高压XLPE电缆户外终端中绝缘油填充高度的研究

周长城， 赵海军， 徐 健

（1.沈阳古河电缆有限公司，辽宁 沈阳110115；2.远东控股集团有限公司，江苏 宜兴214200）

0 引 言

电缆户外终端安装在电缆线路末端以连接电缆本体和其他电力设备，是高压及超高压电缆投入电网运行时必不可少的附件，而在电力系统的安全运行中，电缆户外终端是比较薄弱的环节［1⁃5］，经常发生故障。

目前，国内对绝缘油的研究多集中在户外终端运行过程中绝缘油渗漏：绝缘油与密封绝缘带接触后绝缘带溶胀导致密封失效发生渗漏油［6⁃7］；液体绝缘油发生渗漏后会改变终端内电场分布，造成电缆内绝缘爬电距离变化，最终导致击穿［8⁃9］。对于户外终端内绝缘油填充高度的研究较少，本工作对户外终端内绝缘油与绝缘带的相溶性、绝缘油膨胀时的内部压力和绝缘油对电场强度的影响3个方面进行分析。

1 电缆户外终端的结构

电缆户外终端的结构见图1。

图1 户外终端结构图

由图1可知：电缆户外终端结构主要由增强主绝缘曲率半径改善电场分布的应力锥、作为辅助外绝缘的绝缘油、导体引出棒、套管、支撑及密封的法兰和保护管等构成，其中绝缘油对于电缆户外终端的长期运行起着非常关键的作用。

2 绝缘油与绝缘带的相溶性

电缆系统运行时温度变化会导致绝缘油的热胀冷缩，为了避免绝缘油膨胀后渗入电缆导体内，在导体引出棒与电缆绝缘之间缠绕绝缘带用于密封，绝缘油与绝缘带接触有可能发生溶胀导致该部位密封失效而渗漏绝缘油，因此在选用绝缘油和绝缘带时必须做相溶性试验。本工作对110 kV户外终端用聚异丁烯绝缘油与绝缘带的相溶性进行了研究。

将国内两个厂家的乙丙橡胶绝缘带（样品1，样品2），1／2搭接缠绕在ϕ10铁杆上，浸泡于聚异丁烯绝缘油中并用保鲜膜密封，如图2所示。在室温下浸泡6个月后发现样品1乙丙绝缘橡胶带无溶胀现象，样品2乙丙绝缘绝缘带破裂，与绝缘油发生溶胀，如图3所示，发生溶胀的绝缘带不能用于户外终端的绝缘油密封。测试聚异丁烯绝缘油的电气性能见表1。

图2 乙丙橡胶绝缘带浸泡在聚异丁烯绝缘油中

图3 乙丙橡胶绝缘带浸泡6个月后

表1 聚异丁烯绝缘油电气性能

由表1可知：未使用的绝缘油、未发生溶胀的绝缘油和发生溶胀的绝缘油的电气性能均满足GB 11017—2014《额定电压110 V（Um＝126 kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第3部分：电缆附件》的要求，但是发生溶胀的绝缘油的体积电阻率下降了一个数量级。该数据只反映短期试验结果，并不能代表户外终端长期运行过程中绝缘油与绝缘带发生溶胀后的绝缘油性能。

为了保证导体引出棒与电缆绝缘之间的良好密封，实际应用中选择不与绝缘油发生溶胀的绝缘带作为密封带材，本工作后续分析均基于通过溶胀试验的绝缘带和绝缘油展开。

3 绝缘油膨胀时的内部压力和膨胀量

户外终端内填充绝缘油时上部预留空气腔来满足运行时绝缘油的膨胀。运行时温度上升，绝缘油的体积膨胀，空气腔被压缩导致空气腔的压力升高，此时空气腔的压力应小于设计承受压力。

根据波尔⁃查理定律，运行时空气腔压力计算公式为：

式中：P′为运行时空气腔的压力（MPa）；σg为安装时空气腔的体积（L）；T′为运行时的温度（℃）；T为安装时的温度（℃）；P为安装时的绝对压力（0.1 MPa）；σ′g为空气腔被压缩的体积（L）；Δσo为运行时绝缘油的膨胀体积（L）；α为绝缘油的膨胀系数（聚异丁烯α＝0.001 L／℃）；ΔT为温度变化量（℃）；σo为安装时绝缘油的体积（L）。

110 kV户外终端填充绝缘油后，上部空气腔压力变化与温度差的关系见图4。

图4 绝缘油膨胀后空气腔压力与温度差的关系

由图4可知：绝缘油填充高度（h）为1 100 mm，温度差为70℃时，上部空气腔的压力为0.16 MPa，上部空气腔的压力比安装时提高60%，复合套管设计承受压力为0.3 MPa，绝缘油受热膨胀后空气腔压力小于复合套管设计承受压力，可以满足运行要求。绝缘油填充高度不同，温差相同时上部空气腔压力也不同。

110 kV户外终端填充绝缘油后，绝缘油膨胀高度与温度差的关系见图5。

图5 绝缘油膨胀高度与温度差的关系

由图5可知：当绝缘油填充高度为1 100 mm时，温度每升高10℃，绝缘油的膨胀高度增加9 mm。绝缘油填充高度不同，温度差相同时绝缘油的膨胀高度也不同。

4 绝缘油对电场强度的影响

在户外终端内部填充一定高度的绝缘油作为绝缘介质，以增加户外终端内绝缘爬电距离，改善户外终端内电场分布。

利用ANSYS软件对户外终端进行电场分析［10⁃11］，分析时应力锥位于户外终端的高度保持不变，聚异丁烯绝缘油的填充高度分别为户外终端高度的50%（h为700 mm）、64%（h为900 mm）和78%（h为1 100 mm），考察绝缘油填充高度不同时，对各部位最大电场强度的影响，如图6所示。

图6 绝缘油填充高度对各部位电场强度的影响

由图6可知：绝缘油覆盖应力锥后，其填充量对于应力锥、绝缘油和户外终端外部空气电场强度没有影响；绝缘油填充高度为700 mm时上部空气腔最大电场强度为0.53 kV／mm，随着绝缘油填充高度增加，上部空气腔的电场强度降低。绝缘油填充高度为1 100 mm时，上部空气腔最大电场强度为0.33 kV／mm，为了保证型式试验和裕度试验顺利通过，同时为了增加内绝缘的爬电距离，选取绝缘油填充高度为户外终端高度的78%，此时户外终端等位线分布见图7。由图7可知：上部空气腔等位线分布均匀，该设计能够满足户外终端长期运行。

图7 户外终端等位线分布

5 结 论

（1）选择绝缘油与密封绝缘带时应做相溶性试验，实际应用中选择不与绝缘油发生溶胀的绝缘带为密封带材。短期溶胀后聚异丁烯绝缘油性能略有降低，长期运行过程中绝缘油溶胀后的性能还需进一步跟踪。

（2）绝缘油填充高度不同，运行时受热膨胀后上部空气腔压力和绝缘油膨胀高度也不同。

（3）绝缘油覆盖应力锥后，其填充高度仅对上部空气腔电场强度有影响，为了保证试验的顺利通过同时增加内绝缘爬电距离，绝缘油填充高度至少应为户外终端高度的78%。