王珊珊，孟 陽，邵京偉，何曉會，岳春風

(1.哈爾濱電站科技開發(fā)有限公司，哈爾濱150046；2.國網黑龍江省電力有限公司物資公司，哈爾濱150001；3.國網黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090；4.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

隨著對電力電纜絕緣吸水和水樹的研究，對高壓電力電纜防水性能要求也越來越高。水分浸入到電纜中，對電纜導體和絕緣的影響較大。水分浸入到導體，使導體氧化，導體電阻增大，輸電線路損耗增加；水分浸入到絕緣，在交變電場下，水分子滲透到絕緣分子無定形相的間隙和晶相的晶界缺陷中，同時交聯聚乙烯絕緣有較多的交聯副產物，絕緣吸水后會產生水樹使得運行中的電纜發(fā)生擊穿而損壞[1]。水樹一般發(fā)生在絕緣中存在的雜質、氣孔及絕緣與內外半導電層結合面的不均勻處所形成的局部高電場部位。水樹發(fā)生過程一般在8年以上，濕度、溫度、電壓越高，水中所含離子越多，則水樹發(fā)展越快。在潮氣和電場的共同作用下，水樹誘發(fā)高壓電力電纜擊穿，從而減少電纜壽命[2-3]。

因此，以220 kV高壓電力電纜為例，對高壓電纜阻水結構進行研究，以避免水汽和環(huán)境水進入電纜內部，并通過阻水試驗驗證設計的合理性。

1 高壓電力電纜阻水結構理論分析

1.1 阻水結構概述

對于220 kV XLPE絕緣電力電纜來說，電纜的防水方式一般分為縱向阻水和徑向阻水兩種?？v向阻水常用的阻水材料有阻水紗、阻水粉及阻水帶，其阻水機理為材料遇水膨脹，阻止水分縱向擴散；徑向阻水方式主要有熱壓、焊接金屬護套等[4-5]。如圖1所示，陰影部分為電纜內部縱向滲水可能發(fā)生處。

圖1 電纜內部縱向滲水可能發(fā)生處Fig.1 Possible location of longitudinal water seepage inside the cable

圖1中：1為導體；2為內半導電屏蔽；3為絕緣；4為外半導電屏蔽；5為銅帶屏蔽；6為包帶；7為內護套；8為墊層；9為間隙；10為皺紋鋁護套；11為外護套。

圖1(a)中可能縱向滲水發(fā)生處為導體絞線間隙、導體與絕緣間隙及銅絲屏蔽間隙；圖1(b)中可能縱向滲水發(fā)生處為導體絞線間隙及導體與絕緣間隙。

1.2 縱向阻水結構

縱向阻水一般通過填充阻水材料和繞包阻水帶實現。電纜阻水材料主要有填充膏、熱熔膠及阻水帶等，目前多采用超強吸水膨脹材料，其吸水性強，吸水量為自身質量的幾十至幾千倍。超強吸水膨脹材料成本低、兼容性強，且兼有被動性阻水材料和主動性阻水材料的優(yōu)點。

采用超強阻水材料填充導電線芯空隙通常有兩種方法。一種為阻水繩與導電線芯一起絞合；另一種采用阻水粉末，對每層導電單線絞合后均勻涂覆表面。

采用新型阻水材料作為填充材料并結合阻水包帶生產的阻水電纜，在實際應用中阻水效果良好。

1.3 徑向阻水結構

徑向阻水方式主要有熱壓、焊接、冷拔金屬護套方式等，常用的材料有：

1)無縫鉛套。由連續(xù)壓鉛機擠包無縫連續(xù)鉛套，鉛的化學性能穩(wěn)定，耐腐蝕。

2)無縫皺紋鉛套。由連續(xù)或非連續(xù)壓鋁機擠包鋁套及軋皺紋，電纜重量輕，鋁的化學性能較活潑，外護套損壞后鋁套易穿孔，外徑較大。

3)焊縫皺紋鋁套。鋁板卷包用焊機焊接后再軋紋，同上，但有縱向焊縫。

4)焊縫皺紋銅套。銅板卷包用焊機焊接后再軋紋，有縱向焊縫，外徑較大。

5)焊縫皺紋不銹鋼套。不銹鋼板卷包用焊機焊接后再軋紋，有縱向焊縫，熱穩(wěn)定容量比波縱銅套低，外徑較大。

6)綜合護套。鋁箔PE復合膜縱向搭蓋卷包熱風焊接，在擠包外護套后與護套結合成一體。電纜重量輕，鋁箔作防水層，用銅絲屏蔽滿足熱穩(wěn)定性。

焊縫皺紋鋁套重量輕，短路熱穩(wěn)定性好，在電纜實際生產中是良好的徑向阻水材料。

2 高壓電力電纜阻水結構設計

220 kV高壓XLPE 絕緣電力電纜，在絕緣線芯外繞包厚度為1.5 mm的半導電吸水膨脹阻水帶。吸水膨脹阻水帶由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，起到阻水作用。其結構如圖2所示。

圖2 220 kV XLPE 絕緣電力電纜結構Fig.2 220 kV XLPE insulated power cable structure

2.1 縱向阻水結構設計

高壓交聯聚乙烯電力電纜縱向阻水結構包括2層半導電緩沖帶，1層阻水帶，以220 kV 2 500 mm2XLPE絕緣電纜結構為例，設計工藝參數，詳見表1。

表1 繞包工藝參數Table 1 Wrapping process parameters

表1中，半導電阻水帶是由聚酯纖維非織造布、半導電材料與高吸水材料等復合而成；非導電阻水帶由非織造布(聚酯布)和高吸水材料復合而成。阻水帶應具有優(yōu)良的阻水性、耐熱性及化學穩(wěn)定性，阻水帶不應含有對金屬材料及其他相鄰材料有腐蝕作用的成分。

阻水帶盤面平整、光滑，接頭用粘接帶或膠液應與阻水帶性能一致，并有明顯標識。生產過程中繞包后電纜外徑僅為參考值，但必須記錄實際繞包外徑，并計算平均外徑，記錄在生產制造卡上，作為下道生產工序的參考依據，同時嚴格控制搭蓋層數及搭蓋率。

2.2 徑向阻水結構設計

高壓電力電纜徑向阻水結構一般采用皺紋鋁護套，220 kV 2500 mm2擠包皺紋鋁護套具體結構尺寸見表2。

表2 擠包皺紋鋁護套結構尺寸Table 2 Extruded corrugated aluminum sheath structure size 單位：mm

中心設定溫度500 ℃，鋁管擠出最大壓力超過315 MPa時，可相應提高中心塊溫度保證設備在正常負荷下運行。

鋁護套表面應光滑、平整，無目力可見的砂眼、氣孔、雜質和明顯的縱向擠出紋路。鋁護套厚度為標稱厚度，鋁護套的最薄點厚度不得小于標稱厚度的90%，實際開車時間，隙控制公差為0～0.7 mm，即實際間隙范圍-0.5～0.2 mm，生產中實際控制范圍-0.2～0.2 mm，包帶外徑按照設計標稱值控制。實際生產時的鋁護套節(jié)距公差范圍-10%～0。深度公差范圍-0.2～0.3 mm，以保證電纜內徑達到工藝要求為準。鋁護套外徑小于100 mm時，公差范圍±1.5 mm；外徑大于100 mm時，公差范圍±2 mm。

每批生產所需的鋁錠應盡可能采用同一批原材料，兩側鋁錠應為同一爐號。擠出皺紋鋁護套后電纜線芯應收在筒體直徑不小于電纜線芯直徑的25倍的收線盤上，且排列整齊，收線盤內表面應光滑平整。

3 電纜阻水性能試驗

根據GB/T 18890—2015規(guī)定，將電纜試樣在環(huán)境溫度下圍繞試驗用圓柱體彎曲至少一整圈，然后展直，再在反方向彎曲一整圈，如此作為一個循環(huán)。循環(huán)進行3次。試驗的圓柱直徑應不大于25(d+D)(1+5%)，D為電纜金屬護套平均外徑，d為電纜導體外徑。

3.1 試樣段選取

1)按標準規(guī)定，取6 m成品電纜，進行彎曲試驗；

2)彎曲試驗后，截取3 m電纜，水平放置，在中間部位切除一個寬約50 mm的圓環(huán)，圓環(huán)應包括絕緣屏蔽以外的各層材料；

3)若電纜采用間隔縱向阻水結構，試樣至少應含有2個間隔，并在間隔之間切除圓環(huán)，并標明間隔的平均距離，據此確定試樣長度；

4)選取合適的裝置，用一根內徑不小于10 mm的圓管垂直放置在圓環(huán)上方，裝置與電纜外護層表面密封。

3.2 阻水試驗

1)向圓管注水，水溫為(10±2)℃，使管中水柱在5 min內高于電纜中心1 m，裝置注水后放置24 h。

2)在試樣上施加10次加熱循環(huán)。采用適當方式加熱導體，使其溫度穩(wěn)定在95～100 ℃之間的一個定值。

3)至少加熱8 h，在每一個加熱期內，導體溫度應保持至少2 h ,隨后自然冷卻16 h以上。

4)選取1根和試樣相同的模擬電纜與試樣串聯，在模擬電纜上直接測量導體溫度，試驗過程中無需施加電壓。

同時對兩段樣品做阻水試驗，樣品均出現漏水，試驗失敗，但樣品漏水較少，需要對工藝參數做進一步改進。

4 工藝改進

通過對彎曲前后的電纜試樣進行結構尺寸檢查，來判斷電纜進水原因。試樣彎曲前后數據見表3，電纜圓整度情況見表4。

表3 試樣彎曲前后數據

表4 彎曲前后圓整度Table 4 Roundness before and after bending 單位：%

由試驗數據可以看出，電纜在經過牽引、上盤和彎曲后，圓整度均變小。電纜由于本體較大較重，上盤彎曲時單面受力，導致一面間隙為負，對應一面間隙為正，電纜圓整度差，導致電纜少量進水。

對電纜的節(jié)距大小和鋁護套深度進行調整。節(jié)距不變，鋁護深度越大，電纜透水長度越長，阻水效果越差，這是因為深度越大緩沖阻水帶膨脹到鋁護套波峰的距離越長，導致阻水效果差；但深度過小，彎曲性能下降，圓整度會減小，又會反過來使阻水效果變差，因此深度選取要適中。節(jié)距越小，電纜彎曲性能越好，阻水效果也越好。水是沿著皺紋鋁護套的皺紋螺旋前進的，節(jié)距越小，同等長度下水通過的路徑越長，所以節(jié)距小的電纜阻水效果好，但節(jié)距過小會材料浪費，因此節(jié)距要取一個適當的值。

節(jié)距計算式為

P=a×δ×h

式中：P為節(jié)距；a為常數，通常取2.5～3；δ為鋁護套厚度；h為鋁護套深度。

通過上述分析，對電纜進行工藝改進，鋁護套深度h設計為(6.5±0.2) mm，節(jié)距設計為30.5 mm，公差不變。同時，改進牽引，保證牽引力足夠大，牽引勻速平穩(wěn)。并用更大內徑的電纜盤進行收線，保證電纜的圓整度。

電纜工藝改進后，按照上述的試驗過程再次進行阻水試驗，試樣兩端均無漏水現象，阻水試驗成功，滿足國家標準。

5 結 語

對高壓電纜阻水結構進行分析，得出縱向阻水材料中膨脹阻水帶阻水效果較好，在徑向阻水結構中皺紋鋁護套阻水效果較好，并給出參考工藝參數，通過阻水試驗進行驗證。

電纜生產時要嚴格控制鋁護套深度、節(jié)距等關鍵工藝參數，保證電纜阻水性能要求。