一种新型金属屏蔽形式的平滑铝套高压电缆研制

夏云海， 侯虹剑， 张建民， 付长琦， 谢书鸿， 黄秋香

（1.中天科技海缆股份有限公司，南通 226010； 2.中天科技股份有限公司，南通 226463）

0 引 言

通过分析近十几年皱纹铝套结构的高压电缆本体故障案例发现，大量故障出现绝缘屏蔽表面烧伤或放电痕迹，甚至引发击穿现象，这引起了各电力公司的高度重视。 故障电缆除缓冲层问题外，与皱纹铝套的结构设计也有关系。 在国外，特别是欧美发达国家，认为皱纹铝套内部过大的空气热阻会降低电缆的载流量，且皱纹铝套存在的感应电压会对绝缘线芯产生放电烧蚀［1］，故平滑铝套电缆是解决绝缘屏蔽表面烧伤问题的方法之一。 本工作介绍了220 kV 1×2 500 mm2平滑铝套高压电缆的研制。

1 平滑铝套高压电缆结构设计

1.1 皱纹铝套结构缺陷

国家标准 GB／T 18890—2015 中规定“缓冲层是半导电的，以使绝缘半导电屏蔽层与金属屏蔽层保持电气上的良好接触”，没有明确接触的状态，各个公司在制定电缆工艺时，铝套波谷与缓冲层设计基本是点接触、线接触为主，而AEIC CS9⁃15 标准对缓冲层与金属层接触要求为金属屏蔽层／金属护套应与其下面的半导电层连续地或频繁地（对于皱纹护套）电气接触，为绝缘充电和泄漏电流、中性线电流、相不平衡电流、故障电流和浪涌电流提供一个同一中心的导电路径。 只有保证铝套四周都与缓冲层面接触，才能保证径向电流是在各个方面都有路径，除铅套电缆外，平滑铝套结构比皱纹铝套结构更能满足并保证给6 种电流提供1 个同一中心的导电路径。 同心径向电流分布见图1。

图1 同心径向电流分布

利用有限元软件（Ansys）对皱纹铝套电缆缓冲层不同结构状况下的电场进行仿真计算，有效控制缓冲层与金属护层的间隙（空气隙），将有利于改善缓冲层与金属护层内的电场分布，避免空气隙承受较高的电场强度而与金属护层产生局部放电现象［2］。

在生产时铝套间隙控制不当或实际产品设计不合理时，容易在成品试验中出现间隙放电的问题，而平滑铝套电缆的金属套与缓冲层接触为面接触，可以改善波纹铝套结构上的缺陷，提高电网系统供电安全性。

1.2 产品结构特征

本工作研制的产品型号为 YJLP03⁃Z 127／220 kV 1×2 500 mm2交联聚乙烯绝缘平滑铝套高压电缆，电缆结构示意图见图2。

图2 平滑铝套高压电缆结构示意图

1.3 半导电垫层选型及设计

挑选4 个厂家生产的半导电缓冲阻水带样品，分别为 1＃、2＃、3＃、4＃带材样品，通过摸底性能对比试验，挑选出最佳的缓冲阻水带。

1.3.1 老化后电性能对比

试验方法：每个厂家带材制取3 个样品，测量的老化后体积电阻率取平均值，将4 个厂家的12 个样品测试体积电阻率后放入空气老化烘箱，温度130℃±3 ℃，保持时间192 h，取出冷却后测量体积电阻率，根据 JB／T 10259—2014［3］中规定的试验方法进行试验，试验数据见图3。

图3 缓冲阻水带老化后电性能对比

结论：经过试验对比，2＃厂家的半导电缓冲阻水带温度在130 ℃下保持192 h 后，体积电阻率变化最小，因此缓冲垫层选用1＃、2＃半导电缓冲阻水带。

1.3.2 热冲击试验

根据 T／CAS 374—2019［4］中规定，将上述1＃、2＃厂家的试样进行热冲击试验。

产品经280 ℃、3 min 热冲击后，不应出现明显的收缩、分层、卷边等现象。

经过热冲击试验，1＃缓冲带表面明显出现卷边现象，2＃缓冲阻带基本正常，耐热冲击性能较好。

1.4 半导电垫层设计

方案1：本设计选用半导电阻水带+半导电缓冲阻水带作为金属套下的缓冲垫层，双面半导电阻水带作为内层垫层，可以避免电缆反复热循环后缆芯与阻水垫层产生间隙。

分别在2，4，6 kg 不同压力下，测量半导电缓冲阻水带和双面半导电阻水带的体积电阻率。 经过受压后缓冲阻水带的体积电阻率随压力增大而减小，见图4，双面半导电阻水带挤压后体积电阻率变化甚微，见图5。 因此，将双面半导电阻水带放于内层，外层为缓冲阻水带，阻水带绕包方式采用重叠绕包到达一定的垫层厚度，既能满足吸收绝缘的热膨胀量，又能保证与铝套圆周方向保持面接触。

图4 缓冲阻水带体积电阻率与压力变化曲线

图5 阻水带体积电阻率与压力变化曲线

方案2：对于平滑铝套结构电缆是否采用半导电铜丝编织布带，利用COMSOL 仿真分析软件分别对垫层结构为半导电阻水带+半导电缓冲阻水带和半导电阻水带+半导电铜丝编织布的220 kV平滑铝套模型电缆进行电场分析，仿真分析见图6。

图6 220 kV 平滑铝套模型电缆电场仿真分析

由图6 可知，半导电阻水带垫层、铜丝编织布垫层与平铝套界面的最大电场度基本一致，考虑到阻水的半导电铜丝编织带的阻水粉涂覆在表面，表面的阻水粉吸潮后会与铝套发生电化学反应，因此采用非阻水的半导电铜丝编织带。

1.5 铝带材料的选用及厚度确定

1.5.1 铝带技术要求

铝套采用纯度不小于99.5% 的铝或铝合金制造，焊接用的铝带应符合 GB／T 3880.1—2012 要求，其伸长率不应小于16%，试验选用牌号为1060铝带。

1.5.2 铝带厚度确定

按照IEC 949“考虑非绝热效应的允许短路电流计算”绝热短路电流，在任何起始温度下，绝热的温升计算通式如下：

式（1）中：K为载流材料的常数，148 As1／2·mm-2；t为短路持续时间，2 s；θf为最终温度，200 ℃；θi为起始温度，70 ℃；β为 0 ℃时载流体电阻温度系数的倒数，228 K；

可以算得：

IAD＝50 kA／2s 代入式（1），得S＝ 803 mm2，铝带厚度计算值为2.3 mm，考虑到生产过程中平滑铝套弯曲拉伸变形等综合因素影响，平滑铝套标称厚度设计为2.8 mm，短路电流满足70 kA／2s。

1.6 防腐层选用

防腐层采用黏结剂，黏结剂要求具有良好的热密封性能和热黏结性能，有较好的附着力和韧性，使平滑铝套和外护套黏结为一体，增强铝套弯曲时的抗变形能力。

2 平滑铝套高压电缆试制

该产品最大的难点在于平滑铝套直接收盘后铝套弯曲时铝套表面会起皱，随着筒体直径逐渐增加，平滑铝套起皱问题有所改善，但影响到生产过程中装盘容量和成品电缆的运输，图7 为平滑铝套上盘弯曲时下表面起皱现象。

图7 平滑铝套下表面铝套褶皱

对于平滑铝套直接收盘起皱的问题，结合平滑铝套产品的研发生产经验，采用氩弧焊生产线与外护套生产线串联的方式进行生产，挤包外护套后直接收盘。

3 平滑铝套电缆弯曲性能仿真计算与验证

3.1 筒体直径仿真计算

如果平滑铝套成品电缆收线盘具筒体直径选择不当，成品电缆弯曲变形时平滑铝套也会起皱，采用CableCAD 软件仿真分析成品电缆弯曲半径，并建立平滑铝套高压电缆的分析模型，将弯曲时的载荷施加至建立的模型上，计算得出弯曲时应力分布和安全系数分布见图8～图15。

图8 筒体直径20 倍电缆外径下电缆应力分布

图9 筒体直径20 倍电缆外径下安全系数分布

图10 筒体直径22 倍电缆外径下电缆应力分布

图11 筒体直径22 倍电缆外径下安全系数分布

图12 筒体直径25 倍电缆外径下电缆应力分布

图13 筒体直径25 倍电缆外径下安全系数分布

图14 筒体直径30 倍电缆外径下电缆应力分布

图15 筒体直径30 倍电缆外径下安全系数分布

通过仿真计算分析，由图8 ～图15 应力和安全系数图谱可知，电缆的最大应力发生在平滑铝套上，筒体直径22 倍电缆外径下，平滑铝套的最大应力为159.5 MPa ，小于材料的屈服极限165 MPa，铝套不会产生屈服，安全系数为1，筒体直径22 倍电缆外径及以上时应力变化不大，电缆铝套不会发生不可逆的变形。

3.2 实际验证

采用筒体直径为22 倍的电缆外径的盘具进行实际验证，电缆上盘后未见护套起皱变形，最终经过多次验证采用筒体19 倍电缆外径的盘具，护套表面平整，未见不可逆的变形。 采用筒体直径为22 倍电缆外径的盘具，利用两个收放线架，将成品电缆在两个盘具上进行S 形正反复绕6 次，护套表面平整，未见不可逆的变形，如图16、图17 所示。

图16 19 倍筒体直径弯曲后表面平整

图17 22 倍筒体直径电缆弯曲试验

经过仿真计算和实际验证，22 倍筒体直径相当于11 倍电缆弯曲半径，因此，电缆运行时平滑铝套的弯曲半径为15 倍电缆外径，安装敷设时弯曲半径为20 倍的电缆外径，可满足电缆使用要求。

4 产品检测

4.1 例行试验

成品局部放电耐压试验满足GB ／T 18890.1—2015 标准规定要求。 局部放电试验：试验电压应逐渐升至1.75U0并保持10 s，然后慢慢降至1.5U0，在1.5U0下被测试品应无可检测出的放电。

耐压试验：在导体与平滑铝套之间施加交流电压318 kV，30 min 绝缘不发生击穿。

4.2 型式试验

在研制220 kV 平滑铝套高压电缆产品的同时，本公司还研制了配套的220 kV 电缆附件，包括瓷套户外终端、复合户外终端、绝缘接头、直通接头、GIS 长终端、GIS 短终端。 将平滑铝套电缆和附件电缆系统组成试验回路，型式试验回路布置见图18，测试结果见表1。 由表1 可知：其性能指标全部符合IEC 62067：2011 标准要求。

图18 型式试验回路布置

表1 型式试验测试结果

4.3 透水试验

为验证金属套下纵向阻水层设计的实际阻水效果，试验选取成品电缆样品根据 GB／T 18890.1—2015 中推荐的试验方法进行纵向透水测试，透水试验原理见图19，施加10 次热循环试验，透水试验后，对样品平滑铝套进行解剖，解剖情况见图20。

图19 平铝套电缆透水试验原理图

图20 透水试验后平滑铝套电缆解剖情况

由图20 可知：金属屏蔽下阻水层最大透水长度为350 mm，平滑铝套电缆阻水效果良好。

4.4 平滑铝套与皱纹铝套载流量对比验证

4.4.1 试验过程

将 YJLW03⁃Z 127／220 kV 1×2 500、YJLP03⁃Z 127／220 kV 1×2 500 两个不同金属套结构的电缆样品串联成一条回路，两种结构电缆长度均为12 m，布置两个 U 型弯，直径均为4.5 m，按 TICW 15—2012《单根电缆空气中敷设载流量测试方法》进行载流量试验，220 kV 电缆载流量试验见图21，利用穿心变压器对回路进行加热，分别在U 型弯处布置3 个测量导体温度的热电偶（T1、T2、T3、T4、T5、T6）和两个测量护套温度的热电偶（T7、T8），热电偶对应的测试位置见表2，两根样品电缆中的热电偶均布置在上表面，通过温度数据采集装置监控负荷电流下电缆的温度，试验室内环境温度为28 ℃。

图21 220 kV 电缆载流量试验回路图

表2 热电偶对应的测试位置

施加电流，使其中一个规格电缆导体温度到达90 ℃，并要保证 30 min 内变化不超过±1 ℃，在稳定的最后5 min 内电流应保持恒定，记录该电流，继续增加电流，使另一个规格电缆导体温度到达90 ℃，并要保证 30 min 内变化不超过±1 ℃，在稳定的最后5 min 内电流应保持恒定，记录该电流。

4.4.2 试验结果

一个热循环试验过程中平滑铝套和皱纹铝套电缆导体温度达到90 ℃时各热电偶的平均温度和对应的平均电流见表3。

表3 载流量相关参数

由表3 可知：当输出交流电流为2 691 A 时，试验回路中皱纹铝套电缆的导体测温点显示平均温度为90 ℃，认定2 690 A 为皱纹铝套结构电缆在该条件下的载流量；同样认定该条件下平滑铝套结构电缆的载流量为2 840 A，因此，平滑铝套比皱纹铝套的载流量大约提高了5.5%。

5 结束语

由于平滑铝套电缆结构紧凑，金属套下的纵向的阻水效果良好，阻水层的载流量比皱纹铝套电缆约提升5.5%，外径比同规格皱纹铝套小10%，弯曲性能满足20 倍的电缆外径，因此降低电缆的安装空间，可使电力部门的设计成本降低。 新型金属屏蔽结构的平滑铝套高压电缆符合新一代电网“本质安全”的要求，在高压电缆线路中采用平滑铝套高压电缆可以极大地提高系统的安全可靠性，因此，平滑铝套高压电缆有着广阔的发展前景，希望有关部门能早日起草相应的平滑铝套行业标准，以促进该产品的健康发展。