XLPE電纜絕緣厚度

XLPE電纜絕緣厚度
 

摘要：就電纜絕緣厚度設計方法、XLPE電纜絕緣減薄的技術發展作了概述。針對110kV、220kV國內外存在的差異，從工程選用到全面對待提出了建議。

關鍵詞：高壓XLPE電纜 絕緣厚度 絕緣弱點

前言

　　高壓XLPE電纜絕緣層的必要厚度，將是保障電纜絕緣經受各種可能過電壓作用下能可靠運行的基礎。然而，過于保守的絕緣厚度，使電纜成本增加、電纜外徑增大、電纜載流能力降低以及在限重條件下導致每盤電纜長度減少從而引起工程中電纜接頭增多。　

　　在XLPE電纜統一標準中含有絕緣厚度的規定，從有助于技術性能完善、確保產品質量和符合使用要求等方面來看顯然是有積極意義的，但在我國加入WTO后，高壓電纜的國內外產品準入市場主要以IEC標準作為準則。在國外高壓XLPE電纜絕緣普遍較薄，而國內制造廠有能力設法改進工藝、提高質量來改善原有影響絕緣厚度因素的情況下，如果國內仍一成不變地執行原厚度標準，勢必使很多企業失去參與公平競爭的機會。為此，特撰本文提出建議，希望有助妥善解決矛盾。　

1　電纜絕緣厚度的設計方法　

　　電纜絕緣層厚度△i是基于在其預期使用壽命內能安全承受各種可能電壓條件來確定的，一般按工頻電壓、沖擊電壓二者均滿足要求來計算。我國以及日本、英國、德國和韓國等對高壓單芯電纜絕緣厚度的確定[1～3]均采用下式（1）、（2）計算結果中擇取較大值的方法。　

　　
　　△i=BIL×k1×k2×k3/ELimp　（2）
　　式中,ELac為符合韋伯分布的工頻擊穿電壓（平均擊穿強度）的zui低值, kV/mm;ELimp為符合韋伯分布的沖擊擊穿電壓（平均擊穿強度）的zui低值，kV/mm;K1、k1分別為工頻、沖擊電壓相應的老化系數；K2、k2分別為工頻、沖擊電壓相應的溫度系數；K3、k3分別為工頻、沖擊電壓相應的裕度系數；Um為系統額定電壓，kV；BIL為系統雷電沖擊耐壓水平，kV。
　　部分國家對110kV以上XLPE電纜的△i計算值、實選值及其相關參數擇取值見表1。
　　顯然，必須正確的擬定關鍵性參數和其他相關參數K1～K3、k1～k3，以使△i的擇取能滿足長期可靠安全運行的要求。

表1　高壓XLPE電纜△i計算值、實選值及其相關參數擇取值

　　為了有助于認識這些參數的意義，不妨通過了解日本研制500kV XLPE電纜時確定△i的做法，以資借鑒啟迪。
1.1　ELac、ELimp的確定方式[1,2]
　　電纜的絕緣擊穿分散性通常以韋伯（Weibull）分布表征，XLPE電纜在電場強度為E時絕緣被擊穿的概率為

　　　　　　（3）

　　
式中,EL為位置參數；E0為尺寸參數；M為形狀參數。
　　按電纜絕緣的體積V來表征XLPE電纜在電場強度為E時絕緣被擊穿的概率，則式（3）可變換成
　　P(E)=1-exp[-k?V(E-EL)m］　　（4）　　
式中，k為相關常數。
　　從數值統計意義上看，在XLPE電纜的電場強度為zui低擊穿場強EL值及以下時，絕緣被擊穿的概率為零。
1.1.1　電場強度表征值的擇取[2～3]。
　　電場強度在內半導電層處有zui高場強Emax與平均場強Emean之分。　　
　　　Emax=U/[rln(R/r)］
　　　Emean=U/△i
式中，R、r為絕緣層、內半導電層的半徑；U為電壓。
　　有的國家（法國、荷蘭等）用對XLPE電纜如充油電纜同樣的方式取Emax表征。在法國，對400kV XLPE電纜，絕緣厚度按工頻Emaxac=16kV/mm來確定；若截面為1200mm2以下時按沖擊Emaximp=85kV/mm來確定；大截面則按工頻zui小Emaxac=7kV/mm來制約絕緣厚度。
　　另外，由于XLPE電纜絕緣弱點（如雜質等）具有隨機分布性，因此，電纜絕緣擊穿實際不一定始于Emax，因而認為以Emean表征更為合理。日本、德國、英國、韓國等就采取此方式。
　　此外，試驗顯示，Emax隨d/D（d、D為電纜絕緣的內、外徑）比值變化而變化，隨電纜截面增大而趨于減小，但Emean卻不隨d/D比值變化而異，故在XLPE電纜的絕緣厚度為待定對象時，擇取Emean較簡明合適。
1.1.2　以包含薄絕緣層試樣等測試方式確定擊穿場強[2]　　　　
　　日本研制500kV XLPE電纜時，在改善絕緣弱點（雜質、半導電層突起等）的生產工藝及其質量監控方面比以往275kV XLPE電纜的制造有了明顯的進步。進行絕緣設計時，曾按500kV XLPE電纜工藝條件制備了一批比預期絕緣厚度（25～30mm）薄些（6、9、15mm）的試樣。
　　（1）以絕緣層較薄的樣品進行測試取得反映絕緣特性的基礎數據。以絕緣厚度為6mm的樣品40個在室溫下測試其擊穿場強值整理出按F(x%)的韋伯分布曲線。得到zui低擊穿場強ELac=57kV/mm、mac=1.4、Eoac=15 kV/mm，ELimp=112kV/mm、mimp=1.8、Eoimp=35kV/mm（電纜樣品條件d、D分別為16.7mm、28.7mm）；并根據式（3）、（4），按樣品長為10 m的條件算出V，可求得kac=5.273×10-9/mm3、kimp=3.885×10-9/mm3。
  　又對絕緣厚度分別為6、9、15mm的3類樣品分別測試其擊穿場強值，察明△i影響Emean的變化情況，結果歸納出測試值的關系式有：
　　ELac(△i)=78△i-0.18  （5）
　　ELimp(△i)=155△i-0.18（6）　　
　　(2) 按500kV XLPE電纜實際尺寸（△i為27～30mm，截面為2500mm2，d、D分別為61.2、120.2 mm，長為20m）算出此時的V值。由式（3）、（4）可推算出此時的Eoac=1.1kV/mm、Eoimp=4.7kV/mm。當△i為27mm時，由式（5）、（6）有ELac=43.1kV/mm、ELimp=85.6kV/mm；若取△i為30mm時，ELac=42.2kV/mm、ELimp=84kV/mm。實際擇取ELac=40kV/mm、ELimp=80kV/mm，見表1中所列。
　　（3）對500kV XLPE試制電纜的設計電場強度進行驗證試驗。施加電壓應不小于式（1）、（2）分子項

110kV及以上現狀述評
　　　　
　　國內外110kV及以上概況見表4。
　　由表4可見，我國110、220kV電纜絕緣厚度比世界上有些國家同類電壓等級的厚。現就如何認識和對待該問題提出分析與建議。

    表4　各國110～500kV [3]        mm

　　* 按GB 11017—89，纜芯截面為240、300、400、500、630、800mm2及以上時，絕緣厚度相應為19、18.5、17.5、17、16.5、16 mm。
　　** 按CSBTS/TC213-01-1999，纜芯截面為400和500、630、800、1 000mm2及以上時，絕緣厚度相應為27、26、25、24mm。
　　（1）我國在制訂的統一電纜標準中規定了絕緣厚度，這對各廠初期產品的規范化具有積極意義，且其指標制訂當時不失先進性。如對比美國愛迪生照明公司聯合會（AEIC）制訂電纜技術條件同類標準[6]，110kV 我國比美國薄，沒有其保守。　　
　　（2） 往往受雷電沖擊耐壓水平（BIL）制約，同一額定電壓級的BIL在我國與其他國家并非都等同。如我國220kV與日本275kV的BIL一樣，意味著同一額定電壓的BIL我國較高，相應絕緣較厚，選用國外產品應注意。
　　（3） 從動態發展觀點看，電纜絕緣厚度并非一成不變。有持此觀點的國內專業人士指出，按我國國家標準規定的110kV 可以在絕緣安全裕度范圍內適當地減薄[7]。鑒于我國標準修訂的時間往往間隔過長，常滯后于技術發展水平。如果機械性地以現行標準制約電纜絕緣厚度，客觀上不利于國內電纜制造企業參與市場公平競爭；反過來，缺乏市場從而難獲效益的企業，由于實現制造工藝技術進步的資金難以為繼，將更無條件改變技術落后的局面。
　　（4）客觀形勢的發展需要絕緣層盡可能薄的電纜。電纜絕緣層減薄不僅可降低電纜造價，同時還可提高載流能力、增加每盤電纜的容許長度并減少接頭，從而帶來提高運行可靠性、減少工程投資等綜合效益，為此，① 在工程訂貨技術條件制訂時，對國內外電纜均應遵循IEC 60840等標準，同時，除了要強調滿足我國系統的BIL水平外，不必硬性規定國產電纜絕緣厚度，宜以較變通措詞不限制廠家實施工藝改進、減薄絕緣厚度的積極性。如此，將有助推動技術進步，實現良性循環的局面。② 借鑒日本減薄絕緣厚度技術發展經驗，鼓勵有條件的企業通過制造工藝革新以改善絕緣性能；開展必要的試驗，提出減薄絕緣的分析論證，并用通過預鑒定試驗方式佐證。如110kV等級電纜，除按20次熱循環試驗的國標要求外，也可考慮適當延長但應短于220 kV的預鑒定試驗時間（如90個周期）。總之，在不以標準限定的同時，明確以含有試驗分析的驗證方式來要求較妥善。