嚴有祥, 歐陽本紅, 鄭建康 , 李浩浩, 王 偉

(1.國網(wǎng)廈門供電分公司, 廈門 361000; 2.中國電力科學研究院, 武漢 430074; 3.國網(wǎng)西安供電分公司, 西安 710025;4.上上電纜股份有限公司, 宜興 214200; 5.國網(wǎng)電力科學研究院, 武漢 430074)

0 引 言

高壓電纜材料及結(jié)構(gòu)的選擇對電纜的長期可靠使用影響巨大。近年來,電纜緩沖層在運行中出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象就是其最典型的問題。眾所周知,電纜緩沖層是由半導電無紡布加防水粉組成的,由于材料性質(zhì)特性的變化、生產(chǎn)工藝的不同,材料表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)特性千差萬別。電纜運行時,電容電流的出現(xiàn)和分布變化,不同接地方式運行下電容電流的集中方式也不同,如果在電流集中點上,材料的溫升超過了基材的耐溫極限,就可能出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。

本工作在文獻[1]的基礎(chǔ)上,從電纜緩沖層的組成特性、皺紋鋁套接地方式和模擬電纜運行等方面研究燒蝕的相關(guān)性條件。通過制作大量的含有各種緩沖層結(jié)構(gòu)的模型電纜和實際電纜樣品,對模型電纜、實際電纜樣品,進行相關(guān)材料的試驗,揭示了電纜皺紋鋁套內(nèi),緩沖層外表面電容電流的分布。從試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析看,證明了文獻[1]中理論計算的情況和實際檢測情況相吻合,且這種電容電流的分布與電纜皺紋鋁套的接地方式有關(guān)系。

1 模型、計算及試驗分析

1.1 模型及等值電路

圖1和圖2分別表示金屬套和緩沖層全部接觸和部分接觸時的模型,其中皺紋鋁套的熱脹冷縮較內(nèi)部的絕緣材料的小,它們之間必須設(shè)計一定的間隙,而這個間隙又阻斷了電氣連接,所以需采用具有可壓塑功能的半導電無紡布緩沖層來滿足熱脹冷縮的結(jié)構(gòu)要求。根據(jù)上述電纜緩沖層的材料、結(jié)構(gòu)、施加電壓情況,以及電纜結(jié)構(gòu)的分析,將金屬套和緩沖層接觸點分成兩種極端情況,圖1是金屬套接觸緩沖層;圖2為金屬套不接觸緩沖層。圖1和圖2中的箭頭方向代表絕緣電容電流的流向。

圖1 金屬套接觸緩沖層

圖2 金屬套不接觸緩沖層

上述模型結(jié)構(gòu)的等值電路,見圖3。從理論上分析緩沖層結(jié)構(gòu)可以用一個電阻(R)進行代替;電纜絕緣層可以認為是一個電容(C);本應出現(xiàn)的絕緣屏蔽層參數(shù),由于電阻很小,因而忽略不計;金屬套電阻更小,也忽略不計。

圖3 緩沖層等值電路

1.2 分電壓計算

根據(jù)電路原理,施加在緩沖層上的分電壓U·PR就可以由式(1)進行計算:

式中:C為等值電容,pF;f為工作電壓頻率,Hz;U為施加在電纜上的運行電壓,V。

代入已知條件:操作波的頻率為1×103Hz;單位長度電纜的電容為200 pF。

故障點的面積根據(jù)實際圖片判斷寬t=1 mm,長為五分之一圓弧,如果電纜絕緣屏蔽層外直徑為D=80 mm,則燒蝕面積S表示為

將數(shù)據(jù)帶入公式(1),得

式中:a為實部;b為虛部。根據(jù)UP=KUo[1],可知UoR=2.94 V。

從操作波公式「2-5」可知,作用在緩沖層上的分量數(shù)學表達式為

1.3 緩沖層受熱計算

根據(jù)熱平衡方程[5]:

假設(shè)電纜周圍的環(huán)境溫度為20 ℃,在絕熱條件下,0~2 500 μs范圍內(nèi),操作波過程中緩沖層上產(chǎn)生的熱量應滿足下列公式:

式中:S=d×t;t為燒蝕點寬,mm;金屬套波峰寬為d=10 mm;阻水帶單位面積質(zhì)量m=240 g·m-2;緩沖層電阻R=1 000 Ω;將已知數(shù)據(jù)代入式(5),得到操作波電壓下緩沖層的表面溫度T=441 ℃。用同樣方法計算,工頻電壓,即:UoR=1.47 V,一個周期內(nèi),緩沖層接觸點的溫度約達到94 ℃。從緩沖層的特性參數(shù)可知,該溫度屬于緩沖層的正常運行溫度,但如果電流集中到一點,溫度會增至正常運行時的50.2倍以上(即將t=50.2 mm2面積上的電流集中到一個單位面積上),理論上可達到4 718.8 ℃,這足以破壞緩沖層基材、金屬套內(nèi)表面及絕緣屏蔽層外表面。

1.4 緩沖層熱重分析

采用TAG-DSC熱重分析試驗方法分析緩沖層的溫度變化情況,檢測實際緩沖層燒蝕點材料經(jīng)受溫度變化的過程。分別選擇同一緩沖層中燒蝕孔處以及外觀完好處的兩處樣本進行分析,在平衡溫度50 ℃時,以10 ℃·min-1速率進行升溫,直到溫度達700 ℃為止。得到緩沖層燒蝕孔處以及外觀完好處的兩處樣本的熱重變化,見圖4。

由圖4(a)可知,在160 ℃附近的峰代表的是材料失去結(jié)晶水的過程,而在此處,只有鋁材氧化反應形成Al2O3才會有結(jié)晶水存在,正是在這個溫度下,其結(jié)晶水失去造成一個吸收峰。圖4中,在423 ℃均有一個吸收峰,它代表的是聚丙烯結(jié)晶區(qū)完全分解吸收峰,在緩沖層燒蝕孔內(nèi),由于聚丙烯無紡布結(jié)構(gòu)的結(jié)晶已經(jīng)在燒蝕過程中分解了,剩余數(shù)量有限,所以它的吸收峰明顯小,這也說明這里的聚丙烯無紡布被嚴重燒蝕。

圖4 緩沖層TAG熱重分析圖譜

由試驗結(jié)果可以看出:緩沖層經(jīng)受過約423 ℃的高溫,這一溫度和理論計算的結(jié)果處在一個數(shù)量級范圍,說明前述的理論計算可真實反映電纜燒蝕的過程。

2 電纜模擬樣品

2.1 樣品選擇

用于模擬試驗的樣品,必須選擇一個最佳緩沖層結(jié)構(gòu)方案。在試驗前,首先對需要研究的現(xiàn)有電纜緩沖層結(jié)構(gòu)和可能的新型結(jié)構(gòu)進行梳理,所選擇的電纜結(jié)構(gòu)既要滿足不再發(fā)生緩沖層燒蝕,在電纜運行期間,也要求緩沖層的電阻始終都處于較低的數(shù)值「6-9」。在實際使用中,電纜的緩沖層結(jié)構(gòu)有很多種組合,通過大量的分析,本工作選擇了常用的幾種以及可能實現(xiàn)的緩沖層結(jié)構(gòu)作為模擬電纜樣品。

2.2 模擬試樣

圖5 是制備的模擬試驗樣品,當電纜外屏沒有銅帶時,由于外屏電阻的存在,隨著長度的增加,外屏的電阻將變得很大,當萬用表兩根接線分別與鋁護套和外屏連接時,電流只在很小段區(qū)域流通,即便電纜再長,采用這種方法,電流只在其中的很小一段內(nèi)存在,由于長度短,緩沖層的并聯(lián)電阻較少,其值相對較大,且不隨電纜長度的增加而變化。因此,在制作樣品時在絕緣屏蔽上緊繞一層銅箔作為一個電極,求取的是這段電纜上緩沖層的平均值。

圖5 模擬試驗樣品

當電纜外屏繞包銅帶后,此時測量的緩沖層電阻是整根試樣上緩沖層電阻的并聯(lián)值,其值很小,且隨著電纜長度的增加而減小。測量模擬試樣參數(shù)的試驗接線示意圖見圖6。

圖6 測量模擬試樣參數(shù)的試驗接線示意圖

試驗用試樣的緩沖層結(jié)構(gòu)組合見表1。

2.3 實際電纜線路試樣

模擬試驗按文獻[10]中的方法進行:取一段110 kV電纜,長度為378 m,電容為0.23 μF·km-1;再取一段220 kV電纜,電容為0.252 μF·km-1,長度為20 m,這兩段電纜的局部放電、耐壓性能均合格。電纜兩端分別剝掉30 cm外護套,使鋁護套露出,再用直徑4 mm鉆頭分別在鋁護套波峰、波谷打孔,通過面積1.5 mm2的導線緊接緩沖層,但和皺紋鋁套不接觸,形成測量電極。

2.4 試驗數(shù)據(jù)

通過對模擬試樣進行預定的注水、改變所施加的壓力和變換樣品所處的環(huán)境溫度,測量模擬試樣獲得了表1~表3的試驗數(shù)據(jù)。

表1 模擬試樣緩沖層結(jié)構(gòu)和試驗結(jié)果

表3 半導電阻水帶在不同壓力下體積電阻率的結(jié)果

為進一步驗證不同電纜結(jié)構(gòu)電纜電阻及電纜不同工作溫度下半導電緩沖層的電阻變化,盡量減小試驗過程中溫度波動影響,分別取不同結(jié)構(gòu)的短段電纜樣品,測試在不同溫度下的電阻,結(jié)果見表4。

表4 不同樣品不同溫度下緩沖層電阻

在模擬電纜線路上變換接地點方式(單端和雙端接地)測量的1.5,3.5 mm2銅接地線上的電容電流,結(jié)果見表5和表6。

表5 模擬ZC-YJLW03-Z-64/110 kV 1×800 378 m電纜小電極上的電容電流(接地線上電流密度)

表6 模擬ZA-YJLW03-Z-127/220 kV 1×2 500 20 m電纜小電極上的電容電流(接地線上電流密度)

表2 半導電阻水帶注水前后體積電阻率的結(jié)果

2.5 試驗現(xiàn)象和說明

表1中,序號20銅帶+丁基帶模擬試樣在常溫下測試電阻為0.2 Ω,當溫度升至70 ℃時電阻仍為0.2 Ω,這說明隨溫度變化丁基橡膠帶的接觸電阻大小沒有變化,現(xiàn)有電纜緩沖層結(jié)構(gòu)的接觸電阻試驗結(jié)果見圖7、圖8。由圖7~圖8可以看到,當電纜運行溫度升高后,在70~80 ℃區(qū)間接觸電阻迅速升高。

圖7 樣品無銅帶時緩沖層電阻隨溫度變化趨勢

圖8 樣品有銅帶時緩沖層電阻隨溫度變化趨勢

在半導電丁基帶加金布結(jié)構(gòu)的緩沖層接觸電阻試驗中,電纜運行溫度范圍內(nèi)緩沖層接觸電阻均處于幾種樣品接觸電阻最小的狀態(tài)。

從表5和表6可以看到,電纜的接地方式和電極面積對接觸點的電容電流的分布有影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 半導電緩沖層燒蝕受熱

從理論計算獲知,電纜緩沖層在操作過電壓作用下,電容電流集中點的一個小區(qū)域中會產(chǎn)生很高的溫度(理論計算值441 ℃,實測值423 ℃),這一溫度遠高于緩沖層材質(zhì)結(jié)構(gòu)的耐熱溫度,緩沖層在操作波作用的時間內(nèi)結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶體融化到整體分解,而造成這個溫度下的電流只有不到1 A。

實際測量的溫度和理論計算的溫度非常接近,原因可能是在理論計算的假設(shè)階段,認為電容電流產(chǎn)生的溫升向周圍介質(zhì)的散熱可以忽略不計,但實際上存在散熱,只是由于緩沖層是由聚丙烯纖維構(gòu)成,而聚丙烯纖維是一個絕緣體,散熱很小。雖然纖維上包裹著導電炭黑,但其厚度非常薄,散熱也是有限的。這里面的散熱主要是紅外線輻射散熱,且散熱并不迅速,因此,理論計算和實際測量值才這么接近。

3.2 電纜緩沖層結(jié)構(gòu)

由表4可知,在模擬的各種樣品中,發(fā)現(xiàn)只有一層半導電丁基橡膠帶加一層金絲布的緩沖層結(jié)構(gòu)的接觸電阻,在各個溫度下均較為穩(wěn)定地維持在1 Ω以下。而現(xiàn)有電纜純防水半導電無紡布結(jié)構(gòu)的緩沖層中,各個溫度運行下的電阻高于100 Ω,金絲布加半導電無紡布帶構(gòu)成的緩沖層電阻更高,可以解釋為金絲布的銅含量較低,且直徑較小,再加上半導電無紡布,最終造成電阻較大。

3.3 電容電流的流向

由表5中樣號1和樣號2數(shù)據(jù)、樣號4和樣號5數(shù)據(jù)可知:110 kV、378 m電纜在接地點面積相同的情況下,單端接地在測量的接地點電容電流明顯大于雙端接地時的電容電流,有幾乎2倍的關(guān)系,且波谷電流是波峰電流的2倍,說明當雙端接地時,電容電流滿足從波峰向兩邊的波谷處鋁護套接觸的位置流動(見圖1)。由表6也可以看到:220 kV、20 m的電纜用同樣方法所得的試驗數(shù)據(jù)也有這樣的表現(xiàn)形式,但由于電纜較短,這種現(xiàn)象不是很明顯,這說明接地點的相對距離影響了電容電流的分布。表6中220 kV電纜在單端和雙端接地的情況下,兩個電容電流幾乎相等。而220 kV絕緣中的電容電流,由于其絕緣厚度幾乎是110 kV電纜絕緣厚度的一倍(110 kV絕緣厚度16 mm,220 kV絕緣厚度24 mm),所以考慮在電極面積不同的情況下,220 kV電纜的電容電流是110 kV的1.72倍,說明在電壓相等時接地點單位長度上的電流I220/I110≈1.72,但在表5中,沒有看到這樣的電流倍數(shù),表現(xiàn)的結(jié)果是110 kV電纜在單點接地和雙端接地時,接地電流均比220 kV電纜大。110 kV電纜和220 kV電纜在1.5 mm2接地線中的電容分別為1.987×10-15,1.67×10-15F·m-1。按照理論計算,用式(1)對110 kV電纜結(jié)構(gòu)計算可得這片緩沖層的電阻相當于2.08 MΩ(64 kV,0.83 mA);220 kV電纜的接觸電阻為8.64 kΩ(64 kV,0.29 mA),可見此次試驗用的110 kV和220 kV電纜的緩沖層接觸電阻是非常大的。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述計算和試驗,高壓電纜的緩沖層中的電容電流分布和電阻變化有以下幾個特點:

(1)高壓電纜緩沖層中流動的電流雖然很小,但由于集中于很小的面積上,造成溫度升高很大,實際測量和理論計算充分證實了這一點。

(2)高壓電纜線路在運行時,電纜線路的接地方式會影響到電容電流的分布,造成電流的進一步集中,金屬套單點接地的電容電流幾乎是雙端接地的1倍。但對于短段電纜而言,這一特性表現(xiàn)得不明顯。

(3)在高壓電纜在模擬試驗中,模擬電極上的電容電流小于理論計算的電容電流,原因在于絕緣屏蔽層串聯(lián)的電阻在作用,該電阻達到幾百千歐。

(4)根據(jù)試驗得到的結(jié)果,高壓電纜緩沖層結(jié)構(gòu)中以半導電丁基橡膠帶加金布的效果最好,它能保證電纜在運行溫度下始終保持在較低的接觸電阻之下,而且半導電丁基橡膠帶沒有裸露的導電炭黑,不會和鋁產(chǎn)生電化學反應,提高了電纜運行的可靠性。