性能較佳，但是由于在事故時(shí)易產(chǎn)生碎片飛濺危險(xiǎn)，在人口密集區(qū)域已逐漸被復(fù)合套管式所替代。復(fù)合套管本體是玻璃纖維環(huán)氧管外注以硅橡膠而成，具有輕量，耐污穢性能和耐漏痕性能佳等優(yōu)點(diǎn)。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上歐式產(chǎn)品采用三元乙丙橡膠或硅橡膠材料預(yù)制應(yīng)力錐為電場(chǎng)控制單元，套管內(nèi)部充以硅油或聚異丁烯油絕緣。日式結(jié)構(gòu)在歐式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上

11、輔以環(huán)氧座和彈簧壓縮機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)力錐進(jìn)行壓縮，面壓穩(wěn)定好，具備更可靠的性能。特變昭和的110kV以上電壓等級(jí)戶外終端吸收日式結(jié)構(gòu)與歐式結(jié)構(gòu)的長處，使用高性能硅橡膠材料和金具一體化應(yīng)力錐專利技術(shù)開發(fā)出獨(dú)具特色的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖6），應(yīng)力錐的位置完全固定，杜絕了漏油以及半導(dǎo)電層與絕緣油的接觸，并以金具加強(qiáng)了硅橡膠與電纜絕緣界面的面壓穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能更加可靠。圖6. 特變昭和的戶外終端金具一體化應(yīng)力錐l 干式戶外終端(Dry Type)干式戶外終端的開發(fā)是在九十年代末期興起，主要有柔性干式和硬性干式插拔型兩種。柔性干式戶外終端是集應(yīng)力錐、傘群和絕緣層于一個(gè)整體硅橡膠預(yù)制件，這種結(jié)構(gòu)極大地簡(jiǎn)化了終端的安

12、裝工序，具有重量輕，安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)。但是由于存在不能自立，終端體易彎曲變形等缺點(diǎn)，柔性終端在電力技術(shù)先進(jìn)國家的應(yīng)用較少，電壓等級(jí)也在132kV以下。硬性干式插拔型戶外終端是近些年出現(xiàn)的新型產(chǎn)品，它的內(nèi)部在電極上注型環(huán)氧樹脂，外層二次注型硅橡膠。除了具有柔性終端的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有插拔式結(jié)構(gòu)，可自立式，抗震性能佳能優(yōu)點(diǎn)，是戶外終端今后的重點(diǎn)發(fā)展方向。 特變昭和在干式戶外終端上也擁有先進(jìn)的技術(shù)，除了具有普通66110kV硬式插拔型干式終端，還將非線性材料技術(shù)應(yīng)用到154220kV的插拔式戶外終端的開發(fā)。通過利用絕緣材料的非線性特性來降低電場(chǎng)集中處的峰值強(qiáng)度，平滑均勻電場(chǎng)分布（圖7），從而使適用電壓等

13、級(jí)提高。與充油式戶外終端相比，采用非線性材料的戶外終端尺寸與重量大幅減小，并可自由選擇安裝角度。另外干式戶外終端還可擴(kuò)展為變壓器用套管或穿墻套管等應(yīng)用領(lǐng)域（圖8）。圖7 非線性材料特性與電場(chǎng)分布圖8. 實(shí)際應(yīng)用例2.2.2 GIS終端/油浸終端 （GIS Termination/Oil Immersed Termination）GIS終端/油浸終端是用于電纜與GIS開關(guān)設(shè)備/變壓器設(shè)備的連接，由于GIS終端與開關(guān)設(shè)備的連接有國際電工委員會(huì)制定的統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定了相互配合尺寸和供貨范圍，所以按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的GIS終端可以安裝在任何廠商制造的標(biāo)準(zhǔn)型GIS設(shè)備上。最初的國際標(biāo)準(zhǔn)是IEC 608

14、59-1986，此標(biāo)準(zhǔn)未區(qū)分干式和充流式，只規(guī)定了一種尺寸。此后在1999年推出的修訂版IEC 60859-1999中做出較大修改，明確了GIS終端分為干式（短型）和充流式（長型），并規(guī)定了不同的尺寸（表2）。在2007年，IEC發(fā)布了新的標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271-209-2007，標(biāo)準(zhǔn)保持了干式和充流式的分類，但對(duì)各電壓等級(jí)的安裝尺寸做出了若干修正，目前IEC 60859和IEC 62271都在并行使用。國標(biāo)與之相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是GBT 22381-2008。表2. GIS終端與開關(guān)設(shè)備配合高度（IEC 60859-1999與IEC 62271-209-2007）66kV110kV220kV500

15、kV干式（短型）310mm470mm620mm960mm充流式（長型）583mm620mm960mm1400mmGIS終端也是根據(jù)國際規(guī)格的修訂而不斷發(fā)展，內(nèi)部絕緣方式由絕緣油氣方式到完全干式結(jié)構(gòu)，長度由長到短，重量由重到輕。由于GIS的全封閉結(jié)構(gòu)和高壓六氟化硫氣體良好的絕緣性能，所以GIS終端外絕緣一般采用環(huán)氧樹脂套管。當(dāng)前多數(shù)歐洲廠商在內(nèi)部絕緣上采取與戶外終端同樣方式，在應(yīng)力錐周圍充以絕緣油絕緣。此種方式需輔以油倉調(diào)整壓力，維護(hù)性差且不環(huán)保，日本廠商則基本采用干式絕緣結(jié)構(gòu)，施工方便，有利環(huán)保。油浸終端雖然沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，但是基本上采用了和GIS終端相同的結(jié)構(gòu)和尺寸連接。由于絕緣油的壓力

16、與介電常數(shù)與開關(guān)設(shè)備中六氟化硫氣體不同，因此擊穿強(qiáng)度較低。多數(shù)廠商采取優(yōu)化和加裝油浸終端高壓屏蔽罩的方法來調(diào)整電場(chǎng)分布，滿足電氣性能要求。特變昭和的GIS終端和油浸終端完全滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)要求，并且采用完全干式絕緣和插拔式結(jié)構(gòu)，不但環(huán)?？煽慷覙O大的方便了現(xiàn)場(chǎng)的施工。圖9. T形GIS終端日本的GIS終端標(biāo)準(zhǔn)主要是由終端廠家，GIS設(shè)備廠家和電力公司共同協(xié)商規(guī)定，因此GIS終端與開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)和連接具有較大的自由度。同時(shí)由于日本大城市的地價(jià)和工程費(fèi)用昂貴，所以較為重視GIS設(shè)備和GIS終端的小型化，短工期和省力化。日本昭和公司為此開發(fā)了T形GIS終端（圖9），采用試驗(yàn)端口一體化小型構(gòu)造，可

17、實(shí)現(xiàn)交流，直流耐壓試驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)完成，并且無需進(jìn)行絕緣油氣的處理，環(huán)保可靠。3. 附件制造技術(shù)的動(dòng)向在高壓附件的生產(chǎn)制造方面，不同廠家采取的制造方法也多種多樣，并且由于各主要制造商具有獨(dú)自的橡膠材料和環(huán)氧樹脂材料配方，模具設(shè)計(jì)以及注壓工藝等核心技術(shù)，所以附件的制造技術(shù)并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化。國內(nèi)電纜附件的制造技術(shù)一直落后與電纜，由于附件的橡膠絕緣件與環(huán)氧套管耐受電場(chǎng)強(qiáng)度集中，電氣性能要求高，對(duì)制造環(huán)境的異物，灰塵等潔凈等級(jí)有較高要求。另外附件產(chǎn)品的部件較多，出廠試驗(yàn)也較復(fù)雜，所以在附件制造上環(huán)境管理與流程管理是保證產(chǎn)品品質(zhì)的核心。特變昭和在附件制造上引進(jìn)日本的先進(jìn)制造管理經(jīng)驗(yàn)和進(jìn)口設(shè)備，從而使

18、國產(chǎn)附件制造水平得到了很大飛躍。3.1 制造環(huán)境管理l 各個(gè)制造流程與包裝在高等級(jí)的潔凈室中完成，并且使用塵埃粒子計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潔凈度（圖10）。圖10. 潔凈室制造管理l 潔凈室設(shè)置風(fēng)淋設(shè)備，進(jìn)入潔凈室人員需按要求穿戴專用潔凈服，并通過風(fēng)淋除塵后方可進(jìn)入潔凈室。圖11. 潔凈室人員管理l 整個(gè)廠房為全密閉結(jié)構(gòu)，并通過空調(diào)設(shè)備調(diào)節(jié)氣壓，保證車間處于正氣壓狀態(tài)，有效防止外界粉塵的進(jìn)入。l 全員開展并參與6S（整理，整頓，清掃，清潔，素養(yǎng)，安全）管理，并使之效率化，持久化。3.2 制造與檢測(cè)流程管理l 嚴(yán)格材料管理橡膠材料，樹脂材料，金具材料經(jīng)過嚴(yán)格檢測(cè)合格入廠后，須分類、定溫、定濕、定所和定時(shí)管理。l 嚴(yán)格制造工藝流程管理對(duì)所有制造流程的工藝參數(shù)實(shí)行定量管理（表3），每個(gè)產(chǎn)品的所有制造流程與參數(shù)都記錄并確?？勺匪荨１?. 工藝流程管理項(xiàng)目溫度濕度潔凈度真空度壓力速度時(shí)間過濾網(wǎng)配比Tg原材料保管金具洗凈模具安裝，解體環(huán)氧樹脂注型硅橡膠注型硅橡膠擴(kuò)徑EP橡膠帶擠出EP橡膠硫化l 嚴(yán)格品質(zhì)檢驗(yàn)