1 引 言
当今国内、外市场上高压交联电缆附件品种繁多,结构都不相同,各有特点。用户的正确选型不仅影响电缆工程的施工和投资,也直接影响电缆系统的安全运行和使用寿命。对电缆附件制造厂商而言,把握好产品方向,给用户最理想的产品,也是一个重大课题。
本文对当今110kV及以上电压等级的交联电缆附件的结构特点及生产、安装和使用中应注意的问题进行了分析,对涉及高压交联电缆终端的结构选型方面的一些问题进行探讨并提出对产品品质的评判的原则,供设计、制造、安装、运行等部门参考。
2 高压交联电缆附件的现状
国内新建设的高压电缆工程,大多是采用预制型电缆附件。预制型电缆终端的种类很多,以下对国内外流行的主要类型及其结构特点进行评析。
传统的预制型终端的内绝缘采用预制应力锥控制电场,外绝缘是瓷套管(或环氧树脂套管)。套管与应力锥之间一般都充以硅油或者聚丁烯、聚异丁烯之类的绝缘油。出厂时,制造厂提供的是橡胶预制应力锥、瓷套、绝缘油等零部件,在现场安装时再装配成终端。现代预制型终端有三种基本结构[1]。
(1)将橡胶预制应力锥机械扩张后套在电缆绝缘上。这种结构的特点是应力锥直接套在电缆绝缘上,依靠应力锥材料自身的弹性保持应力锥与电缆绝缘之间界面上的应力和电气强度。欧美一些国家的电缆制造厂商,如我国用户熟悉的瑞士Brugg,意大利Pirelli,法国Nexans,德国Siemens等公司以及我国沈阳电缆厂、上海三原电缆附件公司、北京国电四维电力技术公司都有这种结构的产品。图1所示的国产户外终端产品是这种结构的典型。它的外绝缘是瓷套(GIS终端一般用环氧树脂套管)。内绝缘是一个合成橡胶(硅橡胶或乙丙橡胶)预模制应力锥,瓷套(或环氧树脂套管)内注入合成绝缘油。
显然,这种结构简单。但是存在两个令人关心的技术问题:1)合成橡胶应力锥与浸渍油的相容性;2)在高电场和热场作用下,预模制的橡胶应力锥老化会引起界面压的变化(松弛),从而降低电气强度。以上两个问题实际上就是一个材料问题。合适的材料既可以使合成橡胶与浸渍油相容,又可以确保良好的老化性能。上述欧美国家的电缆制造厂商大量产品的长期安全运行经验可以证明这一点。
(2)采用弹簧压紧装置。这种结构的结构特点是在应力锥上增加一套机械弹簧装置以保持应力锥与电缆之间界面上的应力恒定(如图2所示),辅以对付在高电场和热场作用下,橡胶应力锥老化后可能会引起的界面压力的变化(松弛)。这种结构还有一个很重要的特点,从图2可以看到它的橡胶应力锥与浸渍油基本隔离,从而消除了应力锥材料溶涨的可能性。
图2所示的在应力锥上增加弹簧装置的结构在设计上似乎更周全些。但是,结构复杂了,对制造和现场安装的要求都提高了,现场安装的时间也增加。
(3)采用一种非橡胶应力锥,在设计上它既能提供可靠的应力控制又能避开应力锥与电缆绝缘直接接触。典型的结构是美国G&W公司设计的产品,在我国已经有不少用户。图3示出这种结构的138kV交联电缆户外终端和GIS终端的结构示意。它在工厂内已经把主要的零部件:瓷套管、应力锥(成型铝合金喷镀环氧树脂)、顶盖、底盘和油压调整装置等都装配好,并且充满绝缘油。安装时,当把电缆端部准备好后,把预制终端套入电缆即可。从使用角度来看,这种结构可以允许配套电缆有较大的直径和偏心度的制造公差。
图3 138kV交联电缆户外终端结构示意(应力锥民电缆绝缘不直接接触)
1—导体引出杆 2—屏蔽罩 3—密封环 4—绝缘油补偿装置 5—电缆绝缘 6—绝缘油 7—瓷套管 8—应力锥 9—密封环 10—支持绝缘子 11—尾管 12—环氧树脂套管 13—铝外壳 14—阀门 15—接地环
上述三种结构各有所长,均达到了实用化水平,都已经有比较成熟的使用经验。
GIS终端和变压器终端的基本结构与各公司的户外终端相似。由于GIS是在全封闭环境下运行,可以免受大气条件和污秽的影响,加上SF6气体的良好绝缘特性,所以GIS终端的外绝缘采用环氧树脂套管,其尺寸比户外终端瓷套小得多。它的内绝缘用的应力锥和绝缘油与户外终端相似。
在图1和图3的GIS电缆终端的环氧树脂套管内充有绝缘油,称为湿式(或充油式)GIS电缆终端。图2的GIS终端内,不灌注绝缘油,称干式GIS电缆终端。
为了规范GIS电缆终端与GIS开关设备的具体配合尺寸和明确电缆制造厂与开关制造厂的各自供货的范围,国际电工委员会制定了IEC859标准。因此,按照IEC859标准设计制造的GIS电缆终端都可以安装在任何厂商制造的标准型GIS设备上。
IEC859标准的最早版本是1986年颁布的,当时规定GIS电缆终端,不分湿式或干式,在电缆仓内的高度Ls是相同的。例如,110kVGIS电缆终端的Ls=757±1mm。之后该标准又几经修改,1999年颁布的最新版本IEC60859-1999明确了GIS电缆终端分为湿式和干式两种类型,110kV湿式GIS电缆终端的Ls仍为757±1mm。而110kV干式GIS电缆终端的Ls为470±1mm。
变压器终端的基本结构与GIS终端的基本结构十分相似,但是变压器油与SF6气体的电容率(介电常数)不同,因而整个终端的电场分布也不完全相同。另外,变压器油的击穿强度也较SF6气体低。事实上,大多数制造厂采用的是改变变压器终端套管高压屏蔽罩的形状调整电场分布,达到尽可能使变压器终端与GIS终端相同的结构。
随着硅橡胶在电气绝缘领域成功的使用,人们开始把硅橡胶的应用拓展到电缆终端的外绝缘领域。首先人们采用硅橡胶复合套管代替瓷套作为户外终端的外绝缘。复合套管重量轻,有优良的防爆性,保证了周围的人员和设备的安全。因此,它的出现受到普遍地关注,特别是使用在人口或设备密集地点。
上世纪90年代末,一种新型的全预制干式合成绝缘户外电缆终端问世。瑞士Nexans公司开发的的结构如图4所示。不久,国内的长沙电缆附件公司和广东长园电缆附件公司相继开发成功类似的产品。这种新型的户外终端是集应力锥、伞裙和绝缘层于一体,成为一个整体预制件。这种结构极大地简化了终端的安装工序,即在通常处理完电缆并压接好接线杆后,将整个终端预制件套入电缆的绝缘上即成。
图4 123kV全干式软性合成绝缘户外终端结构示意(瑞士Nexans公司)
1—硅橡胶预制件(应力锥、伞裙和绝缘层成一体) 2—顶帽(屏蔽罩) 3—导体引出杆 4—泄漏电流收集环 5—接地极
北京国电四维电力技术公司开发的干式合成绝缘户外电缆终端是用一个电容锥控制终端的电场,如图5所示。从原理上讲,电容锥控制电场的效果优于应力锥,但制造上比较麻烦。110kV电压等级的电缆终端用应力锥已足可以有效控制电场,国外一般在275kV以上才使用电容锥式电缆终端。国内,在110kV电压等级的充油电缆系统中使用过电容锥式电缆终端,取得令人满意的效果。
3 关于选型的若干问题
初入高压电缆附件领域的用户,选型时容易进入追求“新潮”的误区,认为新开发的产品一定比老产品好。其实不然。在上述图1～图5各类电缆终端中,每种结构都具有一系列优点,但也存在一些弱点。而且,某个结构的某个特点,在某种使用场合下是优点,在另一种使用场合也许成为不希望存在的缺点。以下仅举两个例子作为说明。
3.1硅橡胶复合套管和瓷套的选择
图1、图2和图3的各类终端都可以用硅橡胶复合套管代替瓷套作为户外终端的外绝缘,制造厂也作出明码标价提供给用户选择。
图5 126kV全干式电容锥户外终端结构示意(北京国电四维电力技术有限公司)
复合套管重量轻,方便了运输和现场安装。与瓷套相比,复合套管的最大优点是有优良的防爆性能。终端内绝缘发生击穿时,终端内部压力剧增,甚至使瓷套爆炸。瓷套是脆性材料,爆炸后的碎片会殃及周边其它电气设备和人员安全。这种事故确曾发生过多起。柔性的复合绝缘材料正好能克服瓷套的这一弱点,保证了周围的人员和设备的安全。这是硅橡胶复合套管突出的优点。
然而,硅橡胶复合套管是有机复合材料,它的稳定性比无机材料的瓷套差。由于复合套管投运时间还不长,这一点尚未积累足够的、运行令人信服的资料。我们可以参考材质与之类同的线路绝缘子运行经验。
我国输变电设备己成功地使用了约200万支复合绝缘子。十几年的运行经验证明,硅橡胶复合绝缘材料的机械特性、电气性能和稳定特性等均能满足运行要求。今后,在我国输变电设备中还会得到大量使用复合绝缘材料作为外绝缘材料。但是,根据线路绝缘子的运行经验,复合绝缘子在运行一定年限后会出现憎水性、机械特性和电气性能下降,密封劣化等现象[2]。文献[3]对全国各地区已运行1～11年的不同电压等级的复合绝缘子进行调查,发现不少绝缘子的表面憎水性减弱,伞套材料脆化、硬化、粉化、开裂,伞裙材料起痕、树脂状通道、损蚀,伞裙变形严重。不同地区劣化程度不一样。文献[3]认为:这说明大气条件对复合绝缘子的劣化有较大影响。另一方面,文中也指出,相同运行条件下,不同制造厂的产品的劣化程度也不一样。
根据文献[2]、[3]提供的研究结果,没有理由不相信这样的事实:硅橡胶复合套管的长期老化性能比不上瓷套,后者在输变电行业已成功地使用了百余年的历史,足以证明它的可靠性——电气性能、机械强度及耐气侯性能都十分稳定。因此,至少目前不会存在硅橡胶复合套管淘汰瓷套的可能。欧洲和日本等一些国家,虽然对硅橡胶复合套管作了许多研究工作,而且也有不少数量出口,但是他们在国内对硅橡胶复合套管的选用还是十分谨慎的,多数情况下还是采用瓷套管。
笔者认为,正确的选择应根据实际的使用条件确定,比如在大城市人口和设备密集地区,硅橡胶复合套管的防爆性凸现了重要性;相反,在一些气候条件恶劣的地区,选用瓷套也许更合适,因为终端爆炸的几率毕竟很小。
3.2全预制干式合成绝缘户外终端和传统预制式终端的选择
全预制干式合成绝缘户外终端的结构简单、重量轻,特别是现场安装十分方便。由于终端内不存在绝缘油和气,彻底消除了油、气泄漏的可能,给用户一种没有隐患的安全感。柔性的结构又允许它以横、竖或任何方向安装使用。
图4、图5所示的全预制干式合成绝缘户外终端都通过了严格的鉴定试验,并且也安全地运行了一定时间,已经证明了这种类型的终端能满足运行要求。今后,在我国110kV电压等级的电缆系统中还会继续得到使用。但这并不是证明它是完美无缺的结构,或者有可能淘汰传统预制式终端结构。
除了存在在上一个例子中讨论到的有机复合材料作外绝缘的一些缺点外,还有一个令人关注的电场问题。
图6 110kV户外终端电场分布(等位线)计算结果1—屏蔽罩 2—电缆绝缘 3—绝缘油 4—橡胶应力锥绝缘5—橡胶应力锥的导电体 6—瓷套管
图6示出图1的传统预制式户外终端电场分布的计算结果。从图中不难看出,应力锥附近的等位线最密集是电缆终端电场最集中的部位。众所周知,绝缘界面的绝缘强度比绝缘材料本体低。因此,在设计终端内绝缘时,设计者总是尽可能地把绝缘界面处置在电场分布相对比较均匀和电场强度相对较弱的地方。
先看传统预制式户外终端(图6),应力锥附近有这样几个绝缘界面(由中心向外周):①应力锥的橡胶绝缘与绝缘油;②绝缘油与瓷套内壁;③瓷套外壁与大气。其中,界面①,即应力锥的橡胶绝缘与绝缘油的界面等位线最密集,说明这里电场最集中。然而,应力锥的橡胶与绝缘油的界面电气强度还是比较高的,而且也很稳定。界面的电气强度最低的部位是界面③瓷套外壁与大气,而且受污秽、水分、紫外线等大气条件的影响,绝缘强度不稳定。但是这里的等位线密度比界面①疏松得多,也即电场强度弱得多。因此,整个终端的电场分布十分合理,电场集中的部位用高强度介质(包括界面),介质强度差的部位,电场强度不高。
回过来看图4的全预制干式户外终端。笔者没有获得图4的设计资料,不可能做出像图6那样定量的电场分布计算结果。定性地分析,图4的全预制干式户外终端应力锥橡胶的沿面上的电场分布应该与图6的计算结果接近。事实上,设计者为了降低这部分的场强,调整了应力锥形状和增加了应力锥的尺寸(主要是绝缘橡胶的厚度),但是这些都不会大幅度降低该处电场分布。应力锥的橡胶界面还是处于高场强下。必须注意,这种结构的应力锥表面是直接暴露在大气中,不仅界面的绝缘强度低而且直接受污秽、水分、紫外线等大气条件的影响,绝缘强度不稳定。可以推断,特别是在重污秽地区或紫外线强烈的南方,长时间老化之后,绝缘性能会有所下降。
从上述两个分析例子可以看到,众多类型的电缆附件,各有所长,很难确定哪一种最佳或哪一种最差,这也是这些电缆附件能在近十多年时间里并存发展的原因。电缆附件的选型应该根据实际使用要求决定,不必盲目追求“新潮”,适用才是最好。
初入高压电缆附件领域的用户,选型时容易把安装施工的方便性置于太重要的位子。高压电缆附件有一个特点。制造厂在出厂时提供的是橡胶预制应力锥、瓷套、绝缘油等零部件,在现场安装后才成为成品——完整的、保证质量的附件产品。因此,安装施工确实是整个产品质量的十分重要的部分。可以这么说,同一套产品,不同水平的施工人员安装的结果,产品的水平也不一样。
好的安装工艺对现场环境要求和对操作工人技术水平要求相对比较低,安装质量容易控制,产品质量容易保障。
严格讲,高压电缆附件的安装是制造厂工作的一部分,而不是用户的工作。对用户来说,重要的是安装后的附件产品的可靠性。
可靠性永远是电缆工程的第一重要的考虑因素。在可靠性的基础上才谈得上安装施工的方便性和价格的贵贱,否则得到的将是最大的麻烦和最昂贵的代价。当然,确保所选附件的可靠性,除了正确选型外,还有涉及生产制造、施工安装和试验验收等一系列问题。
安装工艺简便与否确实是电缆附件选型的一个重要的条件,但是没有必要把安装施工的方便性置于太重要的位子。
4 高压电缆附件品质评判
评判电缆附件品质的因素是多元的,原则上有以下各几个方面:
(1)电气性能。电气性能的好坏是评判电缆附件品质的首要原则。主要考虑电缆附件的电场分布是否合理,改善电场分布的措施是否恰当,材料的电气强度、介质损耗和产品的绝缘裕度等。
同时,还须考虑电性能的稳定性,包括电缆附件材料的化学、物理性能和结构的稳定性等,例如应力控制材料性能是否稳定,应力锥是否易变形,电缆绝缘回缩对电缆附件的电场分布的影响及防止措施,各种材料结合的相容性,结合界面性能的稳定性等。
此外,还应考虑电缆附件的热性能,如介质损耗、导体连接的接触电阻及其稳定性、热量的传导释放、热胀冷缩对各部件电性能和机械性能的影响等。
(2)密封性能。密封防潮性能直接影响电缆附件的电气性能和使用寿命。终端的密封结构是否可靠、稳定。一般来说,中间接头也应有一个与之相匹配金属防潮外壳,特别是直埋或使用在潮湿环境中。
(3)机械性能。终端应该有足够的抗弯、防震的能力。中间接头应能承受一定的拉力和防止外力损伤的措施。
(4)工艺性能。工艺性能是电缆附件设计和选型的一个重要的条件,安装工艺应尽量简单,便于现场施工,工期短;对现场环境要求和对工人技术水平要求不高;安装质量容易控制,质量可靠等。
(5)制造厂商的质量保证体系。预制型电缆附件出厂时,制造厂提供的是橡胶预制件、预制应力锥、瓷套、外壳、浸渍剂等零部件,在现场安装时再装配成整体终端或接头,因此,每一个零部件的制造质量和安装工艺好坏都与产品的最终质量直接相关。这套质量保证程序至少应包括以下内容:
1)出厂时,应该严格对关键零部件(例如,橡胶应力锥、GIS的环氧树脂套管、浸渍剂、中间接头的预制件等)进行出厂试验。仔细检查试验和测量设备是否可靠,试验方法是否有效、试验人员是否训练有素和试验记录是否齐全;
2)制造厂派遣的安装和施工人员是否受到严格培训和有足够施工经验;
3)制造厂不同部门之间的协调是否良好;4)以往的销售和运行记录。
5 结束语
当今国内、外市场上高压交联电缆附件品种繁多,结构都不相同。众多类型的电缆附件,各有特点。很难确定哪一种最佳或哪一种最差,这也是这些电缆附件能在近十多年时间里并存发展的原因。用户的正确选型不仅影响电缆工程的施工和投资,也直接影响电缆系统的安全运行和使用寿命。电缆附件的选型应该根据实际使用要求决定,不必盲目追求“新潮”,适用才是最好。
可靠性永远是电缆工程的第一重要的考虑因素。在可靠性的基础上再谈得上安装施工的方便性和价格的贵贱,否则得到的将是最大的麻烦和最昂贵的代价。
高压电缆附件的可靠性可以从电气性能、密封防潮性能、机械性能和工艺性能等方面进行评判。制造厂商的生产管理也直接影响电缆附件的总体质量。因此,制造厂商的质量保证体系也是评判电缆附件品质的重要原则。
