夏云海 ,林亞陽(yáng) ,于建華 ,侯虹劍 ,周玉軍 ,謝書鴻

(1.中天科技海纜股份有限公司,南通 226010;2.國(guó)網(wǎng)南通供電公司,南通 226006;3.中天科技股份有限公司,南通 226463)

0 引言

國(guó)內(nèi)皺紋鋁護(hù)套交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜頻繁發(fā)生緩沖層燒蝕故障,對(duì)線路可靠性和電網(wǎng)安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅,雖然針對(duì)緩沖層燒蝕的相關(guān)研究還未有定論,但金屬護(hù)套和絕緣屏蔽電氣接觸不良無(wú)疑是引發(fā)故障的重要原因之一[1]。由于皺紋鋁套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致皺紋鋁套波谷與緩沖層以線性接觸為主,而平滑鋁套電纜為面接觸,平滑鋁套有更好的電氣性能,是解決皺紋鋁套緩沖層及絕緣屏蔽燒蝕的方向之一。目前國(guó)內(nèi)已有多家高壓電纜廠獲得平滑鋁套電纜型式試驗(yàn)報(bào)告,已具備平滑鋁套產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和批量化生產(chǎn)能力,但是對(duì)平滑鋁套高壓電纜的應(yīng)用技術(shù)研究甚少,大部分廠家還停留在生產(chǎn)工藝研究。

220 kV 平滑鋁套高壓電纜外徑小,電纜安裝所需空間小,且試驗(yàn)驗(yàn)證平滑鋁套的載流量比皺紋鋁套電纜提高了5.6%[2]。對(duì)于電力部門,可降低設(shè)計(jì)成本,同時(shí)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證了電纜在電網(wǎng)中運(yùn)行的安全可靠性。

由于平滑鋁套金屬屏蔽的結(jié)構(gòu)特性,用戶認(rèn)為平滑鋁套電纜彎曲性能較皺紋鋁套差,平滑鋁套的彎曲性能是用戶關(guān)心的重要指標(biāo),也是在電網(wǎng)中能否得到應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一,本工作以220 kV 2 500 mm2平滑鋁套電纜為例,對(duì)其彎曲性能及抗外力機(jī)械沖擊性能進(jìn)行了研究,希望為國(guó)內(nèi)平滑鋁套高壓電纜的批量化生產(chǎn)和應(yīng)用積累一些經(jīng)驗(yàn)。

1 平滑鋁套電纜彎曲性能研究

國(guó)內(nèi)110～500 kV 高壓電纜[3]中規(guī)定皺紋鋁套電纜安裝敷設(shè)時(shí)彎曲半徑不小于20D(D為電纜標(biāo)稱外徑),電纜運(yùn)行時(shí)彎曲半徑不小于15D,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) ICEA S-108-720—2018 中規(guī)定非金屬外護(hù)套黏合型的平滑鋁護(hù)套電纜與皺紋鋁護(hù)套電纜進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí),采用的筒體直徑均不大于25(d+D)+5% (d為導(dǎo)體標(biāo)稱外徑),可理解為兩類產(chǎn)品具有相同的彎曲性能,本工作將通過(guò)機(jī)械彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證平滑鋁套的彎曲性能。

1.1 平滑鋁套電纜靜態(tài)彎曲性能仿真分析

文獻(xiàn)[3]采用CableCAD 仿真軟件建立平滑鋁套高壓電纜的分析模型,分析平滑鋁套電纜的彎曲性能,將彎曲時(shí)的載荷施加至建立的模型上,分別對(duì)20D、22D、25D、30D的筒體直徑進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)筒體直徑為22D時(shí),電纜彎曲應(yīng)力分布見圖1;當(dāng)簡(jiǎn)體直徑為22D時(shí),其安全系數(shù)分布見圖2。

圖1 筒體直徑22D 時(shí)電纜彎曲應(yīng)力分布

圖2 筒體直徑22D 時(shí)安全系數(shù)分布

由圖1 可知,平滑鋁套電纜的最大應(yīng)力作用在平滑鋁套上;由圖2 可知,當(dāng)安全系數(shù)為1、筒體直徑為22D及以上時(shí),應(yīng)力變化不大,因此平滑鋁套電纜不會(huì)發(fā)生不可逆的變形。

1.2 平滑鋁套電纜靜態(tài)彎曲性能驗(yàn)證

選取平滑鋁套高壓電纜YJLP03-Z 127/220 kV 1×2 500,電纜標(biāo)稱外徑D為138 mm。本工作采用仿真軟件模擬計(jì)算平滑鋁套的22D筒體直徑的盤具和19D筒體直徑的盤具進(jìn)行靜態(tài)彎曲性能驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 平滑鋁護(hù)套電纜的小筒體彎曲試驗(yàn)

由表1 可知,筒體直徑為22D時(shí)電纜上盤具后未見平滑鋁護(hù)套起皺變形,采用筒體直徑為19D的盤具并經(jīng)多次驗(yàn)證后,電纜護(hù)套表面平整,未見不可逆的變形。

彎曲試驗(yàn)后,按GB/T 18890—2015 中成品電纜試驗(yàn)的要求,對(duì)平滑鋁套電纜進(jìn)行了局部放電和耐壓試驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)超過(guò)靈敏度的放電,耐壓試驗(yàn)順利通過(guò)。

1.3 平滑鋁套電纜張力彎曲性能試驗(yàn)

電纜在施工過(guò)程中轉(zhuǎn)彎處可能會(huì)出現(xiàn)彎曲半徑不滿足20D的情況,但是否能滿足平滑鋁套電纜的彎曲性能要求,需要進(jìn)行可行性研究,本工作參考GB/T 32346.1—2015 張力彎曲試驗(yàn)方法,采用張力彎曲試驗(yàn),模擬平滑鋁套電纜在安裝敷設(shè)時(shí)的彎曲受力狀態(tài)下,進(jìn)行平滑鋁套電纜的彎曲性能驗(yàn)證,當(dāng)彎曲半徑小于20D時(shí),在規(guī)定的彎曲次數(shù)內(nèi),平滑鋁套表面不起皺。

1.3.1 試驗(yàn)方法及過(guò)程

有轉(zhuǎn)彎的電纜線路,在彎曲部分的內(nèi)側(cè),電纜被牽引力的分力和彎曲物的反作用力共同作用而使其受到的一種壓力,這種壓力稱為側(cè)壓力,側(cè)壓力是牽引力與電纜彎曲半徑之比,側(cè)壓力與電纜的結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系,皺紋鋁套電纜的側(cè)壓力為3 kN·m-1[4-5]。

采用大截面220 kV 2 250 mm2平滑鋁套電纜為試驗(yàn)樣品,轉(zhuǎn)輪的筒體直徑為32D(彎曲半徑為16D),張力彎曲試驗(yàn)原理示意見圖3。

圖3 張力彎曲試驗(yàn)原理示意圖

(1)側(cè)壓力(T)為5 kN·m-1,電纜彎曲半徑(R)為2 200 mm,按T=F/R計(jì)算得電纜拉力(F)為11 kN。電纜拉力設(shè)計(jì)為11 kN,在電纜末端施加拉力,使電纜繞轉(zhuǎn)輪卷繞和退出卷繞反復(fù)3 次,不改變彎曲方向。

(2)側(cè)壓力5 kN·m-1張力彎曲試驗(yàn)后,電纜拉力設(shè)計(jì)為22 kN,側(cè)壓力10 kN·m-1,按照(1)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

按GB/T 32346.1—2015 張力彎曲試驗(yàn)方法分別在5,10 kN·m-1的側(cè)壓力下,對(duì)平滑鋁套電纜進(jìn)行彎曲試驗(yàn),結(jié)果見圖4 和圖5。

圖4 5 kN·m-1側(cè)壓力時(shí)平滑鋁護(hù)套彎曲試驗(yàn)

圖5 10 kN·m-1側(cè)壓力時(shí)平滑鋁護(hù)套彎曲試驗(yàn)

張力彎曲試驗(yàn)后,分別觀察5 kN·m-1和10 kN·m-1側(cè)壓力下平滑鋁套電纜表面,繞輪卷繞和退出卷繞反復(fù)3 次后,其表面均無(wú)起皺現(xiàn)象。

張力彎曲試驗(yàn)后,平滑鋁套電纜表面均未產(chǎn)生鋁套起皺現(xiàn)象,再對(duì)試驗(yàn)電纜進(jìn)行電氣試驗(yàn),滿足GB/T 18890—2015 中要求:①局部放電試驗(yàn)中,無(wú)超過(guò)申報(bào)靈敏度(5 pC 或更優(yōu))的可測(cè)放電;②沖擊電壓及隨后的工頻電壓試驗(yàn),95～100 ℃,±1 050 kV各10 次,318 kV/15 min,平滑鋁套電纜未擊穿和未閃絡(luò)。

2 抗外力機(jī)械沖擊性能

由于平滑鋁套電纜和皺紋鋁套電纜的金屬套結(jié)構(gòu)不同,平滑鋁套的厚度小于皺紋鋁套的整體厚度,并且皺紋鋁套表面的波紋、波谷還起到一定程度的抗壓作用,用戶在使用平滑鋁套電纜時(shí)往往擔(dān)心安裝施工敷設(shè)時(shí)外力對(duì)電纜造成損害,因此,用戶非常關(guān)注平滑鋁套的抗外力機(jī)械沖擊性能。目前還沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)給出平滑鋁套電纜機(jī)械沖擊性能的試驗(yàn)方法,本工作參考IEC TR 61901:2016 中關(guān)于綜合護(hù)層電纜外力機(jī)械沖擊的試驗(yàn)方法,利用重錘自由落體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的重力對(duì)鋁套電纜進(jìn)行撞擊,并對(duì)平滑鋁套和皺紋鋁套電纜進(jìn)行驗(yàn)證,電纜絕緣表面不應(yīng)有機(jī)械外傷。

2.1 抗外力機(jī)械沖擊試驗(yàn)方法

參照IEC TR 61901:2016 額定電壓30 kV(Um=36 kV)到500 kV(Um=550 kV)金屬箔護(hù)套縱向阻水電力電纜試驗(yàn)方法。

2.2 抗外力機(jī)械沖擊試驗(yàn)過(guò)程

分別取型號(hào)為 YJLP03-Z 127/220 kV 1×2 500和YJLW03-Z 127/220 kV 1×2 500 的各層結(jié)構(gòu)完好的平滑鋁套和皺紋鋁套成品電纜樣品各1 m,用27 kg 落錘沿鋁護(hù)套焊縫的垂直方向?qū)﹄娎|外表面某一點(diǎn)完成連續(xù)4 次0.27 m 的下落沖擊,隨后在鋁護(hù)套焊縫的軸向?qū)ΨQ位置取1 個(gè)點(diǎn)完成同樣的測(cè)試過(guò)程。

2.3 抗外力機(jī)械沖擊試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)同規(guī)格的220 kV 2 500 mm2平滑鋁套電纜和皺紋鋁套電纜抗外力機(jī)械沖擊性能對(duì)比,根據(jù)IEC TR 61901:2016 進(jìn)行的耐機(jī)械沖擊性能試驗(yàn),平滑鋁套和皺紋鋁套電纜的金屬套均有凹陷,半導(dǎo)電緩沖阻水帶完好,絕緣屏蔽表面無(wú)損傷,平滑鋁套電纜和皺紋鋁套電纜的解剖檢查分別見圖6、圖7。

由圖6、圖7 可以看出,平滑鋁套結(jié)構(gòu)的電纜和皺紋鋁套結(jié)構(gòu)的電纜耐機(jī)械沖擊性能基本一致,在施工和運(yùn)行過(guò)程中,均可以為電纜提供足夠的機(jī)械保護(hù)。

圖6 平滑鋁套電纜解剖檢查

圖7 皺紋鋁套電纜解剖檢查

3 結(jié)束語(yǔ)

本工作通過(guò)對(duì)220 kV 2 500 mm2平滑鋁套電纜的機(jī)械性能進(jìn)行了技術(shù)研究,得出以下結(jié)論:

(1)本工作對(duì)平滑鋁套電纜靜態(tài)彎曲性能進(jìn)行了研究,經(jīng)驗(yàn)證,22 倍筒體直徑相當(dāng)于11 倍電纜彎曲半徑,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電纜安裝敷設(shè)時(shí)彎曲半徑為20 倍電纜外徑的使用要求,因此平滑鋁套電纜安裝敷設(shè)時(shí)彎曲半徑為20D,可以滿足電纜使用要求。

(2)本工作張力彎曲試驗(yàn)電纜彎曲半徑為16D,側(cè)壓力達(dá)到10 kN·m-1時(shí),平滑鋁套電纜表面未見起皺變形等不良現(xiàn)象,隨后的電氣性能試驗(yàn)一次通過(guò),側(cè)壓力為5 kN·m-1,可滿足電纜的安裝敷設(shè)要求。

(3)本工作通過(guò)平滑鋁套電纜和皺紋鋁套電纜抗外力機(jī)械沖擊性能對(duì)比,得出平滑鋁套電纜和皺紋鋁套電纜的耐機(jī)械沖擊性能基本一致,在施工和運(yùn)行過(guò)程中,均可為電纜提供足夠的機(jī)械保護(hù)作用。

在歐洲,平滑鋁套電纜已有數(shù)十年的應(yīng)用,并且在電網(wǎng)運(yùn)行中情況良好,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)平滑鋁套電纜工程應(yīng)用甚少,其機(jī)械性能需要做進(jìn)一步的工程應(yīng)用研究與驗(yàn)證。除機(jī)械性能外,針對(duì)平滑鋁套電纜的緩沖阻水帶阻水分的含量、熱熔膠的黏結(jié)力、平滑鋁套與電纜附件的連接處理方式等問(wèn)題也需要開展相應(yīng)的技術(shù)研究,為工程應(yīng)用提供指導(dǎo),確保電纜系統(tǒng)的可靠性。新型金屬屏蔽結(jié)構(gòu)的平滑鋁護(hù)套高壓電纜符合新一代電網(wǎng)“本質(zhì)安全”的要求,采用平滑鋁護(hù)套高壓電纜可以極大地提高系統(tǒng)的安全可靠性,是未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向。