楊 娟， 張 峰， 王福志

(浙江萬馬集團有限公司，浙江臨安311305)

0 引言

隨著我國電力工業(yè)的飛速發(fā)展，110 kV級交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電力電纜已經越來越多地用于全國各大主要城市，尤其是東部地區(qū)的許多城市近幾年高壓電力電纜的用量逐年上升，平均增幅在20%以上，而隨著西部大開發(fā)推進，高壓電力電纜也開始大量地出現(xiàn)在西部地區(qū)的城市輸電與重點工程建設中。本文通過試驗的方法驗證了具有縱向阻水結構電纜的局部放電性能，并做了理論分析，提出改善性能的工藝控制辦法及建議。

1 國內110 kV及以上XLPE絕緣電力電纜的主要結構形式

目前國內生產的110 kV及以上高壓XLPE絕緣電力電纜，若以金屬護套的加工工藝不同來區(qū)分，電纜主要結構有以下兩種:

第一種是使用壓鋁機擠包皺紋鋁護套，并在金屬套和絕緣線芯之間包覆緩沖帶和金屬編織布帶，其結構如圖1所示。其緩沖帶主要由半導電橡膠自粘帶，或者0.2mm厚度的半導電緩沖帶構成;金屬編織布帶主要使用細的祼銅絲(或鍍錫)與半導電尼龍纖維(也有許多采用不導電的纖維帶)混合編織而成。金屬套與包帶之間間隙較大，金屬護套的直徑完全受模具的限制，間隙不可調，不具備阻水的性能。

圖1 110 kV XLPE絕緣電力電纜結構

第二種是采用氬弧焊焊接方式制作皺紋鋁護套，在金屬套與絕緣線芯之間繞包2mm厚度的半導電吸水膨脹帶。這種吸水膨脹阻水帶是在半導電的聚脂無紡纖維中加入聚丙烯酸脂膨脹粉制成，膨脹粉遇水后能在一定時間內迅速膨脹到一定高度，起到阻隔水的作用。由于要求高阻水，這種阻水粉絕大多數(shù)來自于國外，它同時具有緩沖襯墊功能，生產時間隙可調。這種結構的電纜在市場上已經有了非常大的份額，許多公司已經采用這種結構生產了大截面的電纜。本文將就這種具有阻水性能的結構的電纜作試驗分析。

隨著近幾年高壓電力電纜的生產和使用日臻成熟，許多電纜制造者在進行電纜出廠試驗時發(fā)現(xiàn)了一種比較特殊局部放電圖像，見圖2。其中試樣型號為 ZR-YJLW02 1×400mm264/110 kV，長度為1 104 m，試驗電壓為96.3 kV，局部放電量為12.0 pC。在所有局放偏大的產品中，此類放電的比例占到50%以上。因此，研究此類放電的原因，尋找解決辦法就成了非常必要的工作。以下研究工作主要是對不同結構方式的電纜進行局部放電試驗，以便尋找產生的原因。

圖2 110 kV XLPE電力電纜的局部放電試驗

2 試驗設計

從圖2中放電圖形分析，該圖形具有以下幾點非常明顯的特征:

(1)該圖像分布于四個像限，電壓過零點放電量最大，峰值附近最小(無放電)，圖像基本對稱，呈現(xiàn)出一種接觸不良的容性放電特征，不同于通常的電纜絕緣本體制造缺陷造成的局部放電;

(2)此類放電在給電纜施加很低的試驗電壓時就出現(xiàn)，沒有明顯的起始放電電壓，放電量隨試驗電壓的升高而增大;

(3)出現(xiàn)此類放電的電纜無法進行故障定位，因此并非由電纜局部缺陷引起的局部放電;

(4)將這種放電的電纜金屬護套剝掉，然后繞包銅帶后重做試驗，電纜幾乎沒有任何放電信號，證明電纜絕緣線芯品質非常好，不是放電的原因。

基于上述分析，研究的重點將放在電纜不同的緩沖吸水膨脹帶與皺紋鋁護套結構上，進行試驗和分析。

試驗方法:首先按照結構的等效電路建立等效試驗模型，然后進行局部放電試驗。試驗樣品型號為YJV 127/220 kV 1×400mm2，長度為 100 m，未使用阻水結構，銅帶為單層重疊繞包，結構如圖3所示，局部放電測試結果見圖4。從圖4可知，試驗電壓為191 kV時仍無放電現(xiàn)象。

將試樣的銅帶接地斷開，串接上一個含有鋁板和半導電阻水帶的如圖5所示的裝置(兩鋁板間實測電阻值為900 Ω)，試驗接線見圖6。當兩鋁板對阻水帶沒有壓力，處于自由蓬松狀態(tài)時，局部放電測試結果見圖7。由圖7可以看出，在原性能良好的電纜上串聯(lián)這一縱向阻水結構的模擬裝置后，在較低的電壓下(50.4 kV)即出現(xiàn)放電量為3.5 pC的典型放電圖像。由此可知，阻水帶結構會引起典型的放電現(xiàn)象。然后在鋁板上施加20 N重物，使其導電性能提高并重做試驗，發(fā)現(xiàn)放電量立即下降;繼續(xù)增加壓力，放電量將繼續(xù)下降，直至趨近于同等電壓下銅帶直接繞包時的放電量。

圖3 試驗模型的結構

圖4 局部放電圖像

圖5 試驗用模擬裝置

圖6 接線示意圖

圖7 局部放電圖像

3 放電過程的原理分析

首先應了解半導電緩沖、阻水帶的結構特性。如圖8所示，通常它是由一層半導電無紡布與一層約1.5mm厚度的半導電蓬松棉，中間粘涂一層聚丙烯酸酯膨脹粉而組成。雖然蓬松棉具有半導電性質，但是疏松多孔的結構使其導電性能下降;而阻水要求的聚丙烯酸酯膨脹粉自身不具備導電性。因此導致電纜絕緣線芯與金屬護套(屏蔽)接觸能力下降，半導電絕緣屏蔽處于懸浮電位狀態(tài)，隨著電纜承受的電壓上升，此懸浮電位也越高，進而出現(xiàn)接觸不良類放電，而且放電量隨電壓升高而升高。這種影響在金屬套與阻水帶間隙過大的情況下更明顯。

圖8 緩沖、阻水帶結構示意圖

為了更清楚地了解這種放電的過程，我們建立了簡單的如圖9所示電路模型，然后進行原理分析。因為電纜主要呈現(xiàn)容性，因此在圖中以Cx表征，從絕緣線芯至金屬護套之間的部分以小的放電間隙g和等效電阻R的并聯(lián)電路來代替。當如圖9所示，電路中施加的電壓U以及電流Ix和U1變化時，若在間隙g不發(fā)生擊穿的情況下，R兩端的電壓U1將按照圖10中曲線變化;當電壓U升高，Ix也隨著變大，則電阻兩端的電壓U1=Ix×R隨之變大，當達到間隙的擊穿電壓Ug時，g即發(fā)生擊穿。因為擊穿電弧通道的電阻較小，所以U1迅速跌落，并降至為電弧的熄滅電壓Ud，電弧即熄滅，以及電壓迅速回升。由于此過程反復發(fā)生，因此形成反復放電。由圖5中放電的分布來看，這與實際試驗中放電特征完全重合。

圖9 電纜等效電路模型圖

4 工藝控制和改進

為了減小或避免這種影響，找到在實際生產中可用的控制措施，我們取型號為 YJLW03 1×800mm2絕緣線芯制作試樣，分別采取以下三點措施:(1)利用軋紋深度來控制鋁護套間隙;(2)對電纜加熱;(3)改變阻水帶的繞包結構，隨后分別進行試驗驗證，試驗結果見表1。從試驗結果可以看出:小間隙的試品(1#試樣)比大間隙試品(2#試樣)的放電量明顯要小，但并沒有完全消除此類放電;通過3#和2#試樣的比較可知，加熱處理對消除此類放電有明顯效果，但是冷卻后放電會有一定程度的恢復。

圖10 放電過程中U、Ix、U1的變化曲線

表1 不同工藝措施的局部放電量驗證

5 結論

經過上述分析和試驗驗證證明，現(xiàn)行110 kV及以上高壓XLPE絕緣電力電纜中的阻水結構會引起一定量的典型局部放電。這種放電并不是絕緣線芯的質量所引起的。通過工藝過程控制，可以消除或減小這種放電，但制造廠應注意以下幾個方面:

(1)各種規(guī)格、不同電壓等級的電纜在制定生產作業(yè)指導書時，均要按照合同技術要求計算電纜徑向膨脹量，確定金屬套與絕緣線芯之間的阻水帶的間隙，通過調整鋁護套的軋紋深度，嚴格控制和絕緣線芯之間的間隙，就能解決這種放電;

(2)調整阻水帶繞包時的張力緊而且均勻，使電纜運行時均勻膨脹，帶子與金屬套接觸一致;

(3)改變阻水帶的體積電阻率，與材料廠家合作研究阻水粉的電性能，也會改變這種現(xiàn)象。

近年來該種產品的廣泛應用已經使生產與制造技術日益完善，國家已經將220 kV產品認可國產化，也是對XLPE電纜產品技術國產化的認可，加強過程控制注意每一個細節(jié)是超高壓電纜產品的質量要求，是每一個電纜工作者的重要職責，相信隨著廣大技術人員的共同努力，更高電壓等級電纜產品的國產化指日可待。

［1］劉書全.阻水型220 kV交聯(lián)電纜的研制［J］.高電壓技術，2000(6):51-52.

［2］劉子玉，王惠明.電力電纜結構設計原理［M］.西安:西安交通大學出版社，1995.

［3］邱昌容，曹曉瓏.電氣絕緣絕緣測試技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.