关于高压XLPE电缆的绝缘厚度.doc

1关于高压 XLPE 电缆的绝缘厚度摘要：就电缆绝缘厚度设计方法、XLPE 电缆绝缘减薄的技术发展作了概述针对110 kV、220 kVXLPE 电缆绝缘厚度国内外存在的差异，从工程选用到全面对待提出了建议 关键词：高压 XLPE 电缆 绝缘厚度 绝缘弱点 0 前言 高压 XLPE 电缆绝缘层的必要厚度，将是保障电缆绝缘经受各种可能过电压作用下能可靠运行的基础然而，过于保守的绝缘厚度，使电缆成本增加、电缆外径增大、电缆载流能力降低以及在限重条件下导致每盘电缆长度减少从而引起工程中电缆接头增多 在 XLPE 电缆统一标准中含有绝缘厚度的规定，从有助于技术性能完善、确保产品质量和符合使用要求等方面来看显然是有积极意义的，但在我国加入 WTO后，高压电缆的国内外产品准入市场主要以 IEC 标准作为准则在国外高压XLPE 电缆绝缘普遍较薄，而国内制造厂有能力设法改进工艺、提高质量来改善原有影响绝缘厚度因素的情况下，如果国内仍一成不变地执行原厚度标准，势必使很多企业失去参与国际公平竞争的机会为此，特撰本文提出建议，希望有助妥善解决矛盾 1 电缆绝缘厚度的设计方法 电缆绝缘层厚度△i 是基于在其预期使用寿命内能安全承受各种可能电压条件2来确定的，一般按工频电压、冲击电压二者均满足要求来计算。

我国以及日本、英国、德国和韩国等对高压单芯电缆绝缘厚度的确定[1～3] 均采用下式（1）、 （2）计算结果中择取较大值的方法 (1） △i=BIL×k1×k2×k3/ELimp （2） 式中,ELac 为符合韦伯分布的工频击穿电压（平均击穿强度）的最低值, kV/mm;ELimp 为符合韦伯分布的冲击击穿电压（平均击穿强度）的最低值，kV/mm;K1、k1 分别为工频、冲击电压相应的老化系数；K2、k2 分别为工频、冲击电压相应的温度系数；K3、k3 分别为工频、冲击电压相应的裕度系数；Um 为系统额定电压，kV；BIL 为系统雷电冲击耐压水平，kV 部分国家对 110 kV 以上 XLPE 电缆的△i 计算值、实选值及其相关参数择取值见表 1 显然，必须正确的拟定关键性参数和其他相关参数 K1～K3、k1～k3，以使△i的择取能满足长期可靠安全运行的要求 表 1 高压 XLPE 电缆△i 计算值、实选值及其相关参数择取值 Um/kV BIL//kV 国 别 △i 实选值/mm △i 计算值/mm 3ELac /kVmm-1 Limp /kVmm-1 K1 K2 K3 k1 k2 k3 工频 冲击 500 1 425 日本[2] 27 24.3 24.5 40 80 2.3 41.2 1.1 1.0 1.25 1.1 500 1 550 德国[13] 30 29.4 29.3 30 80 2.12 1.25 1.15 1.1 1.25 1.1 275 1 050 5日本[1] 27 26.9 26.7 30 60 4.0 1.1 1.1 1.1 1.25 1.1 154 750 日本[1] 23 22.8 22.8 20 50 4.0 61.1 1.1 1.1 1.25 1.1 220 1 050 中国* 27 24.6 26.5 25 60 4.0 1.1 1.1 1.1 1.25 1.1 220 1 050 7中国** 26 17.4 20.6 30 70 2.69 1.2 1.1 1.0 1.25 1.1* 郑州电缆厂；** 山东电缆厂，缆芯截面为 800 mm2。

为了有助于认识这些参数的意义，不妨通过了解日本研制 500 kV XLPE 电缆时确定△i 的做法，以资借鉴启迪 1.1 ELac、ELimp 的确定方式[1,2] 电缆的绝缘击穿分散性通常以韦伯（Weibull）分布表征，XLPE 电缆在电场强度为 E 时绝缘被击穿的概率为 （3） 式中,EL 为位置参数；E0 为尺寸参数；M 为形状参数 按电缆绝缘的体积 V 来表征 XLPE 电缆在电场强度为 E 时绝缘被击穿的概率，则式（3）可变换成 P(E)=1-exp[-kV(E-EL)m］ （4） 式中，k 为相关常数 8从数值统计意义上看，在 XLPE 电缆的电场强度为最低击穿场强 EL 值及以下时，绝缘被击穿的概率为零 1.1.1 电场强度表征值的择取[2～3] 电场强度在内半导电层处有最高场强 Emax 与平均场强 Emean 之分 Emax=U/[rln(R/r)］ Emean=U/△i 式中，R、r 为绝缘层、内半导电层的半径；U 为电压 有的国家（法国、荷兰等）用对 XLPE 电缆如充油电缆同样的方式取 Emax 表征在法国，对 400 kV XLPE 电缆，绝缘厚度按工频 Emaxac=16 kV/mm 来确定；若截面为 1 200 mm2 以下时按冲击 Emaximp=85 kV/mm 来确定；大截面则按工频最小 Emaxac=7 kV/mm 来制约绝缘厚度。

另外，由于 XLPE 电缆绝缘弱点（如杂质等）具有随机分布性，因此，电缆绝缘击穿实际不一定始于 Emax，因而认为以 Emean 表征更为合理日本、德国、英国、韩国等就采取此方式 此外，试验显示，Emax 随 d/D（d、D 为电缆绝缘的内、外径）比值变化而变化，随电缆截面增大而趋于减小，但 Emean 却不随 d/D 比值变化而异，故在 XLPE 电缆的绝缘厚度为待定对象时，择取 Emean 较简明合适 1.1.2 以包含薄绝缘层试样等测试方式确定击穿场强[2] 日本研制 500 kV XLPE 电缆时，在改善绝缘弱点（杂质、半导电层突起等）的生产工艺及其质量监控方面比以往 275 kV XLPE 电缆的制造有了明显的进步进行绝缘设计时，曾按 500 kV XLPE 电缆工艺条件制备了一批比预期绝缘厚度（25～30 mm）薄些（6、9、15 mm）的试样 （1） 以绝缘层较薄的样品进行测试取得反映绝缘特性的基础数据以绝缘厚9度为 6 mm 的样品 40 个在室温下测试其击穿场强值整理出按 F(x%)的韦伯分布曲线得到最低击穿场强 ELac=57 kV/mm、mac=1.4、Eoac=15 kV/mm，ELimp=112 kV/mm、mimp=1.8、Eoimp=35 kV/mm（电缆样品条件 d、D分别为 16.7 mm、28.7 mm）；并根据式（3）、 （4），按样品长为 10 m 的条件算出V，可求得 kac=5.273×10-9/mm3、kimp=3.885×10-9/mm3。

又对绝缘厚度分别为 6、9、15 mm 的 3 类样品分别测试其击穿场强值，察明△i 影响 Emean 的变化情况，结果归纳出测试值的关系式有： ELac(△i)=78△i-0.18 （5） ELimp(△i)=155△i-0.18 （6） (2) 按 500 kV XLPE 电缆实际尺寸（△i 为 27～30 mm，截面为2 500 mm2，d、D 分别为 61.2、120.2 mm，长为 20 m）算出此时的 V 值由式（3）、 （4）可推算出此时的 Eoac=1.1 kV/mm、Eoimp=4.7 kV/mm当△i 为 27 mm时，由式（5）、 （6）有 ELac=43.1 kV/mm、ELimp=85.6 kV/mm；若取△i 为 30 mm时，ELac=42.2 kV/mm、ELimp=84 kV/mm实际择取ELac=40 kV/mm、ELimp=80 kV/mm，见表 1 中所列 （3）对 500 kV XLPE 试制电缆的设计电场强度进行验证试验施加电压应不小于式（1）、 （2）分子项Uac=550K1K2K3/=970 kV；Uimp=1 425k1k2k3=1 960 kV。

实际上，△i 按击穿概率 63.2%相当的电压运用上述(2)中所示数据，由式（3）算出 Fac（63.2%）=44.2 kV/mm，施加的工频电压应为 1 195（44.2× 27）kV；Fimp（63.2%）=90.3 kV/mm，施加的冲击电压应为 2 440（90.3×27）kV 由试验结果,击穿概率均小于 63.2%获验证 1.2 其他参数确定方式 1.2.1 老化系数 (1) 工频老化系数 K1XLPE 电缆长期运行的老化特性通常以下列关系式表10达 Ent=常数 （7） 式中，E 为击穿电压；t 为击穿时间；n 为寿命指数 电缆的工频老化系数 K1 可按电缆有效使用寿命（年）与施加 EL 的时间（1 h）之比并引入 n 求得 (8) 60 年代，国际大电网会议（CIGRE）有 Kreuger、Oudin 先后就 XLPE 电缆基于抽样存在微孔的长期试验，提出 n 应取 9 较安全[2,4]若按使用寿命为 30 年，则K1=4日本等国家以往多按此方法设计[1] 90 年代初，日本的研究进展对 n 值进行了重新评估，认为长期运行中电缆处于较低场强范围，可允许 n 值达到 20 左右；随着工艺进步，已不存在影响绝缘特性的微孔；还查明 XLPE 绝缘交联时残存的微小水分（约 100μL/L）不影响老化特性。

通过约 1 年的施加电压下老化特性试验，证实 n＞15 可行因此，对 500 kV XLPE 电缆的设计开始采取 n=15[2,4] 超高压 XLPE 电缆设计中，韩国、英国现也取 n=15，但英国对含有电缆附件的情况取 n=12而德国在已取 n=12 基础上，对 500 kV XLPE 电缆确定 n=17，并依照使用寿命为 40 年计算[3] （2） 冲击老化系数 k1考虑到雷电过电压重复作用引起的老化，一般取k1=1.1但日本在进行 500 kV XLPE 电缆设计时，既分析了以往计入一些影响k1 的因素不需考虑，又进行了反复冲击以及工频叠加冲击等试验，得出完全不需计入冲击老化系数的结论即取 k1=1 1.2.2 温度系数 K2、k2 考虑电缆运行温度比室温高，而绝缘击穿电压在高温下比常温时低，通常计入温度系数 K2 一般不小于 1.1，k2 一般不小于 1.25日本曾对 6 mm 厚 XLPE 绝缘电缆在室温与高温下测试其工频击穿电压值的11差异性，得到 90 ℃与室温，K2 达 1.17；230℃与室温，K2 为 1.2因此，500 kV XLPE 电缆设计取 K2=1.2[2]。

日本 90 年代报导 XLPE 电缆室温与 90℃下击穿电压差别，所显示的温度系数与绝缘厚度有关系如△i 为 6～7 mm 时，K2=1.05；△i 为 19～27 mm 时，K2=1.12又△i 分别为 2.5、9、13 mm 时，K2 相应为 1.33、1.17、1.29[4] 因此，现行 K2、k2 的择取值或许并非最恰当，适当提高些将有利于安全 1.2.3 裕度系数 一般多取 1.1德国对新开发的 500 kV XLPE 电缆取 K3=1.15，或许有其偏安全的考虑 1.3 电缆绝缘设计关于可靠性的考虑[3] 除上述绝缘设计按初期击穿场强的击穿概率为零的方法外，法国在式（3）中计入电缆长度（体积）这一要素，即按实际电缆事故概率值是否合乎预期要求来判断他载于法国 150～5 00 kV 交联聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯绝缘电缆标准 HN33-S-55 中 表 2 日本 22～77 kV XLPE 电缆绝缘厚度年度变化[4]2 XLPE 电缆绝缘减薄的技术发展2.1 日本 XLPE 电缆绝缘减薄进程概况XLPE 电缆问世以后，通过长期实践和深化认识，随着不断改进制造技术与工艺、改善构造方式的努力，多年来日本 XLPE 电缆经历了分阶段减薄绝缘厚度的发展变化，变化情况见表 2、表 3。

由表 2、表 3 可见： 12（1）各电压等级 XLPE 电缆都在不同程度上体现有绝缘层减薄的变化经历一段时期减薄前后二种绝缘厚度产品的并存，意味着在这一时期有部分厂家、部分电缆的。