开发超高压电缆附件有潜力
目前,我国有高、中压交联电缆生产流水线近百条,比十年前增加了3倍。其中,引进国外成套交联电缆生产线约60多条,而且绝大部分是国外同一公司不同年代的产品。交联电缆制造技术有了长足发展,但是电缆附件发展相对滞后。国内能够制造110KV、220KV高压电缆附件(终端和中间接头)的企业凤毛麟角,附件技术的落后现状已严重制约高压电缆推广应用。这希望引起广大电线电缆厂家的注意。高压电力电缆的发展必然带动电力电缆附件的配套发展,这是国内需求的必然结果。电缆附件的品种较多,有户外终端、户内GIS终端、变压器油浸终端、普通连接盒、绝缘连接盒、交叉换位箱、接地箱等。终端制造难度大,高新技术含量比电缆本体要高得多,因为电缆整个运行系统中这一部分是个薄弱环节,对其设计制造时要极重视接头部分的电场分布、温度分布、压力分布,绝对消除气隙,模具设计极复杂,材料配方应用也有难度。国外著名厂家如ABB、BICC、ALCTEL、PIERELLI、古河、住友等在附件设计制造方面处于国际领先地位,但他们的产品仅随同电缆本体一起配套供应,并不单独出售。因而必须引进高压XLPE电力电缆附件生产设备及海缆软接头技术等。
现在,我国不少电缆公司说能够制造110~220kV、甚至500kV超高压交联电缆,但是有胆量说能制造超高压交联电缆附件的公司极少见。我国各地高压和超高压低下输电线路中使用的交联电缆附件,还是从外国进口,这与我国投入巨大力量开发超高压交联电缆的步伐很不协调。我国已在普及使用110kV交联电缆,220kV交联电缆已经国产化,50kkV交联电缆已经制造出成功的样品,并通过了鉴定,可是我们的电缆附件国产化还有时日。因此,研制超高压交联电缆附件是我国电缆行业自主技术开发创新任务的当务之急。
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)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。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)内注人合成绝缘油。
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,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,日本和韩国的电缆制造厂商采用了这种结构。我国湖南省长沙电缆附件公司的产品也是这种结构。
(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。它在工厂内已经把主要的零部件:资套管、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,把预制终端套人电缆即可。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。
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。
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,110 kV GIS电缆终端的Ls=757±lmm。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,110 kV湿式GIS电缆终端的Ls仍为757±1mm。而110 kV干式GIS电缆终端的Ls为470±lmm。
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。不久,国内的长沙电缆附件公司和广东长国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人电缆的绝缘上即成。
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。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。110 kV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 275 kV以上才使用电容锥式电缆终端。国内,在 110 kV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。
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:
l)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。
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。
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