高壓XLPE電纜戶外終端中絕緣油填充高度的研究

周長城， 趙海軍， 徐 健

（1.沈陽古河電纜有限公司，遼寧 沈陽110115；2.遠東控股集團有限公司，江蘇 宜興214200）

0 引 言

電纜戶外終端安裝在電纜線路末端以連接電纜本體和其他電力設(shè)備，是高壓及超高壓電纜投入電網(wǎng)運行時必不可少的附件，而在電力系統(tǒng)的安全運行中，電纜戶外終端是比較薄弱的環(huán)節(jié)［1?5］，經(jīng)常發(fā)生故障。

目前，國內(nèi)對絕緣油的研究多集中在戶外終端運行過程中絕緣油滲漏：絕緣油與密封絕緣帶接觸后絕緣帶溶脹導(dǎo)致密封失效發(fā)生滲漏油［6?7］；液體絕緣油發(fā)生滲漏后會改變終端內(nèi)電場分布，造成電纜內(nèi)絕緣爬電距離變化，最終導(dǎo)致?lián)舸??9］。對于戶外終端內(nèi)絕緣油填充高度的研究較少，本工作對戶外終端內(nèi)絕緣油與絕緣帶的相溶性、絕緣油膨脹時的內(nèi)部壓力和絕緣油對電場強度的影響3個方面進行分析。

1 電纜戶外終端的結(jié)構(gòu)

電纜戶外終端的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 戶外終端結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知：電纜戶外終端結(jié)構(gòu)主要由增強主絕緣曲率半徑改善電場分布的應(yīng)力錐、作為輔助外絕緣的絕緣油、導(dǎo)體引出棒、套管、支撐及密封的法蘭和保護管等構(gòu)成，其中絕緣油對于電纜戶外終端的長期運行起著非常關(guān)鍵的作用。

2 絕緣油與絕緣帶的相溶性

電纜系統(tǒng)運行時溫度變化會導(dǎo)致絕緣油的熱脹冷縮，為了避免絕緣油膨脹后滲入電纜導(dǎo)體內(nèi)，在導(dǎo)體引出棒與電纜絕緣之間纏繞絕緣帶用于密封，絕緣油與絕緣帶接觸有可能發(fā)生溶脹導(dǎo)致該部位密封失效而滲漏絕緣油，因此在選用絕緣油和絕緣帶時必須做相溶性試驗。本工作對110 kV戶外終端用聚異丁烯絕緣油與絕緣帶的相溶性進行了研究。

將國內(nèi)兩個廠家的乙丙橡膠絕緣帶（樣品1，樣品2），1／2搭接纏繞在?10鐵桿上，浸泡于聚異丁烯絕緣油中并用保鮮膜密封，如圖2所示。在室溫下浸泡6個月后發(fā)現(xiàn)樣品1乙丙絕緣橡膠帶無溶脹現(xiàn)象，樣品2乙丙絕緣絕緣帶破裂，與絕緣油發(fā)生溶脹，如圖3所示，發(fā)生溶脹的絕緣帶不能用于戶外終端的絕緣油密封。測試聚異丁烯絕緣油的電氣性能見表1。

圖2 乙丙橡膠絕緣帶浸泡在聚異丁烯絕緣油中

圖3 乙丙橡膠絕緣帶浸泡6個月后

表1 聚異丁烯絕緣油電氣性能

由表1可知：未使用的絕緣油、未發(fā)生溶脹的絕緣油和發(fā)生溶脹的絕緣油的電氣性能均滿足GB 11017—2014《額定電壓110 V（Um＝126 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第3部分：電纜附件》的要求，但是發(fā)生溶脹的絕緣油的體積電阻率下降了一個數(shù)量級。該數(shù)據(jù)只反映短期試驗結(jié)果，并不能代表戶外終端長期運行過程中絕緣油與絕緣帶發(fā)生溶脹后的絕緣油性能。

為了保證導(dǎo)體引出棒與電纜絕緣之間的良好密封，實際應(yīng)用中選擇不與絕緣油發(fā)生溶脹的絕緣帶作為密封帶材，本工作后續(xù)分析均基于通過溶脹試驗的絕緣帶和絕緣油展開。

3 絕緣油膨脹時的內(nèi)部壓力和膨脹量

戶外終端內(nèi)填充絕緣油時上部預(yù)留空氣腔來滿足運行時絕緣油的膨脹。運行時溫度上升，絕緣油的體積膨脹，空氣腔被壓縮導(dǎo)致空氣腔的壓力升高，此時空氣腔的壓力應(yīng)小于設(shè)計承受壓力。

根據(jù)波爾?查理定律，運行時空氣腔壓力計算公式為：

式中：P′為運行時空氣腔的壓力（MPa）；σg為安裝時空氣腔的體積（L）；T′為運行時的溫度（℃）；T為安裝時的溫度（℃）；P為安裝時的絕對壓力（0.1 MPa）；σ′g為空氣腔被壓縮的體積（L）；Δσo為運行時絕緣油的膨脹體積（L）；α為絕緣油的膨脹系數(shù)（聚異丁烯α＝0.001 L／℃）；ΔT為溫度變化量（℃）；σo為安裝時絕緣油的體積（L）。

110 kV戶外終端填充絕緣油后，上部空氣腔壓力變化與溫度差的關(guān)系見圖4。

圖4 絕緣油膨脹后空氣腔壓力與溫度差的關(guān)系

由圖4可知：絕緣油填充高度（h）為1 100 mm，溫度差為70℃時，上部空氣腔的壓力為0.16 MPa，上部空氣腔的壓力比安裝時提高60%，復(fù)合套管設(shè)計承受壓力為0.3 MPa，絕緣油受熱膨脹后空氣腔壓力小于復(fù)合套管設(shè)計承受壓力，可以滿足運行要求。絕緣油填充高度不同，溫差相同時上部空氣腔壓力也不同。

110 kV戶外終端填充絕緣油后，絕緣油膨脹高度與溫度差的關(guān)系見圖5。

圖5 絕緣油膨脹高度與溫度差的關(guān)系

由圖5可知：當絕緣油填充高度為1 100 mm時，溫度每升高10℃，絕緣油的膨脹高度增加9 mm。絕緣油填充高度不同，溫度差相同時絕緣油的膨脹高度也不同。

4 絕緣油對電場強度的影響

在戶外終端內(nèi)部填充一定高度的絕緣油作為絕緣介質(zhì)，以增加戶外終端內(nèi)絕緣爬電距離，改善戶外終端內(nèi)電場分布。

利用ANSYS軟件對戶外終端進行電場分析［10?11］，分析時應(yīng)力錐位于戶外終端的高度保持不變，聚異丁烯絕緣油的填充高度分別為戶外終端高度的50%（h為700 mm）、64%（h為900 mm）和78%（h為1 100 mm），考察絕緣油填充高度不同時，對各部位最大電場強度的影響，如圖6所示。

圖6 絕緣油填充高度對各部位電場強度的影響

由圖6可知：絕緣油覆蓋應(yīng)力錐后，其填充量對于應(yīng)力錐、絕緣油和戶外終端外部空氣電場強度沒有影響；絕緣油填充高度為700 mm時上部空氣腔最大電場強度為0.53 kV／mm，隨著絕緣油填充高度增加，上部空氣腔的電場強度降低。絕緣油填充高度為1 100 mm時，上部空氣腔最大電場強度為0.33 kV／mm，為了保證型式試驗和裕度試驗順利通過，同時為了增加內(nèi)絕緣的爬電距離，選取絕緣油填充高度為戶外終端高度的78%，此時戶外終端等位線分布見圖7。由圖7可知：上部空氣腔等位線分布均勻，該設(shè)計能夠滿足戶外終端長期運行。

圖7 戶外終端等位線分布

5 結(jié) 論

（1）選擇絕緣油與密封絕緣帶時應(yīng)做相溶性試驗，實際應(yīng)用中選擇不與絕緣油發(fā)生溶脹的絕緣帶為密封帶材。短期溶脹后聚異丁烯絕緣油性能略有降低，長期運行過程中絕緣油溶脹后的性能還需進一步跟蹤。

（2）絕緣油填充高度不同，運行時受熱膨脹后上部空氣腔壓力和絕緣油膨脹高度也不同。

（3）絕緣油覆蓋應(yīng)力錐后，其填充高度僅對上部空氣腔電場強度有影響，為了保證試驗的順利通過同時增加內(nèi)絕緣爬電距離，絕緣油填充高度至少應(yīng)為戶外終端高度的78%。