500 kV交联聚乙烯电缆附件的开发

陈猛猛， 刘丽丽， ［日］住本勉

（特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司，山东新泰271200）

500 kV交联聚乙烯电缆附件的开发

陈猛猛， 刘丽丽， ［日］住本勉

（特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司，山东新泰271200）

主要介绍了所开发的500 kV交联聚乙烯（XLPE）电缆附件的结构特点，对开发过程中的材料选择、绝缘设计、机械强度设计等开发要点进行了分析。所开发的500 kV XLPE电缆附件通过了GB/T 22078.3—2008规定的型式试验及预鉴定试验。

500 kV；XLPE电缆；电缆附件；整体预制式中间接头；冷缩；户外终端

0 引 言

500 kV电缆附件是国际、也是国内最高电压等级的电缆附件，是目前电缆附件产品开发研究的焦点。本次研制的500 kV交联聚乙烯（XLPE）电缆附件包括户外终端、SF6气体绝缘终端（以下简称GIS终端）及整体预制橡胶绝缘件接头（以下简称中间接头）。

中间接头采用工厂预扩径整体预制式结构，其主要特点是其应力锥及主绝缘部分为“一件式”、“预制式”橡胶本体，并预先在工厂内进行扩径，现场施工时只需将扩径管抽出即可完成安装。同时将这种预扩径技术应用到500 kV户外终端用应力锥的设计中。

本文主要讲述开发的500 kV XLPE电缆附件的结构特点、开发要点及鉴定试验结果。

1 500 kV XLPE电缆附件结构

1.1500 kV中间接头

图1为500 kV中间接头的结构图。本次开发的500 kV中间接头结构与110 kV及220 kV中间接头结构相同，均采用冷缩式橡胶绝缘本体来进行电场控制，即图1中零件3。为尽可能缩小橡胶绝缘本体体积，导体连接采用了体积较小的骆驼型连接金具（图1中零件1），同时缩小了橡胶绝缘本体的内部电极外径，增大了内部电极端部的曲率半径。

图1　中间接头主要结构1—导体 2—屏蔽罩 3—橡胶绝缘本体 4—屏蔽层5—防蚀层 6—防水混合物 7—保护铜壳8—接地端子 9—绝缘筒

1.2500 kV户外终端

图2为500 kV户外终端的结构示意图。与传统的户外终端相比，本次开发的户外终端也是使用绝缘硅油及应力锥来控制电场分布，但是没有使用环氧座、橡胶应力锥及压缩金具结构，而是采用与中间接头相同的冷缩式预扩径应力锥（图2中零件5）。同时，为避免发生绝缘油泄露，采用了独立的油封装置，并辅助以压缩装置来确保密封性。

预扩径应力锥的使用方法如图3所示。应力锥在工厂使用专用扩径设备扩径到螺旋扩径管上，现场安装时，电缆插入到螺旋管中，将螺旋管拉出，应力锥套在电缆绝缘外侧形成绝缘部分。与传统应力锥现场扩径或强行套装相比，可以简化应力锥插入电缆的工艺，缩短插入时间。同时，因简化了安装工艺，故由施工操作引起的产品故障发生率可得到有效控制。

图2　户外终端主要结构1—导体 2—上部金具 3—瓷套管 4—绝缘填充物5—应力锥 6—屏蔽罩 7—法兰 8—保护金具9—支撑瓷座 10——防蚀层

图3　螺旋管使用示意图

1.3500 kV GIS终端

本次开发的GIS终端主要由橡胶应力锥、环氧树脂套管、压缩金具、保护尾管组成，如图4所示。

通过增大半导电起始点位置的曲率半径，增加绝缘外径来增加应力锥耐受电场强度，同时使用可调节压力的压缩装置来加强应力锥与电缆绝缘体及应力锥与环氧套管之间的界面压力，保证整个产品的长期运行稳定性。

图4　GIS终端主要结构1—套管 2—导体 3—制动环 4—应力锥 5—法兰 6—固定环 7—绝缘筒8—弹簧装置 9—保护金具 10—防蚀层 11—上部金具

2 500 kV XLPE电缆附件开发要点

2.1材料

表1列举了三种应力锥用绝缘材料的机械及绝缘性能，其中1与2为GB/T 22078.3—2008标准规定［1］的性能。但是，考虑到中间接头及户外终端应力锥采用预扩径这一工艺特点，我公司选用了抗张强度及断裂伸长率较高的硅橡胶材料，即表1中3号硅橡胶。

表1　应力锥用绝缘材料性能一览

另外，由于户外终端应力锥直接浸泡在绝缘硅油中，为避免硅橡胶在绝缘硅油中溶胀导致绝缘性能下降，采用了一种烷基改性硅油，其与应力锥材质硅橡胶的溶胀性约为普通二甲基硅油的10％。

2.2绝缘设计

中间接头是电缆附件中绝缘设计空间最小，对绝缘材料击穿场强要求最高的附件，所以本文以中间接头绝缘设计为例进行说明。

图5为中间接头橡胶绝缘本体的电场强度分布图，使用东芝专利软件HSSSM来对设计的结构进行电场解析计算，根据计算结果对结构设计进行调整。计算了橡胶绝缘本体中最重要的5个点的电场强度т1～т5（如图5所示）。5个点分别为内部电极平坦部、内部电极端部、橡胶绝缘本体绝缘与电缆绝缘界面、橡胶绝缘本体应力锥起始点、电缆绝缘部。

图5　中间接头橡胶绝缘本体电场强度分布图

根据表2所示的5个点的电场强度，均小于材料的最小击穿电场强度。从电场分布来看，橡胶绝缘本体内部电极端部电场强度较高，为材料最小击穿电场强度的80％，其他点的电场强度均在材料最小击穿电场强度的58％以下。可以看出，本设计结构各点的电场强度基本保持在同一水平，结构设计较合理。

表2　中间接头橡胶绝缘本体电场强度

2.3面压设计

图6展示了中间接头面压产生的原理，即中间接头通过电缆绝缘与橡胶绝缘本体之间的面压来保证绝缘性能，而面压则是由电缆绝缘外径与橡胶绝缘本体内径的径差来实现。如图6中所示，由于橡胶绝缘本体预先在工厂扩径到螺旋管上，始终呈现永久拉伸与应力缓释，直至被安装到电缆上。而且，在运行过程中，橡胶绝缘本体也存在应力缓释［3］。

图6　中间接头橡胶绝缘本体面压产生示意图φd1—橡胶绝缘本体内径 φd2—扩径螺旋管外径φD—电缆绝缘外径

经过试验验证表明，扩径率为160％～200％、扩径后40℃保管三年、安装30年后面压下降率约为80％～82％。所以，考虑到上述原因，面压设计为运行30年后仍需超过最小需求面压。

2.4机械设计

500 kV XLPE电缆附件开发中，需要考虑在运行中各种机械耐受强度。以下以户外终端为例进行说明。户外终端的机械耐受强度设计需考虑以下三种耐受力：风力、地震力、短路电磁力。

（1）风力施加在户外终端上的弯曲力矩Mw（N· mm）为［2］：

式中：Lp为户外终端套管长度（mm）；P为风压力（N），其计算公式为：

式中：C为风力系数；A为受风面积（mm2）；g为重力加速度（9.8 kg/N）；q为速度压（kg/mm2），其计算公式为：

式中：q0为地域差别基准速度压（kg/mm2）；α为上空递增系数；β为构造规模的递减系数；K1为构造种类的变化系数；K2为屏蔽系数。

以风速为40 m/s，Mw约为9.4×106N·mm。

（2）地震力施加在户外终端上的弯曲力矩Mo（N·mm）为：

式中，F1、F2、F3分别为作用于户外终端上部、户外终端套管及户外终端内部的地震力（N），其计算公式为：

式中：G为水平加速度（kg/N）；f为频率（Hz）；W为重量（kg）。

以加速度为0.3 g，计算得出Mo约为1.02×108N·mm。

（3）短路电磁力施加在户外终端上的弯曲力矩MI（N·mm）为：

式中：FI为作用于导体上的力（N），其计算公式为：

式中：Ⅰs为短路电流（kA）；S为相间距离（mm）；g为重力加速度（kg/N）

以短路电流为40 kA计算可以得出，MI约为5.7×105N·mm。

综合对比可以得出，地震力施加在户外终端上的弯曲力矩最大。对比现有设计耐受力矩，安全率约为2.2倍以上。

图7　型式试验现场

3 认证试验

2012年8月至2012年10月，于电力工业电气设备质量检验测试中心进行了型式试验的检测，2012年12月至2014年4月，进行了预鉴定试验，上述两部分试验均检验合格（图7为型式试验现场照片）。送检样品如下：

（1）YJJTI2 290/500 1×2500整体预制橡胶绝缘件直通接头；

（2）YJJJI1 290/500 1×2500整体预制橡胶绝缘件绝缘接头（带铜壳）；

（3）YJZFY4 290/500 1×2500液体绝缘橡胶应力锥复合套式终端；

（4）YJZWY4 290/500 1×2500液体绝缘橡胶应力锥瓷套式终端；

（5）YJZGG 290/500 1×2500干式绝缘橡胶应力锥GIS终端。

4 结 论

500 kV电缆附件的成功开发，不仅依赖于成熟的附件设计，同时也依赖于优异的原材料性能。

（1）在满足绝缘性能要求的同时，采用机械性能更优越的原材料来实现预扩径工艺。

（2）通过电场强度解析计算对设计结构进行调整、确认，计算结果表明所设计的结构绝缘设计裕度较大。

（3）面压设计时考虑了扩径后的橡胶应力缓释，面压设计为运行30年后仍需超过最小需求面压。

（4）计算了风力、地震力、短路电磁力等机械力耐受强度，安全率为2.2倍以上。

（5）户外终端采用冷缩预扩径应力锥，不仅缩短安装时间，同时可降低施工操作引起的施工故障率。

［1］ GB/T 22078.3—2008 额定电压500 kV（Um=550 kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及附件［S］.

［2］ JEC-127—1979 送电用支持物设计标准［S］.

［3］ Nakamura S，Kuwaki A，Hayashi K，et al.Development of cold shrinkable joints for110～230kV XLPE cable［J］.Jicable03 A. 5.3：186-190.

Development of 500 kV XLPE Cable Accessories

CHEN Meng-meng，LIU Li-li，Tsutomu Sumimoto
（TBEA Shandong Luneng Taishan Cable Co.，Ltd.，Xintai 271200，China）

The specifications of developed 500 kV XLPE cable accessories are introduced.The choice ofmaterials，insulation design，mechanical design and other development key-points are described.The test result of 500 kV XLPE cable accessories met the requirement of GB/T 22078.3—2008.

500 kV；XLPE cable；cable accessory；integral premoulded joint；cold shrinkable；outdoor termination

TM203

A

1672-6901（2015）01-0009-04

2014-08-19

陈猛猛（1984-），女，工程师.

作者地址：山东新泰市惠普路68号［271200］.