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XLPE電纜絕緣厚度
 

摘要：就電纜絕緣厚度設(shè)計(jì)方法、XLPE電纜絕緣減薄的技術(shù)發(fā)展作了概述。針對110kV、220kV國內(nèi)外存在的差異，從工程選用到全面對待提出了建議。

關(guān)鍵詞：高壓XLPE電纜 絕緣厚度 絕緣弱點(diǎn)

前言

　　高壓XLPE電纜絕緣層的必要厚度，將是保障電纜絕緣經(jīng)受各種可能過電壓作用下能可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。然而，過于保守的絕緣厚度，使電纜成本增加、電纜外徑增大、電纜載流能力降低以及在限重條件下導(dǎo)致每盤電纜長度減少從而引起工程中電纜接頭增多。　

　　在XLPE電纜統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中含有絕緣厚度的規(guī)定，從有助于技術(shù)性能完善、確保產(chǎn)品質(zhì)量和符合使用要求等方面來看顯然是有積極意義的，但在我國加入WTO后，高壓電纜的國內(nèi)外產(chǎn)品準(zhǔn)入市場主要以IEC標(biāo)準(zhǔn)作為準(zhǔn)則。在國外高壓XLPE電纜絕緣普遍較薄，而國內(nèi)制造廠有能力設(shè)法改進(jìn)工藝、提高質(zhì)量來改善原有影響絕緣厚度因素的情況下，如果國內(nèi)仍一成不變地執(zhí)行原厚度標(biāo)準(zhǔn)，勢必使很多企業(yè)失去參與公平競爭的機(jī)會。為此，特撰本文提出建議，希望有助妥善解決矛盾。　

1　電纜絕緣厚度的設(shè)計(jì)方法　

　　電纜絕緣層厚度△i是基于在其預(yù)期使用壽命內(nèi)能安全承受各種可能電壓條件來確定的，一般按工頻電壓、沖擊電壓二者均滿足要求來計(jì)算。我國以及日本、英國、德國和韓國等對高壓單芯電纜絕緣厚度的確定[1～3]均采用下式（1）、（2）計(jì)算結(jié)果中擇取較大值的方法。　

　　
　　△i=BIL×k1×k2×k3/ELimp　（2）
　　式中,ELac為符合韋伯分布的工頻擊穿電壓（平均擊穿強(qiáng)度）的zui低值, kV/mm;ELimp為符合韋伯分布的沖擊擊穿電壓（平均擊穿強(qiáng)度）的zui低值，kV/mm;K1、k1分別為工頻、沖擊電壓相應(yīng)的老化系數(shù)；K2、k2分別為工頻、沖擊電壓相應(yīng)的溫度系數(shù)；K3、k3分別為工頻、沖擊電壓相應(yīng)的裕度系數(shù)；Um為系統(tǒng)額定電壓，kV；BIL為系統(tǒng)雷電沖擊耐壓水平，kV。
　　部分國家對110kV以上XLPE電纜的△i計(jì)算值、實(shí)選值及其相關(guān)參數(shù)擇取值見表1。
　　顯然，必須正確的擬定關(guān)鍵性參數(shù)和其他相關(guān)參數(shù)K1～K3、k1～k3，以使△i的擇取能滿足長期可靠安全運(yùn)行的要求。

表1　高壓XLPE電纜△i計(jì)算值、實(shí)選值及其相關(guān)參數(shù)擇取值

　　為了有助于認(rèn)識這些參數(shù)的意義，不妨通過了解日本研制500kV XLPE電纜時確定△i的做法，以資借鑒啟迪。
1.1　ELac、ELimp的確定方式[1,2]
　　電纜的絕緣擊穿分散性通常以韋伯（Weibull）分布表征，XLPE電纜在電場強(qiáng)度為E時絕緣被擊穿的概率為

　　　　　　（3）

　　
式中,EL為位置參數(shù)；E0為尺寸參數(shù)；M為形狀參數(shù)。
　　按電纜絕緣的體積V來表征XLPE電纜在電場強(qiáng)度為E時絕緣被擊穿的概率，則式（3）可變換成
　　P(E)=1-exp[-k?V(E-EL)m］　　（4）　　
式中，k為相關(guān)常數(shù)。
　　從數(shù)值統(tǒng)計(jì)意義上看，在XLPE電纜的電場強(qiáng)度為zui低擊穿場強(qiáng)EL值及以下時，絕緣被擊穿的概率為零。
1.1.1　電場強(qiáng)度表征值的擇取[2～3]。
　　電場強(qiáng)度在內(nèi)半導(dǎo)電層處有zui高場強(qiáng)Emax與平均場強(qiáng)Emean之分。　　
　　　Emax=U/[rln(R/r)］
　　　Emean=U/△i
式中，R、r為絕緣層、內(nèi)半導(dǎo)電層的半徑；U為電壓。
　　有的國家（法國、荷蘭等）用對XLPE電纜如充油電纜同樣的方式取Emax表征。在法國，對400kV XLPE電纜，絕緣厚度按工頻Emaxac=16kV/mm來確定；若截面為1200mm2以下時按沖擊Emaximp=85kV/mm來確定；大截面則按工頻zui小Emaxac=7kV/mm來制約絕緣厚度。
　　另外，由于XLPE電纜絕緣弱點(diǎn)（如雜質(zhì)等）具有隨機(jī)分布性，因此，電纜絕緣擊穿實(shí)際不一定始于Emax，因而認(rèn)為以Emean表征更為合理。日本、德國、英國、韓國等就采取此方式。
　　此外，試驗(yàn)顯示，Emax隨d/D（d、D為電纜絕緣的內(nèi)、外徑）比值變化而變化，隨電纜截面增大而趨于減小，但Emean卻不隨d/D比值變化而異，故在XLPE電纜的絕緣厚度為待定對象時，擇取Emean較簡明合適。
1.1.2　以包含薄絕緣層試樣等測試方式確定擊穿場強(qiáng)[2]　　　　
　　日本研制500kV XLPE電纜時，在改善絕緣弱點(diǎn)（雜質(zhì)、半導(dǎo)電層突起等）的生產(chǎn)工藝及其質(zhì)量監(jiān)控方面比以往275kV XLPE電纜的制造有了明顯的進(jìn)步。進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時，曾按500kV XLPE電纜工藝條件制備了一批比預(yù)期絕緣厚度（25～30mm）薄些（6、9、15mm）的試樣。
　　（1）以絕緣層較薄的樣品進(jìn)行測試取得反映絕緣特性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以絕緣厚度為6mm的樣品40個在室溫下測試其擊穿場強(qiáng)值整理出按F(x%)的韋伯分布曲線。得到zui低擊穿場強(qiáng)ELac=57kV/mm、mac=1.4、Eoac=15 kV/mm，ELimp=112kV/mm、mimp=1.8、Eoimp=35kV/mm（電纜樣品條件d、D分別為16.7mm、28.7mm）；并根據(jù)式（3）、（4），按樣品長為10 m的條件算出V，可求得kac=5.273×10-9/mm3、kimp=3.885×10-9/mm3。
  　又對絕緣厚度分別為6、9、15mm的3類樣品分別測試其擊穿場強(qiáng)值，察明△i影響Emean的變化情況，結(jié)果歸納出測試值的關(guān)系式有：
　　ELac(△i)=78△i-0.18  （5）
　　ELimp(△i)=155△i-0.18（6）　　
　　(2) 按500kV XLPE電纜實(shí)際尺寸（△i為27～30mm，截面為2500mm2，d、D分別為61.2、120.2 mm，長為20m）算出此時的V值。由式（3）、（4）可推算出此時的Eoac=1.1kV/mm、Eoimp=4.7kV/mm。當(dāng)△i為27mm時，由式（5）、（6）有ELac=43.1kV/mm、ELimp=85.6kV/mm；若取△i為30mm時，ELac=42.2kV/mm、ELimp=84kV/mm。實(shí)際擇取ELac=40kV/mm、ELimp=80kV/mm，見表1中所列。
　　（3）對500kV XLPE試制電纜的設(shè)計(jì)電場強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。施加電壓應(yīng)不小于式（1）、（2）分子項(xiàng)

110kV及以上現(xiàn)狀述評
　　　　
　　國內(nèi)外110kV及以上概況見表4。
　　由表4可見，我國110、220kV電纜絕緣厚度比世界上有些國家同類電壓等級的厚。現(xiàn)就如何認(rèn)識和對待該問題提出分析與建議。

    表4　各國110～500kV [3]        mm

　　* 按GB 11017—89，纜芯截面為240、300、400、500、630、800mm2及以上時，絕緣厚度相應(yīng)為19、18.5、17.5、17、16.5、16 mm。
　　** 按CSBTS/TC213-01-1999，纜芯截面為400和500、630、800、1 000mm2及以上時，絕緣厚度相應(yīng)為27、26、25、24mm。
　　（1）我國在制訂的統(tǒng)一電纜標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了絕緣厚度，這對各廠初期產(chǎn)品的規(guī)范化具有積極意義，且其指標(biāo)制訂當(dāng)時不失先進(jìn)性。如對比美國愛迪生照明公司聯(lián)合會（AEIC）制訂電纜技術(shù)條件同類標(biāo)準(zhǔn)[6]，110kV 我國比美國薄，沒有其保守。　　
　　（2） 往往受雷電沖擊耐壓水平（BIL）制約，同一額定電壓級的BIL在我國與其他國家并非都等同。如我國220kV與日本275kV的BIL一樣，意味著同一額定電壓的BIL我國較高，相應(yīng)絕緣較厚，選用國外產(chǎn)品應(yīng)注意。
　　（3） 從動態(tài)發(fā)展觀點(diǎn)看，電纜絕緣厚度并非一成不變。有持此觀點(diǎn)的國內(nèi)專業(yè)人士指出，按我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的110kV 可以在絕緣安全裕度范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)販p薄[7]。鑒于我國標(biāo)準(zhǔn)修訂的時間往往間隔過長，常滯后于技術(shù)發(fā)展水平。如果機(jī)械性地以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)制約電纜絕緣厚度，客觀上不利于國內(nèi)電纜制造企業(yè)參與市場公平競爭；反過來，缺乏市場從而難獲效益的企業(yè)，由于實(shí)現(xiàn)制造工藝技術(shù)進(jìn)步的資金難以為繼，將更無條件改變技術(shù)落后的局面。
　　（4）客觀形勢的發(fā)展需要絕緣層盡可能薄的電纜。電纜絕緣層減薄不僅可降低電纜造價，同時還可提高載流能力、增加每盤電纜的容許長度并減少接頭，從而帶來提高運(yùn)行可靠性、減少工程投資等綜合效益，為此，① 在工程訂貨技術(shù)條件制訂時，對國內(nèi)外電纜均應(yīng)遵循IEC 60840等標(biāo)準(zhǔn)，同時，除了要強(qiáng)調(diào)滿足我國系統(tǒng)的BIL水平外，不必硬性規(guī)定國產(chǎn)電纜絕緣厚度，宜以較變通措詞不限制廠家實(shí)施工藝改進(jìn)、減薄絕緣厚度的積極性。如此，將有助推動技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)的局面。② 借鑒日本減薄絕緣厚度技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，鼓勵有條件的企業(yè)通過制造工藝革新以改善絕緣性能；開展必要的試驗(yàn)，提出減薄絕緣的分析論證，并用通過預(yù)鑒定試驗(yàn)方式佐證。如110kV等級電纜，除按20次熱循環(huán)試驗(yàn)的國標(biāo)要求外，也可考慮適當(dāng)延長但應(yīng)短于220 kV的預(yù)鑒定試驗(yàn)時間（如90個周期）。總之，在不以標(biāo)準(zhǔn)限定的同時，明確以含有試驗(yàn)分析的驗(yàn)證方式來要求較妥善。