电缆绝缘试验

电缆绝缘试验（共12篇）

电缆绝缘试验 篇1

当电缆的绝缘中存在部分受潮,全部受潮或留有击穿痕迹时, 绝缘电阻的变化取决于这些缺陷是否贯穿于两极之间。如缺陷贯穿两极之间,绝缘电阻会有灵敏的反映。如只发生局部缺陷,电极间仍保持着良好绝缘,绝缘电阻将很少降低,甚至不发生变化。因此,绝缘电阻只能有效地检测出整体受潮和贯通性的缺陷。

1测试前的准备工作

(1)了解被试设备现场情况及试验条件。

(2)试验仪器、设备准备。

(3)办理工作票并做好试验现场安全和技术措施。

2现场试验步骤要求及注意事项

2.1三相电缆芯线对地及相间绝缘电阻试验

(1)试验接线。试验应分别在每一相上进行,对一相进行试验时,其他两相芯线、金属屏蔽或金属护套(铠装层)接地。试验接线如图1所示

(2)操作步骤。

1拉开电缆两端的线路和接地刀闸,将电缆与其他设备连接完全断开,对电缆进行充分放电,对端三相电缆悬空。检验绝缘电阻表完好后,将测量线一端接绝缘电阻表“L”端,另一端接绝缘杆,绝缘电阻表“E”端接地。

2通知对端试验人员准备开始试验,试验人员驱动绝缘电阻表,用绝缘杆将测量线与电缆被试相搭接,待绝缘电阻表指针稳定后读取I min绝缘电阻值并记录。试验完毕后,用绝缘杆将连接线与电缆被试相脱离,再关停绝缘电阻表,对被试相电缆进行充分放电。

按上述步骤进行其他两相绝缘电阻试验。

2.2电缆外护套绝缘电阻试验

(1)试验接线。电缆外护套(绝缘护套)的绝缘电阻试验接线如图2所示。

(2)操作步骤:测量外护套的对地绝缘电阻时,将“金属护层”、 “金属屏蔽层”接地解开。将测试线一端接绝缘电阻表“L”端,另一端接绝缘杆,绝缘电阻表“E”端接地。检验绝缘电阻表完好后,驱动绝缘电阻表,将绝缘杆搭接“金属护层”,读取Imin绝缘电阻值并记录。测试完毕后,将绝缘杆脱离“金属护层”,再停止绝缘电阻表,并对“金属护层”进行放电。试验完毕后,恢复金属护层、金属屏蔽层接地。

2.3试验注意事项

(1)在测量电缆线路绝缘电阻时,必须进行感应电压测量。

(2)当电缆线路感应电压超过绝缘电阻表输出电压时,应选用输出电压等级更高的绝缘电阻表。

(3)在测量过程必须保证通信畅通,对侧配合的试验人员必须听从试验负责人指挥。

(4)绝缘电阻测试过程应有明显充电现象。

(5)电缆电容量大,充电时间较长,试验时必须给予足够的充电时间,待绝缘电阻表指针完全稳定后方可读数。

(6)电缆两端都与GIS相连,在试验时若连接有电磁式电压一瓯感器,则应将电压互感器的一次绕组末端接地解开,恢复时必须检查。

3测试结果分析及报告编写

3.1测试结果分析

(1)测试标准及要求。根据《电气装置安装E程电气设备交接试验标准》 (GB 50150-2006)规定。

1电缆线路绝缘电阻应在进行交流或直流耐压前后分别进行测量,耐压试验前后绝缘电阻测量值应无明显变化。

(2)橡塑电缆外护套、内衬套的绝缘电阻不低于0.5 MΩ/km。

(2)测试结果分析。

1直埋橡塑电缆的外护套,特别是聚氯乙烯外护套,受地下水的长期浸泡吸水后,或者受到外力破坏而又未完全破损时,其绝缘电阻均有可能下降至规定值以下。

235 k V及以下电压等级的三相电缆(双护层)外护套破损不一定要立即修理,但内衬层破损进水后,水分直接与电缆芯接触, 并可能腐蚀铜屏蔽层,一般应尽快检修。35 k V及以上电压等级的单相或三相电缆(单护层)外护套破损一定要立即修复,以免造成金属护层多点接地,形成环流。

3由于电缆电容量大,在绝缘电阻测试过程如测量时间过短, “充电”还未完成就读数,易引起对试验结果的误判断。

4测得的芯线及护层绝缘电阻都应达到上述规定值,在测量过程中还应注意是否有明显的充电过程,以及试验完毕后的放电是否明显。若无明显充电及放电现象,而绝缘电阻值却正常,则应怀疑被试品未接入试验回路。

3.2试验报告编写

试验报告编写应包括以下项目:被试电缆运行编号、试验时间、试验人员、天气情况、环境温度、湿度、被试电缆参数、运行编号、使用地点、试验结果、试验结论、试验性质(交接、预防性试验、 检查、实行状态检修的应填明例行试验或诊断试验)、试验装置名称、型号、出厂编号,备注栏写明其他需要注意的内容,如是否拆除引线等。

4电缆试验操作危险点分析及控制措施

(1)挂接地线时,应使用合格的验电器验电,确认无电后再挂接地线。严禁使用不合格验电器验电,禁止不戴绝缘手套强行盲目挂接地线。

(2)接地线截面、接地棒绝缘电阻应符合被测电缆电压等级要求;装设接地线时,应先接接地端,后接导线端:接地线连接可靠, 不准缠绕;拆接地线时的程序与此相反。

(3)连接试验引线时,应做好防风措施,保证足够的安全距离, 防止其漂浮到带电侧。

(4)电缆及避雷器试验前非试验相要可靠接地,避免感应触电。

(5)所有移动电气设备外壳必须可靠接地,认真检查施工电源, 防止漏电伤人,按设备额定电压正确装设漏电保护器。

(6)电气试验设备应轻搬轻放,往杆、塔上传递物件时,禁止抛递抛接。

(7)杆、塔上试验使用斗臂车拆搭火时,现场应设监护人,斗臂车起重臂下严禁站人,服从统一指挥,保IIE与带电设备保持安伞距离。

(8)杆、塔上工作必须穿绝缘鞋、戴安全帽(安全帽系带)、系腰绳。

(9)认真核对现场停电设备与工作范围。

(10)被试电缆与架空线连接断开后,应将架空引下线固定绑牢,防止随风飘动,并保证试验安全距离。

参考文献

[1]崔祥柱.电线电缆绝缘电阻试验[J].装备制造,2009(11):143.

[2]袁野,陈剑,贾志东,等.10k V XLPE电缆受潮绝缘特性研究[J].电网技术,2014(10):2875-2880.

[3]周研.电力电缆的试验方法及故障分析[J].科技与企业,2013(12):393.

电缆绝缘试验 篇2

目前国内架空电缆用量越来越大，各企业均在生产开发市场所需要的各种架空电缆，在日常的销售生产中，仍有客户提出，要订购BLX电缆，替代架空绝缘使用。根据对市场的调查，国内主流电线电缆生产企业均已不再生产BLX电缆，故笔者对这两种电缆的差异性提出一点愚见：

1、目前国内生产低压架空电缆的企业，均以国家标准GB∕T 12527-2008《额定电压1kV及以下架空绝缘电缆》为依据。此标准为2008年修订更新的最新版国家标准。

架空绝缘电缆主要用于架空固定敷设、引户线等场所，其绝缘材料采用耐候性专用架空绝缘电缆料，所以架空绝缘电缆有结构简单、安全可靠、机械物理性能 和电气性能优异、耐环境耐紫外线等优点，由于其绝缘采用耐候性专用架空绝缘电缆料，电缆的长期允许工作温度高达70℃或90℃，且电绝缘性能优异，体积电 阻率达1.0×1012Ω•m以上；在敷设中，采用架空绝缘电缆可减小敷设间隙，节约线路走廊、减小电压降；在使用中，可减少供电事故发生，确保人身安 全。

2、目前国内企业生产BLX型电缆，主要依据JB/T1601-1993 《额定电压300/500V橡皮绝缘固定敷设电线》，此标准为1993制定发布的，至今近20年尚未更新，该产品在市场上已逐渐被架空电缆所取代。

BLX型橡皮绝缘固定敷设电线适用于交流额定电压Uo/U为300/500V及以下的电气设备及照明装置系统，其电线的长期允许工作温度为65℃。其结构为铝导体、挤制橡皮绝缘、外面编织丝然后涂脂沥青材料，涂脂沥青材料作用是抗紫外线。此电缆在使用两年前后，往往出现因风刮日晒而导致编织玻璃丝发 生脱落、破损，致使自身使用寿命短、抗老化性能差，同时污染环境。

随着电缆产品国家标准的不断更新，根据国家用电安全可靠的要求，BLX型布电线在性能不如架空电缆，所以市场上架空绝缘电缆已逐渐开始替代BLX型电缆。

电缆绝缘试验 篇3

关键词：矿物绝缘电缆；防潮；密封；电缆绝缘测试

某单位承建的贵阳花果园项目，总建筑面积125万㎡，共计12栋住宅和1栋幼儿园。幼儿园3层，住宅楼地下2-4层，地上43-47层，住宅楼总高度均在150米左右，单栋建筑面积约10万平米，结构型式为框支剪力墙，均属于超高层建筑。该工程消防应急回路均采用矿物绝缘电缆，总长度约30万米。

1 矿物绝缘电缆简介

矿物绝缘电缆又称铜芯铜护套氧化镁绝缘电缆，由铜导体、氧化镁、铜护套两种无机材料组成。

矿物绝缘电缆的特点具有防火性能好，工作温度高（耐高温），使用寿命长（不易老化），防爆性能、承载能力大，耐腐蚀无污染，抗机械损伤等长处。

在施工过程中，我们发现了一些矿物绝缘电缆的施工难点，在这里对出现的施工难点以及解决措施进行了总结。

2 矿物绝缘电缆施工过程中的难点及解决措施

2.1 矿物绝缘电缆头中间连接头、终端头在制作安装过程中易受潮，影响电缆绝缘。

矿物绝缘电缆的绝缘材料采用金属氧化物氧化镁，此种氧化物极易与空气中的水成分发生化学反应，生成不绝缘的物质——氢氧化镁。在制作电缆头时，当剥开电缆护套层时，导体裸露后，在电缆头制作完成之前，如果不采取有效措施，电缆绝缘阻值会从300兆欧以上1小时内下降到10兆欧以下。因为本工程大部分矿物电缆都在地下室，空气湿润，电缆头剥开之后，不立刻采取密封防潮措施，绝缘值会迅速下降甚至为零，致使电缆无法利用成为废品，增加工程成本。

针对此种情况，在电缆头制作过程中采取以下措施：

一、切断电缆后，迅速将所有的电缆头采用自粘式密封胶带或者封口胶封口，避免或减少与空气接触时间，并要求技术人员逐个检查，当天截取的电缆必须当天施工完成。切断后不立即进行敷设的电缆必须入库，不得在施工场地内随意放置。

二、采用剥切工具剥开电缆护套，长度为8~10cm，在清除将导体表面的氧化镁粉末时严禁用嘴吹掉，而是直接用剥切工具将氧化镁粉末敲落，再用细毛刷或者干净的抹布迅速清除导线上外露的粉末。

三、对电缆断口处至30cm（特别潮湿环境要达到50cm）范围内用明火炙烤，炙烤时，电缆末端向上倾斜，火焰由下往电缆末端方向缓慢移动，重复多次，时间15至20分钟。

四、炙烤完后，立即进行绝缘测试，达到要求后快速对电缆切割处进行密封，并进行电缆头制作，保证一气呵成；若绝缘值不符合要求，将电缆切掉至少1米后再行加工制作。

五、每个电缆头制作完成后，要再次进行绝缘值测试，确保线路绝缘良好。防止电缆头全数制作安装完成后检测绝缘时才发现问题，将花费大量的人力进行问题检查和返工，甚至整根电缆报废。

六、每个电缆头制作过程必须控制在40分钟以内，必须按照操作步骤严格进行，要确保电缆头的制作质量。

2.2电缆敷设过程中护套易破损，影响电缆绝缘

本工程体量极大，地下室桥架返弯处多，接头量大，在矿物电缆敷设过程中，经返弯接头处时护套破损概率特别大。

针对此种情况，采取以下措施：

一、在电缆桥架接头切割面处先用机具打磨光滑在再安装，保证接头处必须平整光滑，以免在电缆敷设时造成外皮被锋利的桥架切割面划破，影响绝缘。

二、在桥架返弯处，将矿物电缆按照桥架返弯的角度围弯，确保电缆在受挤压时外皮不容易破损。

三、电缆装卸转运时，尽量采用人工搬运，若用机械转运时，必须采取防护措施，避免金属机械和电缆护套直接接触，碰撞挤压，损坏电缆保护层。在敷设时，采用人工拉引方式进行。

2.3矿物绝缘电缆硬度和重量大，施工难度大

矿物绝缘电缆硬度和重量两个方面都比同规格的普通电缆大，重量甚至是相当于同规格普通电缆的两倍。

针对这些情况，采取以下措施：

一、施工前，根据施工图纸，认真核对电缆数量、规格、型号、走向，确定电缆在桥架内的排布及中间连接头位置，尽量避免电缆交叉。

二、制作专用的矿物质电缆放线架，避免电缆护套的磨损。

三、在电缆中间连接头、终端头位置，都要足够的预留量，以便制作电缆头时有足够的弯曲半径和加工长度。

2.4矿物电缆型号多，线路长，查找故障困难。

本工程的矿物电缆型号多，涵盖了从BTTZ-4*4到BTTZ-4*（1*185）所有电缆；敷设线路长，最长线路接近500米；电缆中间头多，查找故障困难。

针对此种情况，采取了以下措施：

一、把每个回路的矿物电缆绑扎在一起，在每趟回路起始端和终端、所有中间连接头处，穿墙套管处，进出桥架处、桥架拐弯处悬挂显眼的电缆标识牌，明确注明每根电缆回路的编号和相序，避免回路连接错误。

二、矿物绝缘电缆回路大部分由单芯电缆构成，在进行矿物电缆安装时，每一个回路的电缆单独敷设完毕后再进行下一个回路的敷设。在每一个回路敷设完毕后，将该回路电缆按一定间距绑扎在一起，避免混淆。

2.5 竖向电井狭窄，进出配电箱和桥架处弯曲成型困难。

该工程强电竖井内设备集中，布置紧凑，影响电缆的进出线。因此，在制作安装矿物电缆头时的操作空间非常狭小。针对此种情况，采取了以下措施：

一、合理布置电气竖井内的设备，特别是电缆T接箱位置，并画出布置图，明确井道内电缆走向，并严格布置。

二、因為应急配电箱在电气竖井内是按每三层布置一个，因此，在敷设矿物电缆和制作电缆头时，按照电井布置图截取足够的电缆长度，包括连接上下两个应急配电箱层T接箱的电缆长度、出竖向桥架到箱体的电缆长度、以及箱体内预留电缆长度、返弯转折部位预留长度等，在井道外按照操作工艺加工制作电缆头，大大节省了电缆头的制作时间。

电缆绝缘试验 篇4

1 交联聚乙烯电力电缆的特性

交联聚乙烯 (XLPE) 属于固体绝缘, 它是由聚乙烯 (PE) 加入交联剂挤出成形后, 经过化学或物理方法交联成交联聚乙烯。聚乙烯绝缘虽然具有优良的电气性能, 但属于热塑性材料, 即有热可塑性, 当电缆通过较大的电流时, 绝缘就会熔融变形, 这是由聚乙烯的分子结构所决定的。聚乙烯的分子结构是呈直链状, 而交联聚乙烯是聚乙烯分子间交联形成网状结构, 从而改善了聚乙烯的耐热变形性能、耐老化性能和机械性能。

交联聚乙烯电缆与油纸电缆相比, 具有结构简单, 制造周期短, 工作温度高, 无油, 敷设高差不限, 运行可靠, 质量轻, 安装、维护简单和输电损耗小等优点。由于耐热性和机械性能好, 传输容量大, 不仅适用于中低压, 而且还可以应用到高压和超高压系统中。

2 交联聚乙烯电缆采用直流耐压试验具有明显的缺陷

传统的电缆现场高压试验采用直流耐压, 主要是由于电力电缆具有很大的电容, 现场采用大容量的试验电源不现实, 所以改为直流耐压试验, 以显著减小试验电源的容量。直流耐压试验一般都采用半波整流电路, 由于电缆电容量较大, 故不用加装滤波电容。对于35千伏以上的电缆, 试验电源采用倍压整流方式。试验中测量泄漏电流的微安表可接在低电位端, 也可接在高电位端。

通常直流试验所带来的剩余破坏也比交流试验小得多 (如交流试验因局部放电、极化等所引起的损耗比直流时大) 。直流试验没有交流试验真实、严格, 串联介质在交流试验中场强分布与其介电常数成反比, 而施加直流时却与其电导率成反比, 因此在直流耐压试验时, 一是适当提高试验电压, 二是延长外施电压的时间。正常的电缆绝缘在直流电压作用下的耐电强度约为400~600k V/cm, 比交流作用下约大一倍左右, 所以直流试验电压大致为交流试验电压的两倍, 试验时间一般选为5~10min。一般电缆缺陷在直流耐压试验持续的5min内都能暴露出来。

但由于交联聚乙烯电缆绝缘性能十分特殊, 进行直流耐压试验就可能不再是十分明智的选择了。曾经多次发生按标准进行直流耐压试验合格, 而正常运行不久就发生击穿故障问题。主要原因如下:

2.1 生产实践及研究均表明, 交联聚乙烯电缆结构具有一种“记忆”效应, 这种“记忆性”是在直流电压作用下产生的。

一旦电缆有了由于直流试验而引起的“记忆性”, 它就需要很长时间才能将这种直流偏压释放, 在此之前如果电缆投入运行, 直流偏压便会叠加在交流电压上, 使得电缆上的电压值远超过电缆的额定电压, 从而导致电缆绝缘击穿。

2.2 直流耐压不能有效地发现交流电压作用下的某些电缆缺陷。

实践表明, 一些直流耐压试验合格的电缆, 投入运行后, 在正常的交流工作电压作用下也会发生绝缘损坏。

2.3 交联聚乙烯电缆在运行中, 在主绝缘交联聚乙烯中逐步形成水树枝、电树枝, 这种树枝化老化过程, 伴随着整流效应。

由于有整流效应的存在, 致使在直流耐压试验过程中, 在水树枝或电树枝端头积聚的电荷难以消散, 并在电缆运行过程中加剧树枝化的过程。

2.4 由于XLPE绝缘电阻很高, 以致在直流耐压时所注入的电子不易散逸, 它引起电缆中原有的电场发生畸变, 因而更易被击穿。

2.5 由于直流电压分布与实际运行电压不同, 直流试验合格的电缆, 投入运行后, 在正常工作电压作用下也会发生绝缘故障。

3 交联聚乙烯电缆宜采用工频交流法进行耐压试验

对橡塑电缆绝缘施加50Hz正弦波形电压作耐压试验, 是最理想的试验方法。因为试验电压与运行工作电压性质相同, 在机理上有完全充分的代表性, 而且50Hz电压下电缆绝缘的各项特性和技术数据已被充分了解和掌握。近年来, 随着高电压试验技术的发展, 采用谐振法原理, 已经研制出了便于移动和试验电源容量较小的试验设备, 在现场试验中等长度的电缆。此试验方法简单有效, 试验设备可靠, 使用简便, 适合现场应用。采用这种方法, 可以得出满意的检测结果, 从而有效提升电力电缆运行的可靠性。

当然, 对交联聚乙烯电缆采用工频交流法进试验过程中需重视一些应注意的事项。

3.1 试验过程中要防止过电压的产生。

工频耐压试验时, 电压若不是由零逐渐升压, 而是在试验变压器初级绕组上突加电压, 这时将由于励磁涌流而在试品上出现过电压。若在试验过程中突然将电源切断, 对于小电容量试品, 会由于自感电势而引起过电压。上述二种情况, 都有可能造成被试品误击穿。因此, 进行工频耐压试验时, 应严格按照试验操作规程。

3.2 由于工频耐压试验是一种破坏性试验, 试验所采用的试验电压

往往比运行电压高得多, 过高的电压会使绝缘介质损失增大、发热、放电, 会加速绝缘缺陷的发展, 故在对设备进行工频耐压试验时应根据绝缘介质的不同及设备的运行状况的不同, 按照有关规程及试验标准选取相应的试验电压。

3.3 耐压试验过程中, 升压应当从零开始, 禁止在30%试验电压以上冲击合闸。

当试验电压升到40%以上时, 应均匀升压, 升压速度为每秒3%试验电压左右。升压过程中应监视电流的变化, 当保护动作后, 应查明原因, 消除后再进行试验。

3.4 工频耐压试验中, 加至试验标准电压后, 为了便于观察被试品的

情况, 同时也为了使已经开始击穿的缺陷来得及暴露出来, 要求持续1min的耐压时间。耐压时间不应过长, 以免引起不应有的绝缘损伤, 甚至使本来合格的绝缘发生热击穿。耐压时间一到, 应速将电压降至输出电压的25%以下, 再切断电源, 严禁在试验电压下切断电源, 否则可能产生使试品放电或击穿的操作过电压。

3.5 在试验过程中, 若由于空气的湿度、设备表面脏污等影响, 引起试品表面闪络放电或空气击穿, 应不能认为不合格, 应处理后再试验。结束语

直流耐压试验不能有效地发现高压交联聚乙烯主绝缘电缆的缺陷, 在直流电压下, 由于温度和电场强度的变化, 交联聚乙烯绝缘层的电阻系数会随之发生变化, 绝缘层各处电场强度分布因温度不同而各异, 在同样厚度下的绝缘层, 因为温度升高而击穿水平降低, 由于高压交联聚乙烯绝缘层厚, 因此不宜用于直流试验测试;交流耐压试验是检验交联电缆绝缘质量的有效手段。准确有效的掌握电缆各部位的运行状况有利于提高电缆的安全运行, 减少电缆在运行中的故障。

参考文献

[1]曹佳滨.交联聚乙烯电缆现场耐压试验的特点分析[J].绝缘材料2008, (3) .

[2]温定筠等.交联聚乙烯 (XLPE) 电缆交流耐压试验时间参数探讨[J].电网与清洁能源, 2010 (8) .

电缆绝缘试验 篇5

范围

本工艺标准适用于一般工业与民用建筑电气安装工程10（6）kV交联聚乙烯绝缘电力电缆热缩中间接头制作。

施工准备

2.1

设备及材料要求：

2.1.1

主要材料：电缆头附件及主要材料由生产厂家配套供应。并有合格证及说明书。其型号、规格、电压等级符合设计要求。

2.1.2

辅助材料：焊锡、焊油、白布、砂布、芯线连接管、清洗剂、汽油、硅脂膏等。

2.2

2.2

主要机具：

喷灯、压接钳、钢卷尺、钢锯、电烙铁、电工刀、克丝钳、改锥、大瓷盘。

2.3

作业条件：

2.3.1

电缆敷设完毕，绝缘电阻测试合格。

2.3.2

作业场所环境温度0℃以上，相对湿度70%以下，严禁在雨、雾、风天气中施工。

2.3.3

施工现场要干净、宽敞、光线充足。施工现场应备有220V交流电源。

2.3.4

室外施工时，应搭设临时帐蓬。

操作工艺

3.1

3.1

工艺流程：

设备点件检查→剥除电缆护层→剥除铜屏蔽及半导导电层→

固定应力管→压接连接管→包绕半导带及填充胶→

固定绝缘管→安装屏蔽网及地线→固定护套→送电运行验收

3.2

设备点件检查。开箱检查实物是否符合装箱单上的数量，外观有无异常现象。

3.3

剥除电缆护层（图2-28）：

图2-28

3.3.1

调直电缆：将电缆留适当余度后放平，在待连接的两根电缆端部的两米处内分别调直、擦干净、重叠200mm，在中间作中心标线，作为接头中心。

3.3.2

剥外护层及铠装：从中心标线开始在两根电缆上分别量取800mm、500mm，剥除外护层；距断口50mm的铠装上用铜丝绑扎三圈或用铠装带卡好，用钢锯沿铜丝绑扎处或卡子边缘锯一环形痕，深度为钢带厚度1/2，再用改锥将钢带尖撬起，然后用克丝钳夹紧将钢带剥除。

3.3.3

剥内护层：从铠装断口量取20mm内护层，其余内护层剥除，并摘除填充物。

3.3.4

锯芯线、对正芯线，在中心点处锯断。

3.4

剥除屏蔽层及半导电层（图2-29）：自中心点向两端芯线各量300mm剥除屏蔽层，从屏蔽层断口各量取20mm半导电层，其余剥除。彻底清除绝缘体表面的半导质。

图2-29

3.5

固定应力管（图2-30）：在中心两侧的各相上套入应力管，搭盖铜屏蔽层20mm，加热收缩固定。套入管材（见图形卡2-30），在电缆护层被剥除较长一边套入密封套、护套筒；护层被剥除较短一边套入密封套；每相芯线上套入内、外绝缘管、半导电管、铜网。

图2-30

加热收缩固定热缩材料时，应注意：

3.5.1

加热收缩温度为110℃~120℃。因此，调节喷灯火焰呈黄色柔和火焰，谨防高温蓝色火焰，以避免烧伤热收缩材料。

3.5.2

开始加热材料时，火焰要慢慢接近材料，在材料周围移动，均匀加热，并保持火焰朝着前进（收缩）方向预热材料。

3.5.3

火焰应螺旋状前进，保证绝缘管沿周围方向充分均匀收缩。

3.6

压接连接管：在芯线端部量取二分之一连接管长度加5mm切除线芯绝缘体，由线芯绝缘断口量取绝缘体35mm、削成30mm长的锥体，压接连接管。

3.7

包绕半导带及填充胶：在连接管上用细砂布除掉管子棱角和毛刺并擦干净。然后，在连接管上包半导电带，并与两端半导层搭接。在两端的锥体之间包绕填充胶厚度不小于3mm。

3.8

固定绝缘管：

3.8.1

固定内绝缘管：将三绿肥内绝缘管从电缆端拉出分别套在两端应力管之间，由中间向两端加热收缩固定。加热火焰向收缩方向。

3.8.2

固定外绝缘管：将外绝缘管套在内绝缘管的中心位置上。由中间向两端加热收缩固定。

3.8.3

固定半导电管：依次将两根半导电管套在绝缘管上，两端搭盖铜屏蔽层各50mm，再由两端向中间加热收缩固定。

3.9

安装屏蔽网及地线（图2-31）。从电缆一端芯线分别拉出屏蔽网，连接两端铜屏蔽层，端部用铜丝绑扎，用锡焊焊牢。用地线旋绕扎紧芯线，两端在铠装上用铜丝绑扎焊牢，并在两侧屏蔽层上焊牢。

图2-31

3.10

固定护套（见图2-32）。

图2-23

电缆护套安装

将两瓣的铁皮护套对扣联接，用铅丝在两端扎紧，用锉刀去掉铁皮毛刺。套上护套筒，电缆两端将密封套套在护套头上，两端各搭盖护套筒和电缆外护套各100mm，加热收缩固定。

3.11

送电运行验收：

3.11.1

电缆中间头制作完毕后，按要求由试验部门做试验。

3.11.2

验收：试验合格后，送电空载运行24h，无异常现象，输验收手续，交建设单位使用。同时，提交变更洽商、产品合格证、试验报告和运行记录等技术资料。

质量标准

4.1

4.1

保证项目：

4.1.1

电缆中间头封闭严密，填料饱满，无气泡、无裂纹，芯线连接紧密。

4.1.2

电缆头耐压试验、泄漏电流和绝缘电阻必须符合规范规定。

检查方法：观察检查和检查试验记录。

4.2

基本项目：

电缆头外型美观、光滑、无皱折，有光泽，并能清晰地看到其内部结构轮廓。

检查方法：观察检查。

成品保护

5.1

设备开箱后，将材料按顺序摆放在瓷盘中，并用白布盖上，防止杂物进入。

5.2

电缆中间接头制作完毕后，立即安装固定，送电运行。暂时不能送电或有其它作业时，对电缆头加木箱给予保护，防止砸、碰。

应注意的质量问题

6.1

从开始剥切到制作完毕必须连续进行，一次完成，以免受潮。

6.2

电缆中间头制作过程中，应注意的质量问题（见表2-9）。

常发生的质量问题及防治措施

表2-9

序号

常发生的质量问题

防

治

措

施

做试验时泄漏电流过大

清洁芯线绝缘表面

绝缘管加热收缩时局部烧伤或无光泽

调整加热火焰为呈黄色。加热火焰不能停留在一个位置

热缩管加热收缩时出现气泡、开裂

按一定方向转圈，不停进行加热收缩，切割绝缘管端面要平整

质量记录

7.1

7.1

产品合格证。

7.2

设备材料检验记录。

7.4

电缆试验报告单。

7.5

自互检记录。

7.6

设计变更洽商记录。

—

END

电缆绝缘试验 篇6

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

0 引 言

随着现代船舶自动化水平的提高以及电力驱动船舶的出现，电缆作为船舶电气系统的动脉，其绝缘性能的好坏与可靠性直接关系到船上人员和设备的安全.[1-2]目前，我国还有很多老龄和超龄船舶在服役，这些船舶的电缆由于长期在恶劣环境和复杂工况下运行，其绝缘层已经严重老化甚至失效.如果不及时对电缆进行修理或更换随时可能引发火灾.[3]另外，由于船用电缆工作环境比较复杂，同一船舶上不同工作环境下电缆的老化程度也不同.但是，对船舶电缆的更换或者维修，都要等到船舶进厂进行大修的时候方可进行，大范围的电缆更换工作需要大量的人力和物力.[4]因此，如何掌握电缆的绝缘性能及其老化程度，引起国内外学者[4-11]的广泛重视.

电缆老化性能评估模型主要有3大类：动力学曲线模型、本构及唯象模型、计算机仿真模拟模型.在动力学曲线模型中，Arrhenius速率常数经验模型外推法已经形成相关标准，得到业界及学术界的广泛认可，但该方法需要进行长时间(几个月至几十个月)的热老化实验才能得出结果，无法实现快速评估.[13-14]本构及唯象模型和计算机仿真模型都有一定局限性，其正确性仍需进一步检验.[7]本文通过理论分析以及实验研究尝试应用硬度这一特征参量达到快速评估电缆老化性能的目的.

1 橡胶的热氧老化反应

橡胶老化最主要的原因是氧化作用，它使橡胶分子结构发生裂解或结构化，致使橡胶材料性能恶化.氧在橡胶中与橡胶分子发生游离基链锁反应，分子链发生断裂或过度交联，引起橡胶性能的改变.温度升高可引起橡胶的热裂解或热交联，提高氧扩散速度和活化氧化反应速度，从而加速橡胶氧化反应速度(这是普遍存在的一种老化现象——热氧老化).

1.1 热氧化机理

研究发现，橡胶热氧老化是一种链式的自由基反应[12]：

引发反应 RH→R·+·H(热、氧、光或催化剂作用)

ROOH→RO·+·OH

2ROOH→RO·+ROO·+H2O

传递反应 R·+O2→ROO·

ROO·+RH→ROOH+R·

RO·+RH→ROH+R·

·OH+RH→R·+H2O

终止反应 R·+R·→R-R

RO·+R·→ROR

RO·+RO·→ROOR

ROO·+ROO·→稳定产物

R·+·OH→ROH

上述反应中:RH表示橡胶大分子;R表示自由基;RO表示氧化自由基;ROO表示过氧化自由基.

1.2 丁苯橡胶的热氧老化反应[15]

丁苯橡胶是目前一些相对老旧船舶上所用电缆广泛采用的绝缘材料，其热氧老化反应过程如下：

这是引发反应1，RH→R·+·H；橡胶链在加热的过程中分解，生成含有自由基的橡胶链和氢离子.

这是传递反应1，R·+O2→ROO·；由引发反应生成的含有自由基的橡胶链与O2发生反应，生成带有过氧化根的橡胶链.

这是传递反应2，ROO·+RH→ROOH+R·；含有过氧化根的橡胶链与橡胶链发生反应，夺取橡胶链中的氢离子，生成含有自由基的橡胶链.

这是引发反应2，ROOH→RO·+·OH；含有过氧化根的橡胶链分解，生成含有氧自由基的橡胶链和羟基.

这是引发反应3，2ROOH→RO·+ROO·+H2O；两条含有过氧化根的橡胶链发生反应，一条橡胶链失去氢离子，另一条橡胶链失去氢氧根离子，生成水和分别含有不同自由基的橡胶链.

这是传递反应3，RO·+RH→ROH+R·；含有氧自由基的橡胶链与橡胶链反应,分别生成含有羟基和自由基的橡胶链.

这是传递反应4，·OH+RH→R·+H2O；氢氧根离子与橡胶链发生反应,生成含有自由基的橡胶链和水.

对于丁苯橡胶来说，热氧老化反应的终止反应以交联反应为主，以引发反应和传递反应生成的产物作为各种类型交联反应的反应物，具体交联反应过程如下:

这是最主要的交联反应过程.含有自由基的橡胶链分子与橡胶链分子发生反应，夺取橡胶链分子中的氢离子，使橡胶链分子中双键打开，形成一条含有自由基的橡胶链，再与其他不含任何自由基的橡胶链发生类似反应，随着反应的不断进行使多根独立的橡胶链分子交联形成一个巨大的橡胶链网络.

这是局部的交联反应:两条含有自由基的橡胶链反应，生成一个小型的橡胶链网络.

这是局部的交联反应:首先含有氧自由基的橡胶链发生分解反应，生成含有氧和自由基的橡胶链；然后两条含有氧的橡胶链发生交联反应，生成一个小型的橡胶链网络.

通过上述分析可以看出在丁苯橡胶的热氧化过程中，主要存在分子链的降解与交联两种反应，老化初期降解反应占优势，后期交联反应占优势，总体上以交联反应为主.令丁苯橡胶试样发生形变前在x,y,z轴上的长度分别为1，1，1.如果λ1，λ2，λ3分别为网络链在x,y,z轴上的伸长比，则形变后试样在x,y,z轴上的长度分别为λ1，λ2，λ3.如上所述，丁苯橡胶在热氧老化时以交联反应为主，即可以增加各橡胶高分子链之间的相互连接，从而使网络链在x,y,z轴上的伸长比减小，即λ1，λ2，λ3减小.

2 橡胶硬度分析

橡胶弹性的本质是分子链在外力作用下引起的构象变化而产生的熵弹性，因此，用构象统计理论可推导宏观应力应变关系.运用聚合物分子链构象分布函数可计算各种构象存在的概率，进而计算橡胶在拉伸过程中的熵变，得出橡胶应力应变关系.在聚合物分子链中，链末端距的3个分量各为x,y,z的几率及聚合物分子链构象的分布函数[18]可表达为

式中：n为主链节数；l为链长，可认为是末端距为r的分子链的构象出现的概率(这种概率分布函数称作高斯分布函数，r2=x2+y2+z2)，也可认为是将链的一端固定在坐标原点，另一端落在距离为r的点(x,y,z)的概率.

玻尔兹曼熵可由式S=klnW表示，其中W为系统宏观态可能对应的微观态数目(即热力学概率)，k为玻尔兹曼常量.对于单根橡胶链来说W=P，所以该橡胶链所对应的熵为

S=C-kβ2r2

现在分析一根橡胶网络链形变前后的熵变化.形变前，链的一端在点(x0,y0,z0)处，末端距为r0；形变后，链端移动到点(x,y,z)处，末端距为r.按仿射形变假定，x=λ1x0，y=λ2y0，z=λ3z0.

橡胶网络在拉伸形变过程中，Helmholtz自由能的变化为ΔA=ΔU-TΔS.对于理想橡胶网络，拉伸过程中内能不变，即ΔU=0，则ΔA=-TΔS.

根据Helmholtz自由能的定义，恒温过程中体系自由能的减少等于体系对外所做的可逆功：因为橡胶被拉伸或压缩时发生的高弹形变在除去外力后可恢复原状，即橡胶的高弹形变是可逆的，所以-ΔA=W；反之，外力对体系所做的功等于体系自由能的增加，即-W=ΔA.外力所做的功作为体系的能量被储存起来，因此也称ΔA为储能函数，于是可得到橡胶网络在拉伸过程中的形变功

橡胶被拉伸时体系对外所做的功包括两部分：拉伸过程中因橡胶体积变化所做的膨胀功pdV和因橡胶长度变化所做的伸长功fdl.伸长功是外界对系统做功，应为负值，则

由于橡胶在拉伸过程中体积几乎不变，dV非常小.如果拉伸在常压下进行，则pdV这一项通常很小，可以忽略，由此可得

利用邵氏硬度仪测量橡胶试样硬度的工作原理是根据探针插入样品的深度计算出试样的硬度.由于探针进入样品的力f是恒定的，进入的深度Δl越深表示试样的硬度越小，反之硬度越大.由前述丁苯橡胶热氧老化分析可知橡胶老化后λ1，λ2，λ3会减小，因此根据上式可知丁苯橡胶在发生热氧老化反应后硬度将增加.

3 硬度测试

为验证上述理论分析结果，对船用丁苯橡胶电缆进行快速热老化试验.根据美国火力电站电缆试验规范中的相关规定，老化试验过程中135 ℃为必须选择的温度点,同时参考IEC 216-1和IEEE 383中相关标准，寿命评定试验中温度的每个级差取15 ℃.因此,本试验中选择135 ℃和150 ℃两个老化温度进行试验，试样老化时间见表1，每个取样组包括6个标准哑铃试样(实际有10个以上试样，其他试样备用)，其尺寸见图1.

表1 试样老化温度及老化时间

图1 哑铃试样尺寸

经老化后的试样在室温下放置24 h，随后用邵氏硬度仪对其进行硬度测试，具体测试结果见表2和3.

表2 135 ℃老化温度下试样硬度测试结果

表3 150 ℃老化温度下试样硬度测试结果

从表2和3可以看出，丁苯橡胶电缆绝缘层随着老化时间增加(即性能老化的加剧)，其硬度明显升高，这也充分印证本文前述的理论分析结果.

4 结 论

通过理论和试验对船用丁苯橡胶电缆绝缘层的老化情况及其硬度的变化情况进行分析.研究结果表明,船用丁苯橡胶电缆绝缘层老化与其硬度之间存在密切关系，随着老化的加剧，丁苯橡胶硬度逐渐增加，因此,可以通过监测船用丁苯橡胶电缆绝缘层的硬度实现对其绝缘性能的快速评估.

参考文献：

[1] 刘崇, 沈爱弟, 康伟. 船舶电力推进试验平台设计[J]. 上海海事大学学报, 2011, 32(2): 52-55.

[2] 沈玉霞, 陈意惠, 薛士龙. 基于能量管理的船舶电力监控系统[J]. 上海海事大学学报, 2010, 31(4): 36-39.

[3] 滕宪斌, 蔡振雄, 林少芬, 等. 船舶及船用设备的可维修性[J]. 上海海事大学学报, 2007, 28(1): 89-93.

[4] 张明洁. 船用天然橡胶绝缘电缆丁苯使用寿命的估计[J]. 湛江水产学院学报, 1993, 13(2): 46-52.

[5] HIROSE H. A method to estimate the lifetime of solid electrical insulation[J]. Electr Insulation, IEEE Trans, 1987(6): 745-753.

[6] DALAL S B, GORUR R S,DYER M L. Ageing of distribution cables in service and its simulation in the laboratory[J]. Dielectrics Electr Insulation, IEEE Trans, 2005, 12(1): 139-146.

[7] 肖鑫, 赵云峰, 许文, 等. 橡胶材料加速老化实验及寿命评估模型的研究进展[J]. 宇航材料工艺, 2007(1): 6-10.

[8] 郝琇, 王庆春. 船用电缆剩余寿命无损检测法[J]. 船电技术, 2003(3): 44-45, 47.

[9] 张录平, 李晖, 刘亚平, 等. 橡胶材料老化试验的研究现状及发展趋势[J]. 弹性体, 2009, 19(4): 60-63.

[10] 刘盖世. 船用CXF型号电缆的绝缘老化实验以及寿命分析[D]. 大连: 大连海事大学, 2011.

[11] 姚志. 船用电缆绝缘老化的研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2007.

[12] 范刚. 车用橡胶制品老化问题研究[J]. 汽车科技, 2003(1): 16-17, 27.

[13] HSU Y T, CHANG-LIAO K S, WANG T K,etal. Monitoring the moisture-related degradation of ethylene propylene rubber cable by electrical and SEM methods[J]. Polym Degradation & Stability, 2006, 91(10): 2357-2364.

[14] SEGUCHI T, TAMURA K, OHSHIMA T,etal. Degradation mechanisms of cable insulation materials during radiation-thermal ageing in radiation environment[J]. Radiat Phys & Chem, 2011, 80(2): 268-273.

[15] 多加德金 B A. 橡胶化学与物理[M]. 廖捷祥, 译. 北京: 高等教育出版社, 1957: 194-216.

[16] 斯特罗伯. 高分子物理——“结构与性能”背后的概念[M]. 3版. 北京: 机械工程出版社, 2012: 357-364.

[17] 董炎明, 朱平平, 徐世爱. 高分子结构与性能[M]. 上海: 华东理工大学出版社, 2010: 285-291.

电缆绝缘试验 篇7

近年来随着我国城、农网建设改造工程的实施, 交联聚乙烯电缆以其合理的结构、工艺及优良的电气性能等优点, 在国内获得越来越广泛的应用。对于电缆主绝缘的耐压测试, IEC推荐了两种方法:一是直流耐压:测试电压为3.7U。耐压时间5分钟;二是交流耐压:测试电压为1.7U。耐压时间5分钟;或测试电压为1U。耐压时间24小时。随着交联聚乙烯电缆的广泛使用逐渐发现, 经直流耐压测试检验通过的电缆, 投运不久即有击穿现象发生, 初步断定:对交联聚乙烯电缆不宜采用直流高电压进行耐压测试。

1 直流耐压测试对交联聚乙烯电缆存在的弊端

高压测试技术的一个通用原则是:试品上所施加的测试电压场强必须模拟高压电器的运行工况。高压测试得出的通过或不通过的结论要代表高压电器中的薄弱点是否对今后的运行带来危害。按照此原则, 交联聚乙烯电缆进行直流耐压测试的弊端主要表现在以下几个方面:

1.1 直流耐压测试时, 会有电子注入到聚合物介质内部, 形成空间电荷, 使该处的电场强度降低, 从而难于发生击穿。

而交联聚乙烯电缆的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空间电荷。当在测试时电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿时, 会在电缆芯线上产生波振荡。在已积聚空间电荷的地点, 由于振荡电压极性迅速改变为异极性, 使该处电场强度显著增大, 损坏绝缘, 造成多点击穿。

1.2 直流电压下绝缘电场分布与交流电压下电场分布不同, 前

者按电阻率分布, 而后者按介电系数分布, 尤其在电缆终端和接头等高压电缆附件中, 直流电场强度的分布与交流电场强度分布完全不同。这往往造成交流工作电压下有缺陷部位在直流耐压的现场测试时不会击穿而被检出, 或者在交流工作电压下绝不会产生问题的部位, 而在直流耐压现场测试时发生击穿。

1.3 交联聚乙烯电缆在直流电压下会产生“记忆”效应, 存储积累单极性残余电荷, 需要很长时间才能将这种直流偏压释放。

电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行, 直流偏压便会叠加在工频电压峰值上, 使得电缆上的电压值远远超过其额定电压, 从而有可能导致电缆绝缘击穿。

1.4 交联聚乙烯电缆致命的一个弱点是绝缘内易产生水树枝,

一旦产生水树枝, 在直流高电压下会迅速转变为电树枝, 并形成放电, 加速了绝缘劣化, 以致于运行后在工频电压作用下形成击穿。而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐压值, 并能保持一段时间。

实践也表明, 直流耐压测试不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷, 如在电缆附件内, 绝缘若有机械损伤或应力锥放错等缺陷。在交流电压下绝缘最易发生击穿的地点, 在直流电压下往往不能击穿。直流电压下绝缘击穿处往往发生在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的地点。而交联聚乙烯电缆交流耐压测试对电缆的绝缘及老化的影响较小, 测试方法及耐压测试接近电缆的运行工况, 易于发现绝缘中的缺陷, 应推广使用。

2 交联聚乙烯电缆现场交流耐压测试方法的选择

2.1 超低频0.1Hz耐压测试

采用0.1Hz作为测试电源, 理论上可以将测试变压器的容量降低到1/500, 测试变压器的重量可大大降低, 比较适合在现场进行测试。但实验室的模拟测试研究表明:电缆试品在0.1Hz耐压与工频耐压下的一致性较差, 效率是比较低的, 而且无法满足超高压 (110k V及以上) 电缆的测试要求。

2.2 振荡电压测试

振荡电压测试是用直流电源给电缆充电, 然后通过一个放电球隙给一组串联电阻和电抗放电, 得到一个阻尼振荡电压。此种方法比直流耐压测试方法有效, 但仍不如工频测试有效。

2.3 变频串联谐振耐压测试

变频谐振测试系统不但能满足高压交联聚乙烯电缆的耐压要求, 而且具有重量轻、可移动性好的优点, 适宜现场测试。该装置采用固定电抗器作为谐振电抗器, 以调频的方式实现谐振, 频率的调节范围为30-300Hz。这种交流电压可以重现与运行工况下相同的场强, 并已被证明是最有效的方法, 因此采用串联谐振测试作为交联电缆现场测试。

2.4 串联谐振具有以下几个优点

所需电源容量大大减小。串联谐振时试品上所产生的容量是电源提供容量的Q倍, 因此可以在较低的电源电压和容量下, 获得较高的测试电压和圈套的测试容量。

改善输出电压的波形。谐振电源是谐振式滤波电路, 能改善输出电压的波形畸变, 获得很好的正弦波形, 有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。

系统具有自保护性能。当测试回路达到谐振状态时, 系统才有高压输出, 一旦被试品发生击穿或闪络, 整个回路失谐, 电压迅速下降, 电抗器的电抗将限制回路电流的升高, 避免故障范围扩大, 便于检修设备。

3 交联聚乙烯电缆现场验收测试实例

下面是10k V交联电缆的现场耐压测试实例:

3.1 某小区一条YJV223×240mm2、长度为0.

444km的交联聚乙烯电缆交接测试 (该电缆电容量为0.34u F/km, 测试电压为U。=17.4k V) 。查表可知应采用单个电抗器串联在电路中组成谐振电路频率估算:电流在电抗器正常的工作电流范围内。实测的测试频率为42.4Hz, 测试合格。

3.2 某变电站出线电缆:

YJV223××240mm2、长度为1.383km的交联聚乙烯电缆交接测试 (该电缆电容量为0.34u F/km, 测试电压为U。=17.4k V) 。查表可知须采用三个电抗器并联后串联在电路中组成谐振电路流经单个电抗器的电流在电抗器正常的工作电流, 范围内。实测的测试频率为44.7Hz, 测试合格。

4 结语

直流耐压测试不能模拟交联电缆的运行工况, 不能有效发现交流电压作用下交联电缆的某些缺陷, 测试效果差, 并且有一定的危害性, 因此在现场竣工验收测试时, 不宜再采用直流耐压的方法。交流耐压测试能重现与交联电缆运行工况下相同的场强, 是现场检验交联电缆的敷设和附件安装质量最有效的手段, 有利于提高电缆的安全运行, 减少电缆在运行中的故障。

参考文献

[1]严浩军.变电站电压无功综合控制策略的改进[J].电网技术.1997, (10) .

[2]王风华.列西变110kV系统备用电源自投方案研究[J].电力自动化设备.2000, (12) .

[3]张荫群.220kV电网多种功能备用电源自动投入装置的研究设计和应用[J].广东电力, 2004年06期.

[4]许治垣.过剩电流动作电气火灾监控系统农村电气化[J].2005-09-002.

[5]黄震.消防控制系统在建筑智能化中的优化设计探讨[J].太原城市职业技术学院学报, 2010, (07) :173-174.

[6]孙萍.电气与智能化专业本科实践教学改革探讨[J].吉林省经济管理干部学院学报, 2010, (02) :109-112.

电缆绝缘试验 篇8

两端直流输电系统或者多端直流输电系统中,换流站之间的电能传输,可采用架空线路、电缆线路和架空—电缆混合线路这3种线路类型。国内基于晶闸管的相控换流器高压直流输电(LCC-HVDC)多用于大容量、长距离、点对点输电,两端换流站均远离城市中心,电压等级均在500kV及以上,两端都采用架空线路连接,没有用直流电缆。基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC),国内也称为柔性直流(简称柔直),非常适用于向海岛供电、城市负荷中心增容、风电并网等,多采用直流电缆线路连接两端或者多端换流站。特别是城市直流配电系统的发展,柔直电缆线路是必不可少的设备,也有在跨海输电工程中采用电缆—架空混合线路连接,不失为一种经济的选择。

直流电缆及其连接件(终端和接头)的电压范围分类,按照绝缘厚度、参照交流挤出绝缘电缆的IEC标准[1,2,3],可以分为低压(30 kV及以下)、中压(30kV以上到150 kV)、高压(150 kV以上到250kV)、超高压(250kV以上到500kV)和特高压(500kV以上)。

从直流电缆制造工艺来分类,主要有绕包绝缘电缆和挤包绝缘电缆2类。绕包绝缘电缆是采用专门的电缆纸带绕包在导体及其屏蔽外面,再使用绝缘油浸渍纸绝缘,消除纸带之间的空气隙。这种电缆又分黏性浸渍纸绝缘和充油纸绝缘2种类型电缆。黏性浸渍纸绝缘电缆可以制造中压、高压直流电缆,超高压、特高压要采用充油电缆的结构形式。挤包绝缘电缆是采用塑料或橡皮,使用橡塑挤出机,将高分子材料挤包在导体及其屏蔽外面。塑料采用最多的是交联聚乙烯(XLPE),可以用来制造低压、中压、高压、超高压电缆;橡皮主要是采用乙丙橡胶,制造低压直流电缆,用于轨道交通机车内等弯曲半径较小的地方。

绕包纸绝缘电缆结构非常适合用于直流输电,其电场分布按电阻率呈正比分布,正好纸部分电阻大而承受的电压高,油隙部分电阻小而承受的电压低,物尽其用,且空间电荷积累不明显。但电缆纸需采用上好的木材制造,消耗森林资源,绝缘油容易污染环境,因此,这种电缆不益于环保,国内几乎没有电缆厂家生产了。

在当今世界范围内,中压、高压和超高压柔直挤包绝缘电缆均采用高聚物XLPE作为绝缘材料。LCC-HVDC的潮流变换需要改变极性,因此,相控换流器(LCC)电缆需要在绝缘上增加极性反转试验;而VSC-HVDC改变潮流不需要变换极性,故不需要进行极性反转试验。所以,柔直挤包绝缘电缆是发展方向。最近十几年发展起来的柔直输电中几乎都是采用挤包绝缘电缆。这种柔直电缆最先由ABB公司所属的电缆厂在几乎看不到市场前景的情况下研发出来,它们已在20多个工程中运用,有相当的运行业绩。世界上知名的电缆公司以及日本、韩国的企业都在研发这种技术和产品。最近半年,因为大连和厦门±320kV两端柔直工程、舟山±200kV五端柔直工程和南澳±160kV三端柔直工程的驱动,已经有五家国内电缆公司正在研发电缆。全球只有一家公司供应柔直电缆绝缘料,而且工作温度只有70℃。与运行温度为90℃的绝缘料相比,使用此柔直电流绝缘料制造的电缆,其输送容量较低。国内五家电缆公司均采用这种70℃绝缘料试制±200kV柔直电缆并套用到±160kV上去。由于国内工程的工期急需,电缆还没有全部完成型式试验和1年的预鉴定试验,就已被招标采购,选用到工程上。

国内尚无厂家供应柔直电缆绝缘料,世界上高载流量的90℃绝缘料也无商品供货;电缆结构尺寸的设计理论缺乏,消除绝缘中空间电荷积累的制造工艺技术还需要研究;电缆连接件的材料和设计理论都急待解决;电缆系统的试验验证技术,比如试验终端等迫切需要解决。

本文拟从柔直挤包绝缘电缆的绝缘料及电缆产品结构等方面出发,探讨柔直电缆结构设计。

1 柔直电缆绝缘料

在直流高压电场作用下,电缆面临的主要问题是绝缘介质中或者界面上会积累一定的空间电荷。如果空间电荷密度足够高,局部电场甚至可能超过绝缘介质的击穿场强,导致介质破坏[4]。因此,绝缘材料的空间电荷问题成为制约直流电缆系统向高压及超高压发展的主要障碍之一。

1.1 直流XLPE电缆绝缘料开发

早在2004年,日本开始研制500 kV直流XLPE电缆[5]。在XLPE电缆绝缘料中引入极性基团消除空间电荷。90℃温度下,在模型直流电缆上施加场强30 kV/mm,加压时间分别为0,5,2 160h,使用电声脉冲法测量了绝缘中的空间电荷分布,根据电荷分布求出了其场强分布,如图1(a)所示。为便于对比,在同样的条件下同时测量了模型交流XLPE电缆绝缘中的场强分布,如图1(b)所示。

由图1可见,在较长时间的直流高压作用下,直流XLPE电缆绝缘料中的电场分布均匀,接近于拉普拉斯电场分布。在图1(b)中,交流XLPE电缆绝缘料中的电场分布随着时间的变化而逐渐变得不均匀,在靠近内半导屏蔽层处出现场强畸变,最大场强超过平均场强的2倍。极性基团作为陷阱点,具有吸引和捕获载流子源(交联分解物等)的能力,其捕获载流子后,载流子不能在绝缘中迁移,使空间电荷密度在绝缘中分布均匀,从而使得场强也均匀分布。

需要说明的是,日本研发的用于500kV直流XLPE电缆的绝缘料并未商品化。绝缘材料中的空间电荷问题是直流电缆面临的最主要的问题之一,如何有效地抑制空间电荷成为科研工作者最为关心的问题,国内外的相关研究人员开始广泛研究抑制空间电荷的方法和寻找添加剂。

1.2 空间电荷测量技术

在绝缘试样的厚度方向上分布的空间电荷会影响其上的电场分布。在平行板结构中,无空间电荷时电场分布是均匀的;而在有空间电荷存在的情况下,电场分布将随厚度的变化而变化。若不计正负号,电场的积分总是等于外加电压。空间电荷使局部电场增加而高于外加电场,因而导致击穿。注入的同号电荷引起了电极附近的电场下降,而相应的,试样中部的电场就上升。反之,在电极附近的载流子积累若形成异号电荷,则引起此界面上电场增加。然而,更多的情况是异号电荷与同号电荷同时存在,这就更需要加以控制。空间电荷的测量具有双重的意义,一方面,在实际的应用上有助于控制因空间电荷而增强的局部电场;在另一方面,从空间电荷的发展演化中可以有助于理解电荷的传输机理[6]。在过去的20年中,对电介质内空间电荷分布的研究和认识已取得了明显的进展。这归功于能获得空间及极化电荷分布详细信息的几种重要测量方法的建立、发展和完善。特别是以分辨率为1μm数量级的声和热方法的应用,已大大地加深了对聚合物薄膜中电荷的建立、积累、储存和运输现象的认识和理解。目前,在直流XLPE电缆中的空间电荷的研究中,压力波(pressure wave propagation,PWP)法和电声脉冲(pulsed electro-acoustic,PEA)法是最有效、常用的2种测量方法。

PWP法的基本原理是[7]:弹性波在介质中以声速传播时,破坏了介质内部原先弹性力和电荷产生电场力的平衡,引起介质中的电荷发生微小位移,电荷的微小位移又导致介质电极上感应电荷量的变化,因此在外电路上可观测到电流或电压信号的变化,从而获得介质中空间电荷分布的有关信息。

PEA法的基本原理是[7]:在介质电极上加上一个窄高压脉冲,则介质中的空间电荷和电极界面都受到这一脉冲电场力的作用而相应地产生声脉冲。声脉冲的压力剖面与空间电荷的分布有关。用声传感器接收与测量这些声脉冲,就可以得到空间电荷的分布信息。

目前,空间电荷测量的试样大多数是平板试样,厚度为0.1~2 mm。而针对电缆的圆柱状且较厚的绝缘试样的空间电荷测量报道很少,这主要是由于国内外较少有单位能自主研发电缆绝缘空间电荷测量装置;另外,作为一种专利技术,已成功开发此装置的单位对此严格保密。总体来说,电缆绝缘空间电荷测量装置研制需注意两点:(1)由于电缆绝缘厚度较大,为了保证设备有足够的灵敏度和分辨率,脉冲发生器的功率必须足够大,建议研制50kV毫微秒脉冲发生器以用于激励空间电荷声波;(2)研制一套半弧形电极,与圆柱形电缆绝缘界面捏合。同时,区别于平板试样,圆柱状试样的空间电荷信号的数学处理必须在极坐标下进行。

1.3 空间电荷的陷阱能级

介质中的空间电荷行为主要取决于它的空间分布与陷阱能级分布。前者的研究基本上用测量空间电荷分布的技术,如前面提到的PEA法与PWP法,后者基本上以热刺激放电(thermally stimulated discharge,TSD)法、等温放电法、光刺激放电(photo-stimulated discharge,PSD)法等进行研究[8,9]。一般说来,聚合物的电击穿是由于介质微观结构的不完整性以及介质中引入的外来杂质所引起的,它们构成了引起介质老化的电荷积累的中心[10],即电荷的物理陷阱和化学陷阱。在目前广泛应用的聚合物材料中,由于材料中存在着链折叠和弯曲、分子链同分异构体转换构成的缺陷等分子间的空隙属于物理陷阱(约为0.1~0.5eV)。聚合物材料中还存在着分子结构的缺陷,分子结构型的无序,分子链上的各种支链、侧链、端基、断链、晶区与无定型区的界面,还有近年来被广泛关注的聚合物/纳米粒子复合电介质中的聚合物与纳米粒子的界面,以及各种极性基团、添加剂、抗氧化剂、交联剂和杂质等,这些因素都会在电介质材料中引入局域态,构成电荷的化学陷阱(深度可大于1eV)[11]。因此,认识聚合物介质的陷阱能量分布对于更好地研究和改善聚合物的绝缘性能具有重要的意义。

TSD法是研究电介质宏观规律及微观性质的基本方法之一。其测量系统简单、操作方便,被广泛地应用于电介质的电荷陷阱研究。分析TSD电流谱就能获得空间电荷的陷阱参数(电荷密度、活化能、平均渡越时间、电荷捕获的平均深度、尝试逃逸频率等)的详细信息。TSD法被认为是假设陷阱深度、捕获截面等陷阱参数与温度无关的前提下建立的理论。然而,加热过程不仅使陷阱中的电荷受到热激发,同时对陷阱本身也有热侵蚀作用[12],会引起陷阱及中心环境的改变,这必将导致陷阱参数的变化。

PSD法是Brodribb等人在20世纪70年代为获取有机晶体陷阱深度的信息提出来的[13]。PSD法是用能量可调的单能光子辐照试样使相应能量的陷阱电荷脱阱,并通过测量脱阱电荷迁移所形成的外电路电流来研究试样中空间电荷的陷阱能量分布。由于实验设备的昂贵性、电介质内陷阱电荷的光致排空并不彻底等问题,在随后的一些年里使用该技术研究介质中电荷陷阱的相关报道较少。然而与TSD法相比,它有如下特点:(1)在PSD实验过程中,试样可始终保持在任意设定的一个低温值,这样可以在保持材料结构或陷阱构造原貌特征的前提下,准确地获取试样的陷阱信息;(2)对于熔点较低的材料,由于陷阱结构的提前破坏,TSD法通常无法得到试样的深陷阱信息;而PSD法能够准确地探测深度高达6eV的深陷阱[14]。近年来,PSD法逐渐被接受并用于实验研究中,一些有意义的结果被不断报道。

文献[15-17]通过PSD法研究了聚乙烯的陷阱能量分布。他们在常规的连续扫描法的基础上,进一步提出了分步扫描法,即通过等能量光照使得陷阱电荷逐步地从浅到深依次释放,然后对记录的光电流积分即可得到各陷阱能量区间的空间电荷数量。图2显示了聚乙烯各陷阱能带中的捕获电荷量占总捕获电荷量的百分比[15],这些陷阱能带的中心陷阱能级分别为4.29,4.60,4.97,5.40,5.92eV,对应的波长分别为290,270,250,230,210nm。中心深度为4.97eV的陷阱能带(4.78~5.18eV)中捕获的电荷量约占总电荷量的57.4%,仅很少量的电荷(约为总电荷量的5%)被捕获在中心深度分别为5.92eV和4.29eV的深陷阱能带(5.65~6.22eV)和浅陷阱能带(4.14~4.44eV)。

1.4 绝缘料空间电荷抑制技术

为改善直流电缆XLPE绝缘中的空间电荷积聚问题,各国科研工作者对空间电荷抑制技术进行了大量的探索,总体来说,可以分为接枝和添加纳米填料两大类。这些工作都取得了一定的进展。如国外化工企业通过在聚乙烯链上接枝一种极性共聚单体,有效地抑制了空间电荷,开发了直流电缆用XLPE绝缘料并全球供应,但其使用温度只有70℃。日本选择在XLPE绝缘料中添加纳米填料,早在1998年首次研制了2根250kV直流电缆[18]。在国内,也有许多科研工作者进行了这方面的研究,其中有代表性的如下。

1)接枝。国内有高分子材料厂用马来酸酐接枝,成功地抑制了XLPE中的空间电荷,并批量生产高压直流电缆的XLPE料,工作温度为70℃。

2)添加纳米填料。文献[19]以质量百分比为0.1wt%,0.2wt%,0.5wt%,1wt%的二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、钛酸钡(BaTiO3)、三氧化铝(Al2O3)和氧化镁(MgO)等5种纳米粒子在150℃下的混炼机上混入低密度聚乙烯(LDPE)中,热压成1mm厚度的薄板试样,试样外贴半导体电极,在40℃下外施DC电场40kV/mm至电荷分布稳定,用PWP法测量了试样中空间电荷分布。研究发现,当质量百分比不小于0.2wt%时,Al2O3和MgO纳米粒子具有显著的抑制空间电荷的作用。另外,文献[20]以纳米MgO为填料,研究了不同含量下聚乙烯试样中空间电荷分布和电导与电场強度、温度的关系,最后确定当MgO含量为1%时,试样不再存在空间电荷。

在电力行业中,交流电缆中的XLPE工作温度为90℃。但在直流电缆中,通过接枝方法改性的XLPE的工作温度均只有70℃,这就较大地降低了电缆的载流能力。通过添加纳米填料的方法可能使得直流电缆在抑制空间电荷的同时,保证90℃的工作温度。上述研究表明,某些纳米填料能较好地抑制XLPE中的空间电荷,但在添加纳米填料的同时,如何使得纳米填料在XLPE中分散均匀是一个技术难点。这是因为聚乙烯属于非极性分子,而纳米填料属于极性分子,这2种材料的相容性较差,这样在XLPE中添加纳米填料的过程中很难保证纳米填料的分散均匀性。

对纳米粒子表面改性,可提高粒子与XLPE的相容性,并最终提高纳米填料在XLPE中的分散均匀性。改性手段可以分为两类。

1)物理表面修饰。通过吸附、涂敷、包覆等物理作用对微粒进行表面改性,利用紫外线、等离子射线等对粒子进行表面改性也属于物理修饰。文献[21]通过Ca2+,Ba2+无机阳离子等活化,使SiO2等纳米粒子表面由负电荷转变为正电荷,再吸附硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠等阴离子表面活性剂,制得了相应的有机化改性样品。

2)化学表面修饰。通过纳米微粒表面与处理剂之间进行化学反应,改变纳米微粒表面结构和状态,达到表面改性的目的称为纳米微粒的表面化学修饰。文献[22]把SiO2加入辛醇中,在甲苯磺酸的催化下,把反应物置于微波炉中照射加热,反应4h,即可得到改性SiO2样品。

最后应当指出,通过这2种改性手段获得的纳米粒子是否均匀地分散于XLPE中必须借助于实验仪器的观察,如扫描电子显微镜、透射电子显微镜等。另外,在改性过程中引入的一些杂质可能会对空间电荷、电导率造成一定的影响,这都有待于实验验证。

2 柔直电缆设计

2.1 电场分布

电缆绝缘层中的电场分布,交流电缆与直流电缆有很大的不同。交流电缆中电场分布是与介电常数ε呈反比分布,ε与温度无关。直流电缆中电场分布是与体积电阻率呈正比分布,电阻率与温度和电场有关。交流电缆中几乎没有空间电荷累积效应,而直流电缆中有明显的空间电荷累积的影响。运行中的直流电缆,受到雷电冲击电压、操作冲击电压时、电场分布受ε影响。这样,直流电缆绝缘层中电场分布比交流电缆复杂得多。

假定电缆绝缘发热已经稳定,绝缘中损耗忽略不计,不考虑空间电荷的影响,那么,距离电缆导体轴线r处的电场强度E为:

式中:U为绝缘层承受的电压;rc为导体屏蔽层外表面的半径;R为绝缘层外表面的半径;α为绝缘电阻温度系数,聚乙烯和XLPE的α=0.15℃-1;θc为导体屏蔽外表面温度;θs为绝缘外表面温度。

式(1)只考虑了温度对电阻率的影响,实际上,绝缘电阻率也受电场强度E的影响,两者同时作用时,有

式中:γ为系数,当E=5.25~21.0kV/mm时,γ为2.1~2.4。

式(1)与式(3)的形式完全一致,式(1)中的β相当于式(3)中的δ。从式(3)可以看出,直流电缆绝缘层中电场分布与电缆绝缘结构尺寸、承受电压大小和导体负载电流大小有关。

当直流电缆导体电流为零,即空载时,最大电场强度在导体屏蔽外表面上。当负载电流增加时,导体屏蔽表面场强减小,绝缘层外表面电场强度将增大,它会超过导体屏蔽上场强。

单纯的暂态电压(包括雷电冲击电压、操作冲击电压、极性转换瞬态电压)作用在直流电缆绝缘上,其电场分布与交流电缆一样,按ε呈反比分布。

运行中的直流电缆系统本身一直承载直流工作电压,暂态电压来袭时,会叠加在直流电压上,直流电压叠加冲击电压,其绝缘中电场分布既不同于交流电缆,又不同于直流电缆,而是两者的综合。

直流电压叠加同极性冲击电压时,叠加瞬间的电场Es为:

式中:Ed为直流工作电压的稳态电场,按电阻分布;Etr为叠加的冲击电压的暂态电场,按电容分布;Vd为直流电缆运行电压;Vs为叠加同极性冲击电压后电缆绝缘上的电压。

同样原理,直流电压上叠加反极性冲击电压时,叠加时的电场Er为:

式中:Vr为叠加反极性冲击电压后电缆绝缘上升高的电压。

运行中直流电缆绝缘上,经受雷击过电压或操作过电压时,叠加反极性冲击电压比同极性冲击电压时的绝缘介质对外表现出击穿强度下降。这是因为在直流电场作用下,靠近电极处存在着与电极极性相同的空间电荷。在施加反极性的冲击电压的极短时间内,被电缆绝缘材料捕获的空间电荷几乎保持不变,且其极性与电极极性相反。这样,在空间电荷与电极间存在着较高的电场,引起绝缘局部场强的畸变。故叠加冲击电压绝缘水平已成为影响电缆绝缘厚度的主要因素,特别是超高压直流电缆绝缘厚度更是决定因素。最近国内直流电缆的试验中,出现的击穿情况,也是在直流电压叠加冲击电压试验中,出现问题较多。

2.2 国内外柔直电缆

ABB公司将电压源换流器(VSC)换流站与聚合物电缆相结合形成柔直输电的概念,较传统的LCC直流输电,成本大大下降。为了提高输电线路可靠性,在柔直输电中通常采用电缆系统作为输电线路。ABB公司研制的直流电缆结构为:中间导体一般为铝材,导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层同时挤出均匀包裹在导体外面,形成绝缘结构,采用铜丝绕包在绝缘屏蔽外形成金属屏蔽,最外面由铝箔和聚乙烯形成外护套保护电缆。这种新型的三层聚合材料挤压的单极性电缆,较传统的油纸绝缘结构电缆,具有高强度、绿色环保等特点,适合用于深海等恶劣环境。这种直流电缆重量轻、成本低、传输功率大。例如:一对95mm2铝导体电缆,在直流工作电压为±100kV时,能够传输30MW的功率,其重量为1kg/m,绝缘厚度为5.5 mm,可以非常方便地埋在地下。

国产柔直电缆结构相似于交流电缆结构,就陆地柔直电缆而言,国内五家电缆公司试制的电缆参见图3,其为±200kV陆地柔直电缆,导体截面为1 000mm2。

海底柔直电缆与陆地柔直电缆在7之前结构一致。从7开始,将皱纹铝套改为平滑铅套,外护套改为内护套,增加1层或者2层钢丝铠装,钢丝外热涂沥青防腐,再覆盖聚丙烯绳作为外被层。

关键的材料以及导体屏蔽、直流交联料和绝缘屏蔽料,各厂均进口同一家电缆料公司的同一牌号产品,而且绝缘料的最高工作温度为70℃,比现在的交流交联料工作温度90℃低了许多,这就导致电缆的载流能力偏小,经济性能下降。

国产柔直电缆现状是几乎均采用铜导体,这就造成造价高、重量重、铝套容易电化腐蚀,故外面涂沥青防腐层,外护套外面涂石墨导电层,以便进行外护套直流耐压,但沥青和石墨在电缆制造和使用中均易污染环境。海底电缆的金属套多采用铅套,铅是重金属,也会污染环境。

2.3 新型柔直电缆设计

针对现有柔直电缆弊端,对柔直电缆重新进行设计。成本低、绿色环保的±320kV和±200kV新型柔直陆地和海底电缆分别见图4和图5。

±320kV和±200kV柔直陆地电缆和海底电缆,工作温度为90℃绝缘中的电场分布分别见图6和图7。

图6和图7中,β曲线只考虑了温度对电场分布的影响,δ曲线同时考虑了电场和温度对绝缘中电场分布的影响。可以看出,绝缘中电场和温度同时作用时,对电场分布有均匀作用。

3 柔直电缆发展趋势

国外ABB公司1997年开始试验投运±10kV柔直电缆系统,多采用铝导体和XLPE,外护层采用铝塑综合防水层。逐步淘汰了油纸电缆绝缘结构。2013年5月,ABB公司在德国北部投运了±320kV轻型直流系统,将北海800MW的海上风电接入欧洲输电系统。瑞典国家电网运营商Svenska Kraftnt公司投资1.6亿美元,建设连接瑞典南部和西部的地下输电线路,线路全长200km,电压等级为300kV,输送容量2×660 MW。采用柔直地下电缆系统,电缆为铝导体,挤包绝缘。ABB公司将负责包括终端、接头和其他配件在内的整套电缆系统的设计、生产、供货和安装工作,整个项目将于2014年完工。这套地下电缆解决方案主要是为了提高瑞典国家电网南部的输电能力和抵抗自然灾害能力,有助于提升瑞典与挪威两国间的电力交换容量。未来,该线路还将支持大量风电顺利并入瑞典电网。

欧洲超级电网是一种未来电力系统,主要基于直流输电,将偏远地区的大规模可再生电力传输到消费中心,输电线路大量采用直流交联电缆系统。

在中国,柔直电缆系统采用进口绝缘料的研究尚处于起步阶段,其电缆结构将交流电缆的结构套用过来,几乎都是铜导体铝护套或者铅护套。国内±200kV五端柔直工程和±160kV三端柔直工程的所需要的直流电缆系统正在试验验证之中。±160kV柔直陆地和海底电缆已经定标两家国内电缆公司生产。

国内外的商用柔直电缆导体工作温度都是70℃,而且均是单芯电缆。未来铜价约高于铝价4倍及以上时,国内就会发展铝导体或铝合金导体、铜护套,工作温度要达到90℃。绿色环保高载流量的柔直电缆、双芯电缆是发展方向。

向遥远的海岛供电及海上风电进网时,柔直海底电缆会大量采用。现在都采用2根极线分2次敷设,分开距离一般为2倍水深。这不仅使敷设费用增加,而且电缆线路占用海域面积较大,导致以后每年要交海域使用费用较多,增加了电缆线路运行成本。

未来的发展方向是将2根极线放在一起,一次性敷设完成,甚至还可以将光缆也与2根极线放在一起同时完成敷设。

对于电压低或者导体截面小的海缆,可以在工厂绞合在一起,然后装船敷设。对于电压高或者导体截面大的海缆,可以在敷设时将2根极线平行放在一起,也可加上光缆,采用坚固的带子绕包绑扎后,再敷设到海底。

4 结论

1)应大力开发用于电缆绝缘的空间电荷测量装置。在研究过程中,应重视功率足够大的脉冲发生器及与圆柱形电缆绝缘界面捏合的半弧形电极的研制。空间电荷陷阱电荷能量测量方法主要为TSD法和PSD法,PSD法测量聚乙烯陷阱能量分布的结果显示,电荷主要被捕获在中心深度为4.97 eV的陷阱能带中。

2)通过添加纳米填料抑制电缆XLPE绝缘中空间电荷时,必须解决纳米粒子与XLPE的相容性问题,通常可以通过表面物理修饰和表面化学修饰等改性手段完成,但改性的有效性必须通过实验的进一步验证。

3)柔直XLPE电缆绝缘中电场分布与体积电阻率呈正比分布,而电阻率与导体负载和绝缘中电场有关,运行中柔直电缆经受的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键影响因素。

4)现有开发的柔直电缆工作温度较低,部分结构材料不环保,文中提出高载流90℃工作温度绝缘料,并研究设计出绿色环保高压、超高压陆地和海底电缆结构。

电缆绝缘试验 篇9

现代化建设对电力的需求越来越大,交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆以其工作温度高、绝缘特性好、耐过载能力强等特点,正逐步取代传统的PVC绝缘电力电缆。低压XLPE电缆(一般最高电压等级仅达10 kV)大多采用硅烷交联法,与辐照交联法或过氧化物交联法相比,硅烷交联法具有设备投资少、适应性强和工艺简单等优点。

但小规格(6 mm2及以下)硅烷交联聚乙烯(Si-XLPE)绝缘电力电缆,由于绝缘材料和导体的接触面积相对较小,尤其是单芯导体表面光滑圆整附着力不够时,绝缘的热收缩较大,很难达到GB/T 12706-2008标准中不大于4%的要求。有时实测的XLPE绝缘热收缩甚至达到了20%,严重影响了产品质量,客户投诉较多,对此有些客户已经明确要求在技术协议里写明绝缘热收缩不能超过3%。因此电缆生产企业必须着手解决如何控制小规格Si-XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩的难题,生产出符合市场需要的产品。

1 绝缘热收缩原理

采用硅烷交联法生产XLPE电缆有两个过程:接枝和交联。其生产XLPE电缆的方法有一步法、两步法和浸渍法三种:a.一步法是采用直接加入交联剂的PE绝缘料,在挤出电缆绝缘时进行接枝,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联;b.两步法是采用已预先硅烷接枝的PE绝缘料,挤出电缆绝缘,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联;c.浸渍法是采用浸渍了硅烷和助剂的PE绝缘料直接挤出电缆绝缘,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联。目前Si-XLPE电缆生产厂家常用的有一步法和两步法。但由于硅烷交联一步法在挤制XLPE绝缘时,其结晶过程和接枝过程互相作用,因此在挤制过程中应尽可能控制热过程,使XLPE绝缘料的聚集态结构处于合理状态,这样才能使XLPE绝缘具有更优异的性能。

PE是一种结晶型聚合物,其结晶过程就是大分子或链段通过分子间的相互作用力进行重新排列,从无序变为有序的过程。在电缆绝缘挤出时,PE在加热的环境(熔融温度)下受到剪切和牵引拉伸作用,使得PE分子的晶粒沿拉伸方向(纵向)尺寸增大、横向尺寸减小,有序性提高,即PE分子发生取向。这样轻易诱导出许多晶胚,使晶核数量增加,结晶时间缩短,加速了结晶作用,结晶度增大。但当成品PE绝缘电缆放置在室温下时,因PE绝缘挤出时产生的内应力(收缩应力),使得结晶的PE分子容易解取向(回缩的趋势),这就造成了PE绝缘的热收缩现象。

2 绝缘热收缩的因素

为解决绝缘热收缩的问题,必须找出在电缆绝缘挤出过程中,导致XLPE绝缘结晶度增加、取向加强、内应力增大的因素,即熔融温度和时间、冷却速度、外力(牵引拉伸)作用这三方面。

2.1 熔融温度和时间

在高于熔体温度tm时,结晶型聚合物为含有晶核的熔体,且熔融时间越长晶核的数量越少。因此在电缆绝缘挤出过程中,XLPE绝缘料的加热熔融温度越高、在加热温度下停留的时间(保温时间)越长,晶核的数量将越少,PE的结晶性能越低,有利于降低绝缘的结晶度,可使绝缘热收缩达到标准要求。

我们对Φ70挤出机和Φ45挤出机生产的Si-XLPE绝缘的热收缩进行了测试,测试结果如表1所示。可见Φ45挤出机生产的Si-XLPE绝缘的热收缩明显,其原因可能有:a.Φ45挤出机的螺杆较短,再加上生产速度较快,PE在螺膛内的停留时间较短,有利于PE晶核的成长,使得XLPE绝缘的结晶度较高,从而造成绝缘热收缩较大。b.由于Φ45挤出机采用的是一步法硅烷交联的PE绝缘料,在挤出过程中提高加热温度和延长XLPE绝缘料在螺膛内的停留时间,都将增加XLPE绝缘料预交联的可能性,但这是不允许的,因为这将造成挤出的绝缘中含有热固性的XLPE颗粒。

此外,XLPE绝缘料的熔体温度越高,其冷却至凝固所需要的时间就越长,即PE分子的松弛时间较长,可轻易地解取向,最终XLPE绝缘的取向程度也就越低。

2.2 冷却速度

聚合物熔体从熔体温度tm以上冷却到玻璃化温度tg以下的温度降低速度称为冷却速度,冷却速度是影响聚合物结晶的关键。冷却速度除了与熔体温度、室温有关外,还与聚合物本身的结晶速率和热性能有关。PE本身的结晶速率很大,在极快的冷却条件下PE绝缘也能得到较高的结晶度。因此在冬天,这种情况尤其明显,应特别注意XLPE电缆绝缘挤出过程中冷却速度的控制。PE比热容大、热导率小,若PE熔体冷却速度较慢,获得充分冷却,则PE分子的松弛过程延长,可轻易解取向,取向程度下降,并可控制PE晶核的产生和延缓晶粒的长大。

此外,导体温度对XLPE绝缘的冷却速度也有影响。导体温度过低,在挤出机的模口处高温的PE熔体包覆在导体表面时,XLPE绝缘会因与低温导体接触而冷却收缩产生收缩应力,并减小XLPE绝缘与导体间的附着力,降低对热收缩的抵御力,最终影响XLPE绝缘电缆绝缘层的热收缩性能。

2.3 外力(牵引拉伸)作用

在电缆绝缘生产过程中,PE分子在外力(牵引拉伸)作用下沿作用力方向发生取向,这将促进PE晶核的形成,使晶核生成速度加快、晶核数量增加,结晶时间缩短,结晶度增大。在表2中对比了采用挤压式模具和挤管式模具生产的Si-XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩。相比于挤压式模具,在挤出过程中必须进行拉伸的挤管式模具生产的Si-XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩要大很多。但即使是挤压式模具生产的电缆的绝缘热收缩也都在8%左右,这远远超过了标准的要求。

对于上述情况,我们研究后发现,为了提高生产速度和挤出表面的光洁度,一般挤压式模具的模套内径比电缆的绝缘外径大几毫米,这样在绝缘生产过程中,为了确保绝缘外径,绝缘不可避免地会受到拉伸,在拉伸过程中,PE分子仍受到了外力影响,产生了取向,使得绝缘热收缩超标。此外,采用挤压式模具,增加了对模距离,可使XLPE绝缘层紧紧包覆导体,增加绝缘和导体之间附着力,以尽量抵消XLPE绝缘挤出时产生的内应力(收缩应力),使绝缘相对不容易产生热收缩。

3 绝缘热收缩的控制措施

由于小规格Si-XLPE电缆绝缘对熔融的温度和时间、环境和导体的温度、外力(牵引拉伸)作用较为敏感,为了确保XLPE绝缘热收缩指标合格,我们在工艺上采取如下措施:

(1)在绝缘挤出时采用缓冷和温水分段冷却,尤其是在冬天环境温度比较低的场合(夏天由于环境温度比较高,则相对来说要好些)。并同时对导体进行合适温度的预热。

(2)为了提高XLPE绝缘料熔融温度和保温时间,最好选用两步法硅烷交联的PE绝缘料,这样可以增加熔融段保温时间,避免XLPE绝缘料在机筒里预交联产生焦烧。

(3)有条件的话,可以尽量选用机筒加长和机头加长的挤出机,以延长XLPE绝缘料在机筒里的时间,更有利于抑制PE晶粒的长大和结晶的产生。

(4)由于小规格Si-XLPE绝缘电缆的绝缘和导体(特别是单根导体)的接触面积相对较小,附着力不够,因此很难阻止绝缘热收缩。在采用挤压式模具时,应注意模套内径尽量不大于绝缘外径,以确保在绝缘挤出过程中XLPE绝缘料没有受到拉伸作用,避免由此造成的取向结晶,从而导致电缆的绝缘热收缩超标。

4 总 结

综上所述,小规格Si-XLPE绝缘电缆绝缘热收缩是因为XLPE绝缘结晶度增加、取向加强、内应力增大等因素造成的。只要在电缆绝缘生产过程中较好地控制这些问题产生的源头:XLPE绝缘熔融的温度和时间、XLPE绝缘冷却速度、XLPE绝缘受外力(牵引拉伸)作用,就能改善绝缘热收缩性能。我们在实际生产中采取了控制分段冷却,对导体进行预热,选择不易预交联的原材料,选择长机筒和长机头设备,选择挤压式模具并严格控制模套内径不大于绝缘外径等措施,使小规格Si-XLPE绝缘电缆达到绝缘热收缩不大于4%的标准要求。选择挤压式模具并严格控制模套内径更利于小规格Si-XLPE绝缘电缆绝缘热收缩的控制。

参考文献

[1]韩中洗.电缆工艺原理[R].上海:上海电缆研究所信息中心,1990.

电缆主绝缘缺陷电场数值分析 篇10

电缆本体的绝缘性能直接影响电力系统的运行安全, 因而, 其绝缘缺陷及缺陷发展而引起的击穿事故是电缆本体绝缘研究的重点[1]。电缆主绝缘的各类缺陷成为电缆绝缘最薄弱环节, 可能形成局部高场强, 甚至电场强度超过允许范围产生局部放电, 可能导致绝缘击穿。缺陷引发的故障, 将严重影响电力系统的供电可靠性[2]。

文中以特定标称截面的35 k V XLPE电缆为对象, 采用COMSOL三维电缆软件, 对含有典型缺陷的电缆进行仿真模拟, COMSOL MUL-TIPHYSICS软件是一个以有限元分析为基础的大型通用CAE软件, 具有强大而广泛的分析求解功能[3]。利用该软件所提供的后处理功能输出缺陷处截面的电场分布云图和最大电场强度的值, 电场集中程度主要体现在电场的相对变化情况。

1 电场数值分析的理论基础

电缆导体和外屏蔽之间施加电压, 在电缆主绝缘中产生电场, 由于工频电压下电场分布是一种稳态电场, 计算时可按电准静态场来处理[4]。电准静态场的基本方程组为

将 (3) 代入电流连续性方程,

得到

在时域电场中

对于各向同性介质有本构关系式

式中σ、ε分别为介质电导率和介电常数。引入标量位函数

则可得

此即为交变电场求解器所依据的基本方程。

由于交变电场求解器中使用相量, 在直角坐标系中, 随时间作正弦变化的电场强度E的一般形式为

式中ω是角频率。Φx, Φy和Φz分别为各坐标分量的初相角, 它们仅是空间位置的函数。上式也可以表示成

其中

所以所要分析的电场强度即可表示为

2 电缆及缺陷的模型

电场数值分析的重要基础工作是在软件平台上进行建模。考虑到电缆主绝缘中典型缺陷的几何尺寸相比电缆的内外半径小得多, 因此计算电缆的长度取其主绝缘外径的三倍。这样可以节省计算量, 同时又可保证计算结果的可靠性。

仿真分析了以上常见的电缆缺陷, 即半导电屏蔽缺陷、杂质等。对于半导电屏蔽缺陷有外半导电屏蔽向内凹陷、外半导电屏蔽和主绝缘损伤, 其模型如上图所示;模型中, 导线截面积240mm2, 导线半径8.74 mm, 绝缘厚度10.5 mm, 内外屏蔽层均为1 mm厚, 电缆段长度为127.44mm。模型中的材料属性设置见表1。边界条件设置见表2。

3 电场仿真

有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法[5]。它通过相应的变分原理将需要求解的的边值问题转化为相应的变分问题 (泛函的极值问题) , 进而利用剖分插值将变分问题离散化为普通多元函数的极值问题, 最终归结为一组多元的代数方程组, 解之即得待求边值问题的数值解。现在, 我们通过COMSOL三维软件, 对外半导电屏蔽内陷缺陷、外半导电屏蔽与主绝缘破损缺陷、电屏蔽主绝缘中导电性杂质球缺陷这三种缺陷情况下的电场分布情况, 并找到最大电场强度与缺陷的关系。

3.1 外半导电屏蔽内陷仿真

于制造缺陷和外力挤压导致外半导电屏蔽向绝缘内凹陷, 同样是一种严重缺陷, 影响电缆绝缘中电场分布。用半球形凹陷模型进行仿真分析, 不同内陷深度仿真结果如图2、3、4所示, 凹陷深度为0的仿真结果由于没有影响, 所以没有给出电场云图。

由表3结果做图, 结果如图5所示。

通过理论计算可见, 电缆绝缘发生变形的情况下, 电场即发生畸变, 当最大电场强度随凹陷变化呈加速度增长, 当凹陷深度达到0.3 mm时, 电场强度已经达到了2 MV/m, 并且之后电场强度随着凹陷深度呈陡升状态, 如果凹陷程度继续加深, 势必引发局部放电, 使电缆被击穿, 引发电缆故障。

3.2 外半导电屏蔽与主绝缘破损缺陷仿真

为了仿真外半导电屏蔽与主绝缘破损缺陷对电场分布的影响, 假设破损情况为球形破损, 不同破损程度用在半导电屏蔽外径处为圆心不同半径的半球来模拟。

由上述各图求得最大电场强度, 经计算得到最大电场强度与平均电场的比值与缺损球半径的关系如图6所示。

通过上述仿真分析发现, 当缺损球半径较小时, 最大电场出现在内屏蔽外表面处, 而当内陷深度大时, 最大电场出现在外屏蔽内破损边缘处, 而边缘处, 正是电缆破损应力最集中的部位。当破损球半径超过3 mm时, 最大电场超过3 MV/m, 加剧了电缆危险性。从整体上看, 随破损程度增大, 最大电场随之而增加, 并且斜率增大。

3.3 导电屏蔽主绝缘中导电性杂质球缺陷仿真

将上述气泡重新定义属性, 对靠近内半导电屏蔽主绝缘中导电性杂质球缺陷进行了仿真。上述仿真分析结果表明, 导电性杂质球表面面对内屏蔽的表面电场强度最为集中, 最高可达平均电场的几十倍, 甚至几百倍。

可以看出, 绝缘内的最大电场强度随杂质颗粒半径的增大而减小, 且最大电场出现在颗粒与内屏蔽之间。但是最大电场强度均大于1.5 MV/m, 已经超出了规定的电场强度值, 如果杂质球的为气体缺陷, 电场将杂质球中的气体电离, 会引起局部放电, 气体中压强集中, 运行一段时间, 将产生电缆故障。

4 实际缺陷制作与验证

根据以上仿真分析结果, 现通过实验制作外半导电屏蔽内陷缺陷、外半导电屏蔽与主绝缘破损缺陷、电屏蔽主绝缘中导电性杂质球缺陷这三种缺陷的具体模型。由于局部放电是XLPE电缆绝缘劣化的特征和主要原因[6], 目前国内外根据电缆的局部放电判断电缆的运行状态进行了大量研究[7,8,9]。为了更加直接的观察局部放电现象, 将故障点设置在电仿真结果的最大位置。半导电屏蔽内陷深度为0.3 mm, 外半导电屏蔽与主绝缘破损球半径为3 mm, 导电杂质球半径1.0 mm。在实验室使用工频耐压试验对三种缺陷进行通电测量。工频电压试验能够全面、真实地发现XLPE电缆缺陷和运行故障隐患, 可应用于XLPE电力电缆竣工试验和预防性试验, 特别是110 k V及以上电压等级的XLPE[10]。对三种缺陷试样依次通入50 Hz正弦电压, 逐渐提升电压值直到产生局部放电现象。图8、9、10为试验采集的模式图。从图中可以看出局部放电被清晰的辨别出来。

5 结束语

通过对外半导电屏蔽内陷缺陷、外半导电屏蔽与主绝缘破损缺陷、电屏蔽主绝缘中导电性杂质球缺陷这三种缺陷下电场的仿真, 可以得到以下结论。

1) 外半导电屏蔽内陷对局部电场强度影响最大, 内陷如果不采取有效措施, 很容易导致局部放电。

2) 外半导电屏蔽与主绝缘破损缺陷局部电场强度最大值为破损边缘处, 而此处又是电缆应力最为集中的部位, 增加了电缆故障发生几率。

3) 导电屏蔽主绝缘中导电性杂质球缺陷最大电场出现在颗粒与内屏蔽之间, 继而引起局部放电现象。当局放到达一定程度时就可能会形成电树枝甚至引发电缆主绝缘击穿现象。

参考文献

[1]周凯, 陶霰韬, 杨滴, 等.XLPE电缆水树老化过程中半导电层缺陷的形成机理[J].高电压技术, 2014, 01:124-130.

[2]曾应璋.110 k V高压电缆缺陷模拟实验及其检测方法研究[J].机电信息, 2014, 30:5-6.

[3]王小龙, 冯宏, 田华光, 等.基于COMSOLMULTIPHYSICS的直流电法正演模拟[J].煤田地质与勘探, 2011, 05:76-80.

[4]冯慈璋, 马西奎.工程电磁场导论[M].北京:高等教育出版社, 2000.

[5]李华春, 章鹿华, 周作春.应用有限元方法优化应力锥设计[J].高电压技术, 2005, 11:55-57.

[6]邱玉容, 王乃庆.电工设备局部放电及其测试技术[M].北京:机械工业出版社, 1994.

[7]朱俊栋, 杨连殿, 贾江波, 等.宽频带电流传感器在检测交联聚乙烯电缆局部放电中的应用[J].绝缘材料, 2006, 39 (1) :33-36.

[8]Park S H, Jung H E, Yun J H, et al.Classification of Defects and Evaluation of Electrical Tree Degradation in Ca-ble Insulation Using Pattern Recognition Method and Weibull Process of Partial Discharge[C]//IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Beijing, 2008:101-104.

[9]Tozzi M, Cavallini A, Montanari G C, et al.PD Detectionin Extruded Power Cables:An Approximate Propagation Model[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, 15 (3) :832-840.

电缆绝缘试验 篇11

关键词：高压电缆；绝缘电阻；电缆接头；故障查找

0 引 言

新屯矿地面至井下各中央变电所共有入井高压电缆7趟，电源分别来自地面35kV变电站，井下变电所双电源分别来自地面35kV站的两段母线。其中，-450中央变电所有入井高压电缆2趟，分别是地面35kV变电站656#至-450中央变电所2#，MYJV22-6 3×185mm 5000m和645#至-450中央变电所1#，MYJV22-6 3×185mm 5000m，另外-450中央变电所还有一趟备用电源，来自井下-190中央变电所8#至-450中央变电所0#，MYJV22-6 3×185mm 2200m。

1 事情经过

今年4月份，冀中能源峰峰集团新屯矿在做地面35kV变电站656#至-450中央变电所2#，MYJV22-6 3×185mm 5000m电缆的高压预防性试验时，遥测该趟电缆绝缘值三相相间分别为2500MΩ、2500MΩ、2500MΩ，对地绝缘分别为A相1500MΩ、B相为1500MΩ、C相为200MΩ。随后进行了该趟高压电缆的耐压试验，试验电压DC 15000V，其中C相在升压至6000V再向上升压时，无法再进行升压，同时泄露电流集聚增大，试验人员发现该情况后随即停止了该趟电缆的耐压试验，用摇表再次遥测该高压电缆，发现此时三相相间分别为2500MΩ、2500MΩ、2500MΩ，对地分别为A相1500MΩ、B相1500MΩ、C相<1MΩ。判断该趟高压电缆一相对地击穿，已无法再进行送电。

2 采取的措施

2.1 立即通知-450中央变电所修理工拆开2#高压隔爆开关电源侧电缆三相电缆头，并对电缆头用稀料擦拭干净后重新遥测该趟电缆绝缘值，发现绝缘值基本没有变化。随即判断是由该电缆本身故障造成，因无法立即恢复该趟高压线路供电，立即启用了另外一趟高压备用线路进行供电，即使用了自-190中央变电所8#至-450中央变电所0#线路。

2.2 联系新屯矿相关技术人员、主管区长、现场经验丰富的技师、班工长共同商讨解决方案，组成了该项目的临时攻关小组。小组决定立即安排修理工去查看该趟高压供电电缆的完好情况，并随手做好详细的记录。第二天安排矿机电区电气技术员、实习技术员等组成的一组人员去查看该趟高压供电电缆，即通过两批次不同人员的查找和确认，将该趟高压电缆确信无疑的标示出来。随后联系电缆故障测试仪厂家技术人员进行技术咨询，最终基本确定了该趟高压电缆的故障点位置。

3 查找高压电缆故障点方法

3.1 试验方法：采用电缆故障测试仪查找电缆故障，利用我矿现有高压预防性试验仪器和电缆故障测试仪中的高压组件箱、DMS-B型定点仪对电缆故障点位置进行精确定位。其原理是将冲击高压电源送至电缆故障线使其故障点产生放电，产生振动声波信号，并采取适当拉开高压组件箱球隙间距，提高冲击电压数值的方法增大电缆故障点放电声音，使用DMS-B型定点仪进行电缆故障点的声音定点探测。

3.2 试验仪器包括：GY50/5-高压试验控制箱、YDSB轻型高压试验变压器、MF47型万用表、ZC-7型绝缘电阻表、高压组件箱、DMS-B型定点仪、高压验电笔、高压定相仪等。

3.3 试验原理图：

3.4 试验步骤：通过仔细阅读电缆故障测试仪使用说明书和向厂家技术人员咨询，我们基本掌握了高压组件箱中两个放电金属小球的放电间隙调整方法，按3000V/mm进行调整，在实际测试时我们首先按2mm进行调整，即先升高电压至6000V进行电缆的高压击穿试验，现场我们就听到了高压组件箱中两个高压小球的放电声音，随后我们戴上电缆故障定点仪倾听放电声音，调整试验电压值使放电声音每隔数秒中放电一次，并熟悉、牢记该声音。然后我们矿方技术人员下井戴上电缆故障定点仪去井下查找该故障电缆的故障点，无果而返。第二次试验时将高压组件箱中两个放电金属小球的间隙调整至5mm，将查找电缆故障的测试电压升高至15000V，同时通过调整试验电压数值使高压组件箱中放电金属小球的放电声音每隔数秒钟放电一次，同时安排了两名电气技术人员用电缆故障定点仪下井去倾听、查找电缆故障点位置，最终在皮带机道中发现了该趟高压电缆一个电缆冷缩接头处有较清晰的异常放电声音，初步判断该电缆在此电缆接头处有故障。

4 电缆故障的处理与恢复

4.1 断开高压电缆接头

通过商讨决定，在井下皮带机道疑似故障点处断开高压电缆，然后去掉一段有故障的电缆后重新将电缆连接起来。为了减少不必要的麻烦，我们在-450变电所和地面35KV站各安排1名修理工盯住该趟高压电缆的两端，在该高压电缆两端各封地线，各悬挂“有人工作，严禁送电”字样警示牌，严禁任何人给该趟电缆送电，然后主管区长和工长、技术员去现场进行高压电缆的断开工作。在锯断该故障电缆之前，并做好现场安全措施的前提下，在用电缆故障定点仪判定的故障点位置附近至少楔入3根长钢钉，钢钉应穿透电缆芯线，在打完钢钉之后如没有发现异常，将锯与地线一端可靠连接，戴上绝缘手套锯断该高压电缆。

4.2 连接高压电缆接头

断开该高压电缆接头后将接头全部去除，然后分别剥开电缆接头电话联系-450中央变电所和地面35KV站修理工分别将该趟电缆两端的封地线拆除，然后分别遥测自断开处往下至-450变电所的电缆绝缘值和至地面35KV站段的电缆绝缘值，经遥测该两段高压电缆的三相芯线相间绝缘均为2500MΩ，对地分别为A相1000MΩ、B相2000MΩ、C相1500MΩ和A相1500MΩ、B相1500MΩ、C相1500MΩ，经过现场处理电缆接头后，我们临时使用高压接线盒将刚刚断开的两段高压电缆连接起来，并将高压电缆的地线引出，将高压接线盒地线与临时安装的局部接地极连接好。

4.3 空载线路试送电

通知井下-450变电所修理工再次遥测该趟高压电缆绝缘值，经摇测电缆三相相间绝缘值分别为AC相：2200MΩ，BC相：2000MΩ，AB相：2300MΩ；对地绝缘A相1000MΩ，B相2000MΩ，C相1500MΩ。联系地面35KV变电站进行该趟高压线路的恢复送电工作，此时井下-450变电所2#高压隔爆开关严禁合闸，且该趟电源线不得与高压隔爆开关接线腔中接线柱进行连接。

5 该趟高压线路定相与恢复送电工作

因该趟高压电缆中间重新做过接头，-450中央变电所内有两趟来自地面35KV站的高压供电电缆，两趟高压电缆在-450中央变电所内通过联络高压隔爆开关汇合，因不能确定新连接好的高压电缆是否与原来供电的高压电缆三相电源是否同相位，在使用该趟高压线路供电之前必须进行高压定相工作。因此使用高压定向仪在-450中央变电所内2#高压隔爆开关电源处进行该趟电缆的定相工作，在做该项工作之前需提前在该电缆的三相芯线上做上标记，定相时每确定一相后在记录本上做好标记，待三相均定好相之后做好一次完整记录，为确保万无一失，有必要再进行定相一次或安排可靠的人员进行监督，定相完毕后，联系地面35kV站停该趟高压线路电源，进行该趟电缆与变电所高压隔爆开关的接线工作，接线完毕后，联系地面35kV站恢复该趟高压电缆的正常供电。经现场送电，送电后该趟高压供电线路运行正常。

6 结语

通过本次查找高压电缆故障，我们得出如下经验：每年进行高压预防性试验时，必须提前遥测电缆绝缘值，测定电缆吸收比，对于电缆中间接头多，绝缘性能差的电缆不再进行耐压试验。必须严格按照操作规程和停送电程序操作，工作时执行好施工措施，严禁冒险作业。强化职工与管理人员责任心，在日常工作中加强对各电缆冷缩接头的管理、查看与定期检查工作，日常维护到位。严禁长时间过负荷和甩掉开关的保护使用电缆，维护好井下电缆。平时的基础工作应做到位，管理上应到位。日常工作当中要加强学习，及时总结工作经验、吸取事故教训，不断改进工作方法、提高效率，增强自己的业务能力和责任心、执行力。

参考文献：

[1]DMS-B型定点仪使用说明书.

电缆绝缘试验 篇12

低温(CD)绝缘高温超导电缆因其优异的载流能力、极低的传输损耗、良好的安全性能和较好的环境友好特性,成为国际社会研究的热点。欧美日韩等发达国家和地区均开展了大量的CD绝缘高温超导电缆的应用研究。在国内,上海电缆研究所、中科院电工所等单位均对CD绝缘超导电缆开展了相关研究,其中上海电缆研究所在2013年实现了国内首条CD绝缘高温超导电缆示范线路的挂网运行[1]。

CD绝缘高温超导电缆的高载流能力源于超导材料较高的临界电流密度。为充分发挥电缆大容量的优势,超导电缆导体一般由多层超导导体组成,CD绝缘超导电缆的屏蔽层也由超导材料组成。超导导体各层之间的电流分布取决于各层超导带材的绕制方向和截距等[2],且超导屏蔽对超导导体的电流分布也存在着显著的影响[3]。通过合理的设计,使得超导电缆各层导体的电流分布趋于均匀,有利于充分发挥超导材料的高载流特性,提高超导电缆的容量,降低电缆损耗。

本文设计了一系列试验验证了文献[3]的技术预测,并进一步根据文献[3]及相关理论,编写了电流分布计算和优化软件,提高了电缆设计的效率。

1 CD绝缘高温超电缆电流分布电路模型

CD绝缘高温超导电缆一般由多层超导导体和超导屏蔽构成。超导导体在电缆中心传输电流,屏蔽导体一般为两端互连后接地,超导屏蔽可感应出于超导导体大小相等、方向相反的屏蔽电流。CD绝缘高温超导电缆可等效为图1所示的电路图。

根据此电路图,电缆各层导体为并联结构,两端电压相等,屏蔽层无外接电源,通过感应产生电流,可得出描述电路电流关系的矩阵:

式中的电感与互感可通过计算各层之间的磁场能量进行计算[3,4]。文献[5]证明了三相系统用CD绝缘超导电缆,在屏蔽层互联和特定的敷设条件下,可以实现如式(2)描述的屏蔽电流与超导导体电流量值相等[5]。

2 CD绝缘高温超导电缆电流分布测试

为精确测量各层电流同时减少接头电阻对电流分布的影响,我们定做了电流测量用的罗氏线圈,对每个线圈进行标定,分别安装在第一层导体和第二层导体外侧,总电流通过安装在电流引线上的罗氏线圈进行测量。

试验分三种情况进行。

1)不考虑屏蔽情况屏蔽层导体浮空,只对内外两层导体施加电流。

2)利用铜排将屏蔽层首尾相连。

3)强制导体电流通过屏蔽层回流,使导体层与屏蔽层构成一个回路。

试验结果详见图2。

从图2可以看出,在没有屏蔽电流的情况下第二层电流略大于第一层电流,比值约为110.7%;利用铜排将屏蔽短接形成回路后,屏蔽回路产生感应电流,由于屏蔽回路电阻较大且回路面积有限,感生电流不能与导体电流等大反向,感生电流大小约为导体电流的65%,此时第二层电流与第一层电流的比值明显下降,约为80.2%;将屏蔽与导体连接形成回路,屏蔽电流与导体电流大小相等,方向相反,此时第二层电流与第一层电流的比值进一步下降,约为64.2%。实验结果证实了文献[3]的计算预测,即屏蔽层电流对导体层电流分布有明显的影响。

3电流分布计算与优化软件

超导电缆电流的优化分布是确保超导电缆性能优势的关键因素之一。为得到最优的设计,通过不断的实体样品试验模拟获得最优的结构设计,不仅需要大量的材料投入,而且每次试验周期均较长,显然是不现实的。另一方面通过大量的手工解析计算工作量巨大,尤其是优化设计过程可变因素较多,靠手工计算显然也不现实。因此根据已有理论开发一套计算软件对电缆设计尤为重要。根据文献[3]及相关理论,我们开发了一套计算和优化软件。

3.1软件介绍

软件采用C#编写。在电缆初始化界面可设置电缆导体结构,包括电缆导体层数和屏蔽层数,电缆导体层数最多可设置为6层,屏蔽最多可设置4层。对初始结构进行电流分布计算后,通过结果显示界面进行显示。在初始化界面通过勾选各层前端的选择框选择要优化的结构参数。优化后自动在初始界面改变电缆结构参数并显示优化结果。

3.2计算算法概述

根据前述的理论描述,参照图1和式(1)。CD绝缘超导电缆的电流分布只需要对式(1)进行求解即可。一般情况下感抗要远大于阻抗,大约两个数量级[6],因此可以忽略阻抗部分,矩阵可为实数矩阵,求解过程相对简单一些。但若需要考虑多层超导导体和多层超导屏蔽,则矩阵阶数较高,求解难度较大,容易出错。尤其在某些特殊情况,如导体截距较大或导体层阻抗增大使得计算过程必须考虑阻抗因素,此时矩阵为复数矩阵,求解难度更大,很有必要通过软件化编程对其进行求解。

软件化求解过程实现难度较低,主要分成以下几个步骤。

1)根据相关理论计算得出各层导体或屏蔽的自感以及互相之间的互感,必要时还需计算各层的阻抗。将计算结果建立成矩阵。

2)将计算所建立的矩阵转化为单位矩阵,进而得出各层的电流分布。

3.3优化算法概述

根据前述理论研究,电缆的电流分布情况取决于各层(包括屏蔽层)导体的半径,绕制截距等参数。即所需考虑的优化参数为:R1,P1,R2,P2….Rn,Pn,Rs1,Ps1,Rs2,Ps2……Rsm,Psm。其中Ri与Rsi分别表示第i层导体和第i层屏蔽的半径,Pi与Psi分别表示第i层导体和第i层屏蔽的截距,当P值为负时,表示其绕制方向与参考方向相反。实际工程设计过程中,考虑到电缆的电压等级和电缆短路电流等因素,各层的半径一般为固定值,所以优化参数只需要考虑各层导体的绕制截距,即优化参数向量为(P1,P2…Pn,Ps1,Ps2…Psm)

优化目标为根据电缆设计而定的各层电流最优分布比率,即向量Ix=(I1x,I2x……Inx,Is1x,Is2x……Ismx)与最优化向量Ib=(I1b,I2b……Inb,Is1b,Is2b……Ismb)的距离趋近于零。即:

L可表示为向量P=(P1,P2…Pn,Ps1,Ps2…Psm)的函数:

优化过程首先设定好边界,然后设定好优化步长和优化步数,让向量P分别向(n+m)维空间的2(n+m)管方向移动一个步长,对2(n+m)各结果进行比较,并选择其中最优的一个结果,然后继续进行下一步优化,直至优化结束。如果一次优化不能达到理想的结果,可改变步长和步数,再次优化,直至得到理想的优化结果。

采用文献[3]提出的电缆结构对软件进行了验证,对电缆两端施加一个纯虚数的电压值,计算电缆各层的电流分布情况。表1列出了电缆初始结构。

采用表1的电缆结构通过软件计算结果如表2所示。

由于电缆两端设定电压为纯虚数,从表2可看出,影响电流分布的因素主要是电感因素,所以电流的虚部值都是0,没有出现复数的情况。下文不再列出电流虚部。

进一步仅对屏蔽层节距进行优化,其结果与文献[3]的研究一致,即屏蔽层节距越大电流分布越均匀,详见表3。

注:I1为第一层导体电流;I2为第二层导体电流;Is为屏蔽层电流;η为导体电流分布均匀率,η=(I1+I2)/2I1。以下各表相同。

本软件优势在于不仅可以单独对某项参数进行优化,而且可对多个参数同时进行优化,更加符合工程设计的需求。表4列出了同时对导体层和屏蔽层节距进行5次优化的计算结果。

4结语

本研究验证了文献[3]的计算预测,即屏蔽电流对导体电流分布有着明显的影响。依照文献[3]的相关理论,开发了超导电缆电流分布计算及优化设计软件,可对超导电缆的导体和超导屏蔽同时优化计算,实现了超导电缆电流分布和结构优化的快速计算,达到比较理想的均流设计效果。研究成果可应用于超导电缆设计,降低超导电缆设计成本,提高设计效率。

摘要：依照低温(CD)绝缘高温超导电缆电流分布的相关理论和计算模型,通过实验测试,分析研究了CD绝缘高温超导电缆的电流分布情况及其影响因素。提出了实现电流分布优化的计算算法,通过计算机编程,实现了超导电缆电流分布的快速计算和优化。

关键词：CD绝缘,电流分布,超导电缆

参考文献

[1]魏东,宗曦华,徐操,等.35 k V 2 000A低温绝缘高温超导电力电缆示范工程[J].电线电缆,2015(1):1-4.

[2]赵臻,邱捷,王曙鸿,等.高温超导交流电缆电流分布及结构优化的研究[J].西安交通大学学报,38(4):352-356.

[3]应启良.低温绝缘(CD)高温超导电缆屏蔽层电流对超导电缆导体和屏蔽电流分布的影响[J].电线电缆,2009(2):7-15

[4]S.K.Olsen,C.Traeholt,A.Kuhle,et al.Loss and Inductance Investigations in a 4-layer Superconducting Prototype Cable Conductor[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,1999,9(2):833.

[5]应启良.超导屏蔽对低温绝缘超导电缆运行性状的影响[J].电线电缆,2010(1):14-18.