1 引 言
當今國內(nèi)、外市場上高壓交聯(lián)電纜附件品種繁多,結構都不相同,各有特點。用戶的正確選型不僅影響電纜工程的施工和投資,也直接影響電纜系統(tǒng)的安全運行和使用壽命。對電纜附件制造廠商而言,把握好產(chǎn)品方向,給用戶最理想的產(chǎn)品,也是一個重大課題。
本文對當今110kV及以上電壓等級的交聯(lián)電纜附件的結構特點及生產(chǎn)、安裝和使用中應注意的問題進行了分析,對涉及高壓交聯(lián)電纜終端的結構選型方面的一些問題進行探討并提出對產(chǎn)品品質(zhì)的評判的原則,供設計、制造、安裝、運行等部門參考。
2 高壓交聯(lián)電纜附件的現(xiàn)狀
國內(nèi)新建設的高壓電纜工程,大多是采用預制型電纜附件。預制型電纜終端的種類很多,以下對國內(nèi)外流行的主要類型及其結構特點進行評析。
傳統(tǒng)的預制型終端的內(nèi)絕緣采用預制應力錐控制電場,外絕緣是瓷套管(或環(huán)氧樹脂套管)。套管與應力錐之間一般都充以硅油或者聚丁烯、聚異丁烯之類的絕緣油。出廠時,制造廠提供的是橡膠預制應力錐、瓷套、絕緣油等零部件,在現(xiàn)場安裝時再裝配成終端。現(xiàn)代預制型終端有三種基本結構[1]。
(1)將橡膠預制應力錐機械擴張后套在電纜絕緣上。這種結構的特點是應力錐直接套在電纜絕緣上,依靠應力錐材料自身的彈性保持應力錐與電纜絕緣之間界面上的應力和電氣強度。歐美一些國家的電纜制造廠商,如我國用戶熟悉的瑞士Brugg,意大利Pirelli,法國Nexans,德國Siemens等公司以及我國沈陽電纜廠、上海三原電纜附件公司、北京國電四維電力技術公司都有這種結構的產(chǎn)品。圖1所示的國產(chǎn)戶外終端產(chǎn)品是這種結構的典型。它的外絕緣是瓷套(GIS終端一般用環(huán)氧樹脂套管)。內(nèi)絕緣是一個合成橡膠(硅橡膠或乙丙橡膠)預模制應力錐,瓷套(或環(huán)氧樹脂套管)內(nèi)注入合成絕緣油。
顯然,這種結構簡單。但是存在兩個令人關心的技術問題:1)合成橡膠應力錐與浸漬油的相容性;2)在高電場和熱場作用下,預模制的橡膠應力錐老化會引起界面壓的變化(松弛),從而降低電氣強度。以上兩個問題實際上就是一個材料問題。合適的材料既可以使合成橡膠與浸漬油相容,又可以確保良好的老化性能。上述歐美國家的電纜制造廠商大量產(chǎn)品的長期安全運行經(jīng)驗可以證明這一點。
(2)采用彈簧壓緊裝置。這種結構的結構特點是在應力錐上增加一套機械彈簧裝置以保持應力錐與電纜之間界面上的應力恒定(如圖2所示),輔以對付在高電場和熱場作用下,橡膠應力錐老化后可能會引起的界面壓力的變化(松弛)。這種結構還有一個很重要的特點,從圖2可以看到它的橡膠應力錐與浸漬油基本隔離,從而消除了應力錐材料溶漲的可能性。
圖2所示的在應力錐上增加彈簧裝置的結構在設計上似乎更周全些。但是,結構復雜了,對制造和現(xiàn)場安裝的要求都提高了,現(xiàn)場安裝的時間也增加。
(3)采用一種非橡膠應力錐,在設計上它既能提供可靠的應力控制又能避開應力錐與電纜絕緣直接接觸。典型的結構是美國G&W公司設計的產(chǎn)品,在我國已經(jīng)有不少用戶。圖3示出這種結構的138kV交聯(lián)電纜戶外終端和GIS終端的結構示意。它在工廠內(nèi)已經(jīng)把主要的零部件:瓷套管、應力錐(成型鋁合金噴鍍環(huán)氧樹脂)、頂蓋、底盤和油壓調(diào)整裝置等都裝配好,并且充滿絕緣油。安裝時,當把電纜端部準備好后,把預制終端套入電纜即可。從使用角度來看,這種結構可以允許配套電纜有較大的直徑和偏心度的制造公差。
圖3 138kV交聯(lián)電纜戶外終端結構示意(應力錐民電纜絕緣不直接接觸)
1—導體引出桿 2—屏蔽罩 3—密封環(huán) 4—絕緣油補償裝置 5—電纜絕緣 6—絕緣油 7—瓷套管 8—應力錐 9—密封環(huán) 10—支持絕緣子 11—尾管 12—環(huán)氧樹脂套管 13—鋁外殼 14—閥門 15—接地環(huán)
上述三種結構各有所長,均達到了實用化水平,都已經(jīng)有比較成熟的使用經(jīng)驗。
GIS終端和變壓器終端的基本結構與各公司的戶外終端相似。由于GIS是在全封閉環(huán)境下運行,可以免受大氣條件和污穢的影響,加上SF6氣體的良好絕緣特性,所以GIS終端的外絕緣采用環(huán)氧樹脂套管,其尺寸比戶外終端瓷套小得多。它的內(nèi)絕緣用的應力錐和絕緣油與戶外終端相似。
在圖1和圖3的GIS電纜終端的環(huán)氧樹脂套管內(nèi)充有絕緣油,稱為濕式(或充油式)GIS電纜終端。圖2的GIS終端內(nèi),不灌注絕緣油,稱干式GIS電纜終端。
為了規(guī)范GIS電纜終端與GIS開關設備的具體配合尺寸和明確電纜制造廠與開關制造廠的各自供貨的范圍,國際電工委員會制定了IEC859標準。因此,按照IEC859標準設計制造的GIS電纜終端都可以安裝在任何廠商制造的標準型GIS設備上。
IEC859標準的最早版本是1986年頒布的,當時規(guī)定GIS電纜終端,不分濕式或干式,在電纜倉內(nèi)的高度Ls是相同的。例如,110kVGIS電纜終端的Ls=757±1mm。之后該標準又幾經(jīng)修改,1999年頒布的最新版本IEC60859-1999明確了GIS電纜終端分為濕式和干式兩種類型,110kV濕式GIS電纜終端的Ls仍為757±1mm。而110kV干式GIS電纜終端的Ls為470±1mm。
變壓器終端的基本結構與GIS終端的基本結構十分相似,但是變壓器油與SF6氣體的電容率(介電常數(shù))不同,因而整個終端的電場分布也不完全相同。另外,變壓器油的擊穿強度也較SF6氣體低。事實上,大多數(shù)制造廠采用的是改變變壓器終端套管高壓屏蔽罩的形狀調(diào)整電場分布,達到盡可能使變壓器終端與GIS終端相同的結構。
隨著硅橡膠在電氣絕緣領域成功的使用,人們開始把硅橡膠的應用拓展到電纜終端的外絕緣領域。首先人們采用硅橡膠復合套管代替瓷套作為戶外終端的外絕緣。復合套管重量輕,有優(yōu)良的防爆性,保證了周圍的人員和設備的安全。因此,它的出現(xiàn)受到普遍地關注,特別是使用在人口或設備密集地點。
上世紀90年代末,一種新型的全預制干式合成絕緣戶外電纜終端問世。瑞士Nexans公司開發(fā)的的結構如圖4所示。不久,國內(nèi)的長沙電纜附件公司和廣東長園電纜附件公司相繼開發(fā)成功類似的產(chǎn)品。這種新型的戶外終端是集應力錐、傘裙和絕緣層于一體,成為一個整體預制件。這種結構極大地簡化了終端的安裝工序,即在通常處理完電纜并壓接好接線桿后,將整個終端預制件套入電纜的絕緣上即成。
圖4 123kV全干式軟性合成絕緣戶外終端結構示意(瑞士Nexans公司)
1—硅橡膠預制件(應力錐、傘裙和絕緣層成一體) 2—頂帽(屏蔽罩) 3—導體引出桿 4—泄漏電流收集環(huán) 5—接地極
北京國電四維電力技術公司開發(fā)的干式合成絕緣戶外電纜終端是用一個電容錐控制終端的電場,如圖5所示。從原理上講,電容錐控制電場的效果優(yōu)于應力錐,但制造上比較麻煩。110kV電壓等級的電纜終端用應力錐已足可以有效控制電場,國外一般在275kV以上才使用電容錐式電纜終端。國內(nèi),在110kV電壓等級的充油電纜系統(tǒng)中使用過電容錐式電纜終端,取得令人滿意的效果。
3 關于選型的若干問題
初入高壓電纜附件領域的用戶,選型時容易進入追求“新潮”的誤區(qū),認為新開發(fā)的產(chǎn)品一定比老產(chǎn)品好。其實不然。在上述圖1～圖5各類電纜終端中,每種結構都具有一系列優(yōu)點,但也存在一些弱點。而且,某個結構的某個特點,在某種使用場合下是優(yōu)點,在另一種使用場合也許成為不希望存在的缺點。以下僅舉兩個例子作為說明。
3.1 硅橡膠復合套管和瓷套的選擇
圖1、圖2和圖3的各類終端都可以用硅橡膠復合套管代替瓷套作為戶外終端的外絕緣,制造廠也作出明碼標價提供給用戶選擇。
圖5 126kV全干式電容錐戶外終端結構示意(北京國電四維電力技術有限公司)
復合套管重量輕,方便了運輸和現(xiàn)場安裝。與瓷套相比,復合套管的最大優(yōu)點是有優(yōu)良的防爆性能。終端內(nèi)絕緣發(fā)生擊穿時,終端內(nèi)部壓力劇增,甚至使瓷套爆炸。瓷套是脆性材料,爆炸后的碎片會殃及周邊其它電氣設備和人員安全。這種事故確曾發(fā)生過多起。柔性的復合絕緣材料正好能克服瓷套的這一弱點,保證了周圍的人員和設備的安全。這是硅橡膠復合套管突出的優(yōu)點。
然而,硅橡膠復合套管是有機復合材料,它的穩(wěn)定性比無機材料的瓷套差。由于復合套管投運時間還不長,這一點尚未積累足夠的、運行令人信服的資料。我們可以參考材質(zhì)與之類同的線路絕緣子運行經(jīng)驗。
我國輸變電設備己成功地使用了約200萬支復合絕緣子。十幾年的運行經(jīng)驗證明,硅橡膠復合絕緣材料的機械特性、電氣性能和穩(wěn)定特性等均能滿足運行要求。今后,在我國輸變電設備中還會得到大量使用復合絕緣材料作為外絕緣材料。但是,根據(jù)線路絕緣子的運行經(jīng)驗,復合絕緣子在運行一定年限后會出現(xiàn)憎水性、機械特性和電氣性能下降,密封劣化等現(xiàn)象[2]。文獻[3]對全國各地區(qū)已運行1～11年的不同電壓等級的復合絕緣子進行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)不少絕緣子的表面憎水性減弱,傘套材料脆化、硬化、粉化、開裂,傘裙材料起痕、樹脂狀通道、損蝕,傘裙變形嚴重。不同地區(qū)劣化程度不一樣。文獻[3]認為:這說明大氣條件對復合絕緣子的劣化有較大影響。另一方面,文中也指出,相同運行條件下,不同制造廠的產(chǎn)品的劣化程度也不一樣。
根據(jù)文獻[2]、[3]提供的研究結果,沒有理由不相信這樣的事實:硅橡膠復合套管的長期老化性能比不上瓷套,后者在輸變電行業(yè)已成功地使用了百余年的歷史,足以證明它的可靠性——電氣性能、機械強度及耐氣侯性能都十分穩(wěn)定。因此,至少目前不會存在硅橡膠復合套管淘汰瓷套的可能。歐洲和日本等一些國家,雖然對硅橡膠復合套管作了許多研究工作,而且也有不少數(shù)量出口,但是他們在國內(nèi)對硅橡膠復合套管的選用還是十分謹慎的,多數(shù)情況下還是采用瓷套管。
筆者認為,正確的選擇應根據(jù)實際的使用條件確定,比如在大城市人口和設備密集地區(qū),硅橡膠復合套管的防爆性凸現(xiàn)了重要性;相反,在一些氣候條件惡劣的地區(qū),選用瓷套也許更合適,因為終端爆炸的幾率畢竟很小。
3.2 全預制干式合成絕緣戶外終端和傳統(tǒng)預制式終端的選擇
全預制干式合成絕緣戶外終端的結構簡單、重量輕,特別是現(xiàn)場安裝十分方便。由于終端內(nèi)不存在絕緣油和氣,徹底消除了油、氣泄漏的可能,給用戶一種沒有隱患的安全感。柔性的結構又允許它以橫、豎或任何方向安裝使用。
圖4、圖5所示的全預制干式合成絕緣戶外終端都通過了嚴格的鑒定試驗,并且也安全地運行了一定時間,已經(jīng)證明了這種類型的終端能滿足運行要求。今后,在我國110kV電壓等級的電纜系統(tǒng)中還會繼續(xù)得到使用。但這并不是證明它是完美無缺的結構,或者有可能淘汰傳統(tǒng)預制式終端結構。
除了存在在上一個例子中討論到的有機復合材料作外絕緣的一些缺點外,還有一個令人關注的電場問題。
圖6 110kV戶外終端電場分布(等位線)計算結果1—屏蔽罩 2—電纜絕緣 3—絕緣油 4—橡膠應力錐絕緣5—橡膠應力錐的導電體 6—瓷套管
圖6示出圖1的傳統(tǒng)預制式戶外終端電場分布的計算結果。從圖中不難看出,應力錐附近的等位線最密集是電纜終端電場最集中的部位。眾所周知,絕緣界面的絕緣強度比絕緣材料本體低。因此,在設計終端內(nèi)絕緣時,設計者總是盡可能地把絕緣界面處置在電場分布相對比較均勻和電場強度相對較弱的地方。
先看傳統(tǒng)預制式戶外終端(圖6),應力錐附近有這樣幾個絕緣界面(由中心向外周):①應力錐的橡膠絕緣與絕緣油;②絕緣油與瓷套內(nèi)壁;③瓷套外壁與大氣。其中,界面①,即應力錐的橡膠絕緣與絕緣油的界面等位線最密集,說明這里電場最集中。然而,應力錐的橡膠與絕緣油的界面電氣強度還是比較高的,而且也很穩(wěn)定。界面的電氣強度最低的部位是界面③瓷套外壁與大氣,而且受污穢、水分、紫外線等大氣條件的影響,絕緣強度不穩(wěn)定。但是這里的等位線密度比界面①疏松得多,也即電場強度弱得多。因此,整個終端的電場分布十分合理,電場集中的部位用高強度介質(zhì)(包括界面),介質(zhì)強度差的部位,電場強度不高。
回過來看圖4的全預制干式戶外終端。筆者沒有獲得圖4的設計資料,不可能做出像圖6那樣定量的電場分布計算結果。定性地分析,圖4的全預制干式戶外終端應力錐橡膠的沿面上的電場分布應該與圖6的計算結果接近。事實上,設計者為了降低這部分的場強,調(diào)整了應力錐形狀和增加了應力錐的尺寸(主要是絕緣橡膠的厚度),但是這些都不會大幅度降低該處電場分布。應力錐的橡膠界面還是處于高場強下。必須注意,這種結構的應力錐表面是直接暴露在大氣中,不僅界面的絕緣強度低而且直接受污穢、水分、紫外線等大氣條件的影響,絕緣強度不穩(wěn)定。可以推斷,特別是在重污穢地區(qū)或紫外線強烈的南方,長時間老化之后,絕緣性能會有所下降。
從上述兩個分析例子可以看到,眾多類型的電纜附件,各有所長,很難確定哪一種最佳或哪一種最差,這也是這些電纜附件能在近十多年時間里并存發(fā)展的原因。電纜附件的選型應該根據(jù)實際使用要求決定,不必盲目追求“新潮”,適用才是最好。
初入高壓電纜附件領域的用戶,選型時容易把安裝施工的方便性置于太重要的位子。高壓電纜附件有一個特點。制造廠在出廠時提供的是橡膠預制應力錐、瓷套、絕緣油等零部件,在現(xiàn)場安裝后才成為成品——完整的、保證質(zhì)量的附件產(chǎn)品。因此,安裝施工確實是整個產(chǎn)品質(zhì)量的十分重要的部分。可以這么說,同一套產(chǎn)品,不同水平的施工人員安裝的結果,產(chǎn)品的水平也不一樣。
好的安裝工藝對現(xiàn)場環(huán)境要求和對操作工人技術水平要求相對比較低,安裝質(zhì)量容易控制,產(chǎn)品質(zhì)量容易保障。
嚴格講,高壓電纜附件的安裝是制造廠工作的一部分,而不是用戶的工作。對用戶來說,重要的是安裝后的附件產(chǎn)品的可靠性。
可靠性永遠是電纜工程的第一重要的考慮因素。在可靠性的基礎上才談得上安裝施工的方便性和價格的貴賤,否則得到的將是最大的麻煩和最昂貴的代價。當然,確保所選附件的可靠性,除了正確選型外,還有涉及生產(chǎn)制造、施工安裝和試驗驗收等一系列問題。
安裝工藝簡便與否確實是電纜附件選型的一個重要的條件,但是沒有必要把安裝施工的方便性置于太重要的位子。
4 高壓電纜附件品質(zhì)評判
評判電纜附件品質(zhì)的因素是多元的,原則上有以下各幾個方面:
(1)電氣性能。電氣性能的好壞是評判電纜附件品質(zhì)的首要原則。主要考慮電纜附件的電場分布是否合理,改善電場分布的措施是否恰當,材料的電氣強度、介質(zhì)損耗和產(chǎn)品的絕緣裕度等。
同時,還須考慮電性能的穩(wěn)定性,包括電纜附件材料的化學、物理性能和結構的穩(wěn)定性等,例如應力控制材料性能是否穩(wěn)定,應力錐是否易變形,電纜絕緣回縮對電纜附件的電場分布的影響及防止措施,各種材料結合的相容性,結合界面性能的穩(wěn)定性等。
此外,還應考慮電纜附件的熱性能,如介質(zhì)損耗、導體連接的接觸電阻及其穩(wěn)定性、熱量的傳導釋放、熱脹冷縮對各部件電性能和機械性能的影響等。
(2)密封性能。密封防潮性能直接影響電纜附件的電氣性能和使用壽命。終端的密封結構是否可靠、穩(wěn)定。一般來說,中間接頭也應有一個與之相匹配金屬防潮外殼,特別是直埋或使用在潮濕環(huán)境中。
(3)機械性能。終端應該有足夠的抗彎、防震的能力。中間接頭應能承受一定的拉力和防止外力損傷的措施。
(4)工藝性能。工藝性能是電纜附件設計和選型的一個重要的條件,安裝工藝應盡量簡單,便于現(xiàn)場施工,工期短;對現(xiàn)場環(huán)境要求和對工人技術水平要求不高;安裝質(zhì)量容易控制,質(zhì)量可靠等。
(5)制造廠商的質(zhì)量保證體系。預制型電纜附件出廠時,制造廠提供的是橡膠預制件、預制應力錐、瓷套、外殼、浸漬劑等零部件,在現(xiàn)場安裝時再裝配成整體終端或接頭,因此,每一個零部件的制造質(zhì)量和安裝工藝好壞都與產(chǎn)品的最終質(zhì)量直接相關。這套質(zhì)量保證程序至少應包括以下內(nèi)容:
1)出廠時,應該嚴格對關鍵零部件(例如,橡膠應力錐、GIS的環(huán)氧樹脂套管、浸漬劑、中間接頭的預制件等)進行出廠試驗。仔細檢查試驗和測量設備是否可靠,試驗方法是否有效、試驗人員是否訓練有素和試驗記錄是否齊全;
2)制造廠派遣的安裝和施工人員是否受到嚴格培訓和有足夠施工經(jīng)驗;
3)制造廠不同部門之間的協(xié)調(diào)是否良好;4)以往的銷售和運行記錄。
5 結束語
當今國內(nèi)、外市場上高壓交聯(lián)電纜附件品種繁多,結構都不相同。眾多類型的電纜附件,各有特點。很難確定哪一種最佳或哪一種最差,這也是這些電纜附件能在近十多年時間里并存發(fā)展的原因。用戶的正確選型不僅影響電纜工程的施工和投資,也直接影響電纜系統(tǒng)的安全運行和使用壽命。電纜附件的選型應該根據(jù)實際使用要求決定,不必盲目追求“新潮”,適用才是最好。
可靠性永遠是電纜工程的第一重要的考慮因素。在可靠性的基礎上再談得上安裝施工的方便性和價格的貴賤,否則得到的將是最大的麻煩和最昂貴的代價。
高壓電纜附件的可靠性可以從電氣性能、密封防潮性能、機械性能和工藝性能等方面進行評判。制造廠商的生產(chǎn)管理也直接影響電纜附件的總體質(zhì)量。因此,制造廠商的質(zhì)量保證體系也是評判電纜附件品質(zhì)的重要原則。
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