關于高壓XLE電纜的絕緣厚度

關于高壓XLPE電纜的絕緣厚度摘要：就電纜絕絕緣厚度設計計方法、XLPE電纜絕緣減減薄的技術發(fā)發(fā)展作了概述述。針對110kV、220kVXLPPE電纜絕緣厚厚度國內外存存在的差異，從從工程選用到到全面對待提提出了建議。關鍵字：高壓XXLPE電纜絕緣厚度絕緣弱點0前言高壓XLPPE電纜絕緣層層的必要厚度度，將是保障障電纜絕緣經(jīng)經(jīng)受各種可能能過電壓作用用下能可靠運運行的基礎。然然而，過于保保守的絕緣厚厚度，使電纜纜成本增加、電電纜外徑增大大、電纜載流流能力降低以以及在限重條條件下導致每每盤電纜長度度減少從而引引起工程中電電纜接頭增多多。在XLPEE電纜統(tǒng)一標標準中含有絕絕緣厚度的規(guī)規(guī)定，從有助助于技術性能能完善、確保保產(chǎn)品質量和和符合使用要要求等方面來來看顯然是有有積極意義的的，但在我國國加入WTO后，高壓電電纜的國內外外產(chǎn)品準入市市場主要以IEC標準作為準準則。在國外外高壓XLPE電纜絕緣普普遍較薄，而而國內制造廠廠有能力設法法改進工藝、提提高質量來改改善原有影響絕緣厚厚度因素的情情況下，如果果國內仍一成成不變地執(zhí)行行原厚度標準準，勢必使很很多企業(yè)失去去參與國際公公平競爭的機機會。為此，特特撰本文提出出建議，希望望有助妥善解解決矛盾。1電纜絕緣厚厚度的設計方方法電纜絕緣層層厚度△i是基于在其其預期使用壽壽命內能安全全承受各種可可能電壓條件件來確定的，一一般按工頻電電壓、沖擊電電壓二者均滿滿足要求來計計算。我國以以及日本、英英國、德國和和韓國等對高高壓單芯電纜纜絕緣厚度的的確定[1～3]均采用下式式（1）、（2）計算結果果中擇取較大大值的方法。(1）△i=BIL××k1×k22×k3/EELimp（2）式中,ELLac為符合韋伯伯分布的工頻頻擊穿電壓（平平均擊穿強度度）的最低值值,kV//mm;ELLimp為符合韋伯伯分布的沖擊擊擊穿電壓（平平均擊穿強度度）的最低值值，kV/mmm;K1、k1分別為工頻頻、沖擊電壓壓相應的老化化系數(shù)；K2、k2分別為工頻頻、沖擊電壓壓相應的溫度度系數(shù)；K3、k3分別為工頻頻、沖擊電壓壓相應的裕度度系數(shù)；Um為系統(tǒng)額定定電壓，kV；BIL為系統(tǒng)雷電電沖擊耐壓水水平，kV。部分國家對對110kV以上XLPE電纜的△i計算值、實實選值及其相相關參數(shù)擇取取值見表1。顯然，必須正確確的擬定關鍵鍵性參數(shù)和其其他相關參數(shù)數(shù)K1～K3、k1～k3，以使△i的擇取能滿滿足長期可靠靠安全運行的的要求。Um/kVBIL//kVV國別△i實選值/mmm△i計算值/mmmELac/kVV?mm-1Limp/kVV?mm-1K1K2K3k1k2k3工頻沖擊5001425日本[2]2724.324.540802.31.21.11.01.251.15001550德國[13]3029.429.330802.121.251.151.11.251.12751050日本[1]2726.926.730604.01.11.11.11.251.1154750日本[1]2322.822.820504.01.11.11.11.251.12201050中國*2724.626.525604.01.11.11.11.251.12201050中國**2617.420.630702.691.21.11.01.251.1表1高壓XLLPE電纜△i計算值、實實選值及其相相關參數(shù)擇取取值*鄭州電電纜廠；**山東電纜廠廠，纜芯截面面為800mm2。為了有助于于認識這些參參數(shù)的意義，不不妨通過了解解日本研制500kVXLLPE電纜時時確定△i的做法，以以資借鑒啟迪迪。1.1ELac、ELimp的確確定方式[11,2]電纜的的絕緣擊穿分分散性通常以以韋伯（Weibuull）分布表征征，XLPE電纜在電場場強度為E時絕緣被擊擊穿的概率為為（3）式中,EL為位置參數(shù)數(shù)；E0為尺寸參數(shù)數(shù)；M為形狀參數(shù)數(shù)。按電纜纜絕緣的體積積V來表征XLPE電纜在電場場強度為E時絕緣被擊擊穿的概率，則則式（3）可變換成成P(E)=1-eexp[-kk?V(E-EL)m］（4）式中，k為相關常數(shù)數(shù)。從數(shù)值值統(tǒng)計意義上上看，在XLPE電纜的電場場強度為最低低擊穿場強EEL值及以下時時，絕緣被擊擊穿的概率為為零。電場強度度表征值的擇擇取[2～3]。電場強強度在內半導導電層處有最最高場強Emax與平均均場強Emean之分分。Emax=U/[rln(R/r)］Emean=U/△i式中，R、r為絕緣層、內內半導電層的的半徑；U為電壓。有的國國家（法國、荷荷蘭等）用對對XLPE電纜如充油油電纜同樣的的方式取Emax表征。在在法國，對400kVXLLPE電纜，絕絕緣厚度按工工頻Emaxacc=16kV/mm來確定；若若截面為1200mm2以下時按沖沖擊Emaximmp=85kV/mmm來確定；大大截面則按工工頻最小Emaxacc=7kV/mmm來制約絕緣緣厚度。另外，由由于XLPE電纜絕緣弱弱點（如雜質質等）具有隨隨機分布性，因因此，電纜絕絕緣擊穿實際際不一定始于于Emax，因而而認為以Emean表征征更為合理。日日本、德國、英英國、韓國等等就采取此方方式。此外，試試驗顯示，EEmax隨d/D（d、D為電纜絕緣緣的內、外徑徑）比值變化化而變化，隨隨電纜截面增增大而趨于減減小，但Emean卻不不隨d/D比值變化而而異，故在XLPE電纜的絕緣緣厚度為待定定對象時，擇擇取Emean較簡簡明合適。以包含薄薄絕緣層試樣樣等測試方式式確定擊穿場場強[2]日日本研制500kVXLLPE電纜時時，在改善絕絕緣弱點（雜雜質、半導電電層突起等）的的生產(chǎn)工藝及及其質量監(jiān)控控方面比以往往275kVXLLPE電纜的的制造有了明明顯的進步。進進行絕緣設計計時，曾按500kVXLLPE電纜工工藝條件制備備了一批比預預期絕緣厚度度（25～30mm）薄些（6、9、15mm）的試樣樣。（1）以絕緣層較較薄的樣品進進行測試取得得反映絕緣特特性的基礎數(shù)數(shù)據(jù)。以絕緣緣厚度為6mm的樣品40個在室溫下下測試其擊穿穿場強值整理理出按F(x%)的韋伯分布布曲線。得到到最低擊穿場場強ELac=577kV/mmm、mac=1.4、Eoac=155kV/mmm，ELimp=1112kV/mmm、mimp=1..8、Eoimp=335kV/mmm（電纜樣品品條件d、D分別為16.7mm、28.7mm）；并根根據(jù)式（3）、（4），按樣品品長為10m的條件算出出V，可求得kac=5.2273×100-9/mm3、kimp=3..885×110-9/mm3。

又對絕緣緣厚度分別為為6、9、15mm的3類樣品分別別測試其擊穿穿場強值，察察明△i影響Emean的變變化情況，結結果歸納出測測試值的關系系式有：ELac(△i)=78△i-0.188

（5）ELimp(△i)=155△i-0.188（6）(2)按500kVXLLPE電纜實實際尺寸（△i為27～30mm，截面為2500mm2，d、D分別為61.2、120.22mm，長為20m）算出此時時的V值。由式（3）、（4）可推算出出此時的Eoac=1..1kV/mmm、Eoimp=44.7kV/mmm。當△i為27mm時，由式式（5）、（6）有ELac=433.1kV/mmm、ELimp=885.6kV/mmm；若取△i為30mm時，ELac=422.2kV/mmm、ELimp=884kV/mmm。實際擇取取ELac=400kV/mmm、ELimp=880kV/mmm，見表1中所列。（3）對500kVXLLPE試制電電纜的設計電電場強度進行行驗證試驗。施施加電壓應不不小于式（1）、（2）分子項Uac=5500K1K2K3/=9700kV；Uimp=1425k1k2k3=1960kV。實際上上，△i按擊穿概率63.2%相當?shù)碾妷簤?。運用上述述(2)中所示數(shù)據(jù)據(jù)，由式（3）算出Fac（63.2%）=44.22kV/mmm，施加的工工頻電壓應為為1195（44.2××27）kV；Fimp（63.2%）=90.33kV/mmm，施加的沖沖擊電壓應為為2440（90.3××27）kV。由試驗驗結果,擊穿概率均均小于63.2%獲驗證。1.2其他參數(shù)數(shù)確定方式11.2.1老化系數(shù)數(shù)(1)工頻老化系系數(shù)K1。XLPE電纜長期運運行的老化特特性通常以下下列關系式表表達Ent=常數(shù)（7）式中，EE為擊穿電壓壓；t為擊穿時間間；n為壽命指數(shù)數(shù)。電纜的的工頻老化系系數(shù)K1可按電纜有有效使用壽命命（年）與施施加EL的時間（1h）之比并引引入n求得(8)60年代，國際際大電網(wǎng)會議議（CIGRE）有Kreugger、Oudin先后就XLPE電纜基于抽抽樣存在微孔孔的長期試驗驗，提出n應取9較安全[2,,4]。若按按使用壽命為為30年，則K1=4。日本等國國家以往多按按此方法設計計[1]。90年代初，日日本的研究進進展對n值進行了重重新評估，認認為長期運行行中電纜處于于較低場強范范圍，可允許許n值達到20左右；隨著著工藝進步，已已不存在影響響絕緣特性的的微孔；還查查明XLPE絕緣交聯(lián)時時殘存的微小小水分（約100μL/L）不影響老老化特性。通通過約1年的施加電電壓下老化特特性試驗，證證實n＞15可行。因此此，對500kVXLLPE電纜的的設計開始采采取n=15[2,,4]。超高壓XLPE電纜設計中中，韓國、英英國現(xiàn)也取nn=15，但英國對對含有電纜附附件的情況取取n=12。而德國在在已取n=12基礎上，對500kVXLLPE電纜確確定n=17，并依照使使用壽命為40年計算[3]]。（2）沖擊老化系系數(shù)k1。考慮到雷雷電過電壓重重復作用引起起的老化，一一般取k1=1.1。但日本在在進行500kVXLLPE電纜設設計時，既分分析了以往計計入一些影響響k1的因素不需需考慮，又進進行了反復沖沖擊以及工頻頻疊加沖擊等等試驗，得出出完全不需計計入沖擊老化化系數(shù)的結論論即取k1=1。溫度系數(shù)數(shù)K2、k2考慮慮電纜運行溫溫度比室溫高高，而絕緣擊擊穿電壓在高高溫下比常溫溫時低，通常常計入溫度系系數(shù)K2一般不小于1.1，k2一般不小于1.25。日本本曾對6mm厚XLPE絕緣電纜在在室溫與高溫溫下測試其工工頻擊穿電壓壓值的差異性性，得到90℃與室溫，K2達1.17；230℃與室溫，K2為1.2。因此，500kVXLLPE電纜設設計取K2=1.2[22]。日本90年代報導XLPE電纜室溫與90℃下?lián)舸╇妷簤翰顒e，所顯顯示的溫度系系數(shù)與絕緣厚厚度有關系。如△i為6～7mm時，K2=1.05；△i為19～27mm時，K2=1.12。又△i分別為2.5、9、13mm時，K2相應為1.33、1.17、1.29[4]。因此，現(xiàn)行K2、k2的擇取值或許并非最恰當，適當提高些將有利于安全。裕度系數(shù)一般多取1.1。德國對新開發(fā)的500kVXLPE電纜取K3=1.15，或許有其偏安全的考慮。1.3電纜絕緣設計關于可靠性的考慮[3]除上述絕緣設計按初期擊穿場強的擊穿概率為零的方法外，法國在式（3）中計入電纜長度（體積）這一要素，即按實際電纜事故概率值是否合乎預期要求來判斷。他載于法國150～500kV交聯(lián)聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯絕緣電纜標準HN33-S-55中。表2日本222～77kVXLLPE電纜絕絕緣厚度年度度變化[4]]2XLPE電電纜絕緣減薄薄的技術發(fā)展展2.1日本XLPE電纜絕緣減減薄進程概況況XLPE電纜問世以以后，通過長長期實踐和深深化認識，隨隨著不斷改進進制造技術與與工藝、改善善構造方式的的努力，多年年來日本XLPE電纜經(jīng)歷了了分階段減薄薄絕緣厚度的的發(fā)展變化，變變化情況見表表2、表3。由表2、表3可見：（1）各電壓等等級XLPE電纜都在不不同程度上體體現(xiàn)有絕緣層層減薄的變化化經(jīng)歷。一段段時期減薄前前后二種絕緣緣厚度產(chǎn)品的的并存，意味味著在這一時時期有部分廠廠家、部分電電纜的絕緣層層先行減薄了了。表3日本1554～500kVXLLPE電纜絕絕緣厚度制造造年度變化[[4]（2）促促成絕緣減薄薄的主要因素素是提高絕緣緣的最低擊穿穿場強水平。他他依賴于制造造工藝技術的的改進狀況，或或基本制造條條件（如干法法交聯(lián)、三層層共擠）未變變，但當改善善絕緣弱點提提高到較嚴格格的質量目標標監(jiān)控水平時時，就有助于于絕緣減薄跨跨出新的一步步。如雜質由由50μm限制至20μm，工頻擊穿穿場強可相應應由50kV/mmm增至64kV/mmm。2.2其他有助助減薄絕緣的的途徑[5]]針對XLPE電纜絕緣與與半導電層之之間界面的絕絕緣弱點改善善程度尚未達達到理想狀態(tài)態(tài)的現(xiàn)狀，如如界面近傍的的聚乙烯可能能存在相對低低質量或有較較大的自由體體積；其界面的粗糙或或凸起使其局局部形成高電電場。近年來來提出了一種種改善界面的的界面擴散法法，他是在半半導電層中添添加特殊成分分的填料，使使其在擠出過過程中擴散到到聚乙烯層中中。試驗證實了這這樣可提高電電纜絕緣的擊擊穿強度，如如原來9mm厚絕緣層層用于66kV等級，按按界面擴散法法工藝制作后后就可適用至至154kV等級。此此工藝不影響響絕緣層的介質質損耗正切等等電氣性能。這這一試驗研究究成果應用于于制造實踐還還有待時日，或或許今后XLPE電纜絕緣厚厚度還有再進進一步減薄的的可能。3110kV及以上XLPE電纜絕緣厚厚度現(xiàn)狀述評評*按GB111017—89，纜芯截面面為240、300、400、500、630、800mm2及以上時，絕絕緣厚度相應應為19、18.5、17.5、17、16.5、16mm。**按CSBTSS/TC2113-01--1999，纜芯截面面為400和500、630、800、10000mm2及以上時，絕絕緣厚度相應應為27、26、25、24mm。（1）我國在制訂訂的統(tǒng)一電纜纜標準中規(guī)定定了絕緣厚度度，這對各廠廠初期產(chǎn)品的的規(guī)范化具有有積極意義，且且其指標制訂訂當時不失先先進性。如對對比美國愛迪迪生照明公司司聯(lián)合會（AEIC）制訂電纜纜技術條件同同類標準[66]，110kVXLLPE電纜絕絕緣厚度我國國比美國薄，沒沒有其保守。（2）XLPE電纜絕緣厚厚度往往受雷雷電沖擊耐壓壓水平（BIL）制約，同同一額定電壓壓級的BIL在我國與其其他國家并非非都等同。如如我國220kV與日本275kV的BIL一樣，意味味著同一額定定電壓的BIL我國較高，相相應絕緣較厚厚，選用國外外產(chǎn)品應注意意。（3）從動態(tài)發(fā)展展觀點看，電電纜絕緣厚度度并非一成不不變。有持此此觀點的國內內專業(yè)人士指指出，按我國國國家標準規(guī)規(guī)定的110kVXLLPE電纜絕絕緣厚度可以以在絕緣安全全裕度范圍內內適當?shù)販p薄薄[7]。鑒于于我國標準修修訂的時間往往往間隔過長長，常滯后于于技術發(fā)展水水平。如果機機械性地以現(xiàn)現(xiàn)行標準制約約電纜絕緣厚厚度，客觀上上不利于國內內電纜制造企企業(yè)參與市場場公平競爭；；反過來，缺缺乏市場從而而難獲效益的的企業(yè)，由于于實現(xiàn)制造工工藝技術進步步的資金難以以為繼，將更更無條件改變技術術落后的局面面。（4）客觀形勢的的發(fā)展需要絕絕緣層盡可能能薄的電纜。電電纜絕緣層減減薄不僅可降降低電纜造價價，同時還可可提高載流能能力、增加每每盤電纜的容容許長度并減減少接頭，從從而帶來提高高運行可靠性、減減少工程投資資等綜合效益益，為此，①在工程訂貨貨技術條件制制訂時，對國國內外電纜均均應遵循IEC660840等標準，同同時，除了要要強調滿足我我國系統(tǒng)的BIL水平外，不不必硬性規(guī)定定國產(chǎn)電纜絕絕緣厚度，宜宜以較變通措措詞不限制廠廠家率先實施施工藝改進、減減薄絕緣厚度的積極性性。如此，將將有助推動技技術進步，實實現(xiàn)良性循環(huán)環(huán)的局面。②借鑒日本減減薄絕緣厚度度技術發(fā)展經(jīng)經(jīng)驗，鼓勵有有條件的企業(yè)業(yè)通過制造工工藝革新以改改善絕緣性能能；開展必要要的試驗，提提出減薄絕緣緣的分析論證證，并用通過過預鑒定試驗驗方式佐證。如110kV等級電纜纜，除按20次熱循環(huán)試試驗的國標要要求外，也可可考慮適當延延長但應短于于220kkV的預鑒定試試驗時