２０１０年第３期 Ｎｏ．３ ２０１０ 电线电缆 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｉｒｅ＆Ｃａｂｌｅ ２０１０年６月 Ｊｕｎ．，２０１０ 高压电力电缆阻水结构研究与分析 杨 娟， 张峰， 王福志 （浙江万马集团有限公司，浙江临安３１１３０５） 摘要：用试验的方法，对目前国内的高压交联聚乙烯（ＸＬＰＥ）绝缘电力电缆阻水结构进行了研究，分析了使用 纵向阻水结构电缆的技术性能，并提出改善这种性能的工艺控制方法及建议。 关键词：高压电力电缆；纵向阻水结构；局部放电；＿Ｔ－艺控制；半导电缓冲、阻水带 中图分类号：ＴＭ２４７．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—６９０１（２０１０）０３￣０２２—０４ Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒ·Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ＨＶ Ｐｏｗｅｒ Ｃａｂｌｅｓ ＹＡＮＧ Ｊｕａｎ．ｅｔ ａｌ （Ｚｈｅｊｉａｎｇ ＷａｎＭａ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｉｎ’ａｎ ３ｌ１３０５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗａｔｅｒ—ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｈｏｍｅｍａｄｅ ＨＶ ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ（ＸＬＰＥ）ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｃａ— ｂｌｅｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｂｌｅｓ ｗｉｔｈ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｗａｔｅｒ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＨＶ ｐｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｗａｔｅｒ ｂｌｏｃｋｉｎｇ；ｐａｒｔｉａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｗａｔｅｒ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｂｕｆｉｅｒ ｔａｐｅ ０ 引 言 随着我国电力工业的飞速发展，１１０ ｋＶ级交联 编织布带主要使用细的裸铜丝（或镀锡）与半导电 尼龙纤维（也有许多采用不导电的纤维带）混合编 织而成。金属套与包带之间间隙较大，金属护套的 直径完全受模具的限制，间隙不可调，不具备阻水的 性能。 聚乙烯（ＸＬＰＥ）绝缘电力电缆已经越来越多地用于 全国各大主要城市，尤其是东部地区的许多城市近 几年高压电力电缆的用量逐年上升，平均增幅在 ２０％以上，而随着西部大开发推进，高压电力电缆也 开始大量地出现在西部地区的城市输电与重点工程 建设中。本文通过试验的方法验证了具有纵向阻水 结构电缆的局部放电性能，并做了理论分析，提出改 善性能的工艺控制办法及建议。 图１ １１０ ｋＶ ＸＬＰＥ绝缘电力电缆结构 １ 国内１１０ ｋＶ及以上ＸＬＰＥ绝缘电力电缆 的主要结构形式 目前国内生产的１１０ ｋＶ及以上高压ＸＬＰＥ绝 缘电力电缆，若以金属护套的加工工艺不同来区分， 第二种是采用氩弧焊焊接方式制作皱纹铝护 套，在金属套与绝缘线芯之问绕包２ ｍｉｌｌ厚度的半 导电吸水膨胀带。这种吸水膨胀阻水带是在半导电 的聚脂无纺纤维中加入聚丙烯酸脂膨胀粉制成，膨 胀粉遇水后能在一定时间内迅速膨胀到一定高度， 电缆主要结构有以下两种： 第一种是使用压铝机挤包皱纹铝护套，并在金 属套和绝缘线芯之间包覆缓冲带和金属编织布带， 其结构如图１所示。其缓冲带主要由半导电橡胶自 起到阻隔水的作用。由于要求高阻水，这种阻水粉 绝大多数来自于国外，它同时具有缓冲衬垫功能，生 产时间隙可调。这种结构的电缆在市场上已经有了 非常大的份额，许多公司已经采用这种结构生产了 大截面的电缆。本文将就这种具有阻水性能的结构 粘带，或者０．２ ｍｍ厚度的半导电缓冲带构成；金属 收稿日期：２００９—１０—２０ 的电缆作试验分析。 随着近几年高压电力电缆的生产和使用日臻成 熟，许多电缆制造者在进行电缆出厂试验时发现了 作者简介：杨娟（１９７５一），女，工程师． 作者地址：浙江临安市经济开发区南环路６３号 ［３１１３０５］． 种比较特殊局部放电图像，见图２。其中试样型 ２０１０年第３期 Ｎｏ．３ ２０１０ 电线电缆 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｉｒｅ＆Ｃａｂｌｅ ２０１０年６月 Ｊｕｎ．，２０１０ 号为ＺＲ—ＹＪＬｗ０２ １×４００ ｍｍ ６４／１１０ ｋＶ，长度为 １ １０４ ｍ，试验电压为９６．３ ｋＶ，局部放电量为１２．０ ｐｃ。在所有局放偏大的产品中，此类放电的比例占 到５０％以上。因此，研究此类放电的原因，寻找解 决办法就成了非常必要的工作。以下研究工作主要 是对不同结构方式的电缆进行局部放电试验，以便 ＸＬＰＥ绝缘 铜带屏蔽 半导电绝缘屏蔽 寻找产生的原因。 图２ １１０ ｋＶ ＸＬＰＥ电力电缆的局郡放电试验 ２试验设计 从图２中放电图形分析，该图形具有以下几点 非常明显的特征： （１）该图像分布于四个像限，电压过零点放电 量最大，峰值附近最小（无放电），图像基本对称，呈 现出一种接触不良的容性放电特征，不同于通常的 电缆绝缘本体制造缺陷造成的局部放电； （２）此类放电在给电缆施加很低的试验电压时 就出现，没有明显的起始放电电压，放电量随试验电 压的升高而增大； （３）出现此类放电的电缆无法进行故障定位， 因此并非由电缆局部缺陷引起的局部放电； （４）将这种放电的电缆金属护套剥掉，然后绕 包铜带后重做试验，电缆几乎没有任何放电信号，证 明电缆绝缘线芯品质非常好，不是放电的原因。 基于上述分析，研究的重点将放在电缆不同的 缓冲吸水膨胀带与皱纹铝护套结构上，进行试验和 分析。 试验方法：首先按照结构的等效电路建立等效 试验模型，然后进行局部放电试验。试验样品型号 为ＹＪＶ １２７／２２０ ｋＶ １×４００ ｍｍ ，长度为１００ ｍ，未 使用阻水结构，铜带为单层重叠绕包，结构如图３所 示，局部放电测试结果见图４。从图４可知，试验电 压为１９１ ｋＶ时仍无放电现象。 将试样的铜带接地断开，串接上一个含有铝板 和半导电阻水带的如图５所示的装置（两铝板间实 测电阻值为９００ ｎ），试验接线见图６。当两铝板对 阻水带没有压力，处于自由蓬松状态时，局部放电测 半导电导体屏蔽 铜导体 图３试验模型的结构 图４局郡放电图像 试结果见图７。由图７可以看出，在原性能良好的 电缆上串联这一纵向阻水结构的模拟装置后，在较 低的电压下（５０．４ ｋＶ）即出现放电量为３．５ ｐＣ的典 型放电图像。由此可知，阻水带结构会引起典型的 放电现象。然后在铝板上施加２０ Ｎ重物，使其导电 性能提高并重做试验，发现放电量立即下降；继续增 加压力，放电量将继续下降，直至趋近于同等电压下 铜带直接绕包时的放电量。 半导电缓冲、阻水带（３层。厚２．０） 图５试验用模拟装置 图６接线示意图 ２３· ２０１０年第３期 Ｎｏ．３ ２Ｏｌ０ 电线电缆 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｉｒｅ＆Ｃａｂｌｅ ２０１０年６月 Ｊｕｎ．，２０１０ 图７局部放电图像 ３放电过程的原理分析 首先应了解半导电缓冲、阻水带的结构特性。 如图８所示，通常它是由一层半导电无纺布与一层 约１．５ ｍｍ厚度的半导电蓬松棉，中间粘涂一层聚 丙烯酸酯膨胀粉而组成。虽然蓬松棉具有半导电性 质，但是疏松多孔的结构使其导电性能下降；而阻水 要求的聚丙烯酸酯膨胀粉自身不具备导电性。因此 导致电缆绝缘线芯与金属护套（屏蔽）接触能力下 降，半导电绝缘屏蔽处于悬浮电位状态，随着电缆承 受的电压上升，此悬浮电位也越高，进而出现接触不 良类放电，而且放电量随电压升高而升高。这种影 响在金属套与阻水带间隙过大的情况下更明显。 蓬松棉 阻水粉 无纺布 图８缓冲、阻水带结构不恿图 为了更清楚地了解这种放电的过程，我们建立 了简单的如图９所示电路模型，然后进行原理分析。 因为电缆主要呈现容性，因此在图中以Ｃ 表征，从 绝缘线芯至金属护套之间的部分以小的放电间隙ｇ 和等效电阻Ｒ的并联电路来代替。当如图９所示， 电路中施加的电压 以及电流， 和 。变化时，若 在间隙ｇ不发生击穿的情况下，Ｒ两端的电压 ，将 按照图１０中曲线变化；当电压 升高， 也随着变 大，则电阻两端的电压Ｕ。＝ ×Ｒ随之变大，当达到 间隙的击穿电压ｕ 时，ｇ即发生击穿。因为击穿电 弧通道的电阻较小，所以 迅速跌落，并降至为电 弧的熄灭电压 ，电弧即熄灭，以及电压迅速回升。 由于此过程反复发生，因此形成反复放电。由图５ 中放电的分布来看，这与实际试验中放电特征完全 重合。 Ｉ．．．．．．．．．一 图９ 电缆等效电路模型图 ４工艺控制和改进 为了减小或避免这种影响，找到在实际生产中 可用的控制措施，我们取型号为ＹＪＬＷ０３ ｌ×８００ ｍｍ 绝缘线芯制作试样，分别采取以下三点措施： （１）利用轧纹深度来控制铝护套间隙；（２）对电缆 加热；（３）改变阻水带的绕包结构，随后分别进行试 验验证，试验结果见表１。从试验结果可以看出：小 间隙的试品（１ 试样）比大间隙试品（２’试样）的放 电量明显要小，但并没有完全消除此类放电；通过 ３ 和２ 试样的比较可知，加热处理对消除此类放电 有明显效果，但是冷却后放电会有一定程度的恢复。 图ｌ０放电过程中Ｕ、 、Ｕ．的变化曲线 表１ 不同工艺措施的局部放电量验证 试样号 １ ２ ３’ 长度 ３０ ｍ ５Ｏ ｍ ５０ ｍ 常规结构 常规结构 利用铝护套轧 利用铝护套轧 ２’试样经过电 工艺状态 纹深度，控制与 纹深度，控制与 流１ ０６０ Ａ，８ ｈ 绝缘线芯之间 绝缘线芯之间 加温 间隙为５ ｍｍ 间隙为７．７ ｍｍ 局部放电量 １．２ ｐＣ ４．３ ｐＣ ０．７９ ｐＣ 典型接触不良 典型接触不良 无明显放电图 图像分析 类放电，符合电 类放电 像，加热后间 性能要求 隙变小 冷却２４ ｈ后 再试验。放电 备注 量为１．７ ｐＣ。 图像为典型接 触不良类放电 （下转第２７页） ２０１０年第３期 Ｎｏ．３ ２０１０ 电线电缆 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｉｒｅ＆Ｃａｂｌｅ ２０１０年６月 Ｊｕｎ．，２０１０ 比不宜过大，控制在１．７以下。经过严格的材料选 择及挤出工艺材料试验，最后选择上海凯波低烟无 ５ 结束语 轨道交通电缆是随着城市交通的发展而产生的 卤护套料。实践证明采用这种材料，挤出的外观、机 械性能及物理性能较好。 种新型特种电线电缆产品类别。轨道交通电缆有 ４检测结果 将ＦＳ—ＷＤＺＢ—ＹＪＹ６３ ８．７／１０ ｋＶ １×７０电缆委托 直流和交流两种：直流牵引用轨道交通电缆一般为 单芯１ ５００ Ｖ、７５０ Ｖ及３００ Ｖ，有铠装型和非铠装 型；交流型的轨道交通电缆的电压等级为３．６／６ ｋＶ 上海电缆研究所做了全性能检测，试验结果见表１。 ２６／３５ ｋＶ，一般为单芯和三芯两种。轨道交通电 缆通过合理的结构设计和原材料的选用，具有低烟、 表１产品性能的检测结果 项目名称 标准值 测试结果 无卤、阻燃、防水、防昆虫噬咬及防紫外线等多种功 ２０℃导体直流电阻／（ｎ／ｋｍ） ≤０．２６８ ０．２６３ 能，满足人流密集、设施重要场合对电缆清洁、环保、 绝缘偏心度／％ ≤ｌ０ ４．７ 阻燃等特殊要求。 局部放电量（１．７３Ｕｏ）／ｐＣ ≤ｌ０ １．９ 轨道交通是一种现代化的城市公共安全客运系 耐压试验（３．５Ｖｏ／５ ｒａｉｎ） 不击穿 不击穿 统，其基本功能是为城市人口提供大众化的出行服 电缆成束燃烧试验（Ｂ类）务。目前，国内已有十几个城市同时在建设轨道交 炭化部分所达的高度／ ≤２．５ ０．８３ ｍ 通，其中，北京、上海、广州和天津在继续扩建，南京、 电缆燃烧烟密度试验 最小透光率／％ ≥６０ ７３ 长春、深圳、重庆、成都、杭州、武汉和大连等正在新 建。据资料显示，未来几年内，我国将有２０多个城 护套燃烧释出气体的测定 市计划修建地铁与轻轨，总里程达５ ０００ ｋｍ；到 内护套的ｐＨ值 ≥４．３ ５．０ ２０２０年，我国的城市轨道交通线路总长将达到 内护套的电导率／（￣Ｓ／ｍｍ） ≤１Ｏ １．３ ２０ ０００ ｋｍ左右。这对电线电缆行业来说既是机遇， 外护套的ｐＨ值 ≥４．３ ５．０ 又是挑战。 外护套的电导率／（￣Ｓ／ｍｍ） ≤１０ １．０ 去除内外 参考文献： 电缆径向阻水试验 护套，绝 绝缘表面 （电缆两端露出水面，常温，浸水７２ ｈ） 缘表面应 干燥无水 干燥 分 ［１］ 蒋佩南．交联电缆论文集［Ｍ］．上海：上海电缆研究所，２００６． ［２］ 柏凌，蔡如明．中高压交联聚乙烯绝缘电缆导体生产工艺和 质量控制［ｃ］／／中国电工技术学会电线电缆专委会、中国电机 试验结果符合招标书的技术要求。 工程学会电力电缆分专委会论文集，２００２． （上接第２４页） ５ 结 论 作研究阻水粉的电性能，也会改变这种现象。 近年来该种产品的广泛应用已经使生产与制造 经过上述分析和试验验证证明，现行１ １０ ｋＶ及 技术日益完善，国家已经将２２０ ｋＶ产品认可国产 以上高压ＸＬＰＥ绝缘电力电缆中的阻水结构会引起 化，也是对ＸＬＰＥ电缆产品技术国产化的认可，加强 定量的典型局部放电。这种放电并不是绝缘线芯 过程控制注意每一个细节是超高压电缆产品的质量 的质量所引起的。通过工艺过程控制，可以消除或 要求，是每一个电缆工作者的重要职责，相信随着广 减小这种放电，但制造厂应注意以下几个方面： 大技术人员的共同努力，更高电压等级电缆产品的 （１）各种规格、不同电压等级的电缆在制定生 国产化指日可待。 产作业指导书时，均要按照合同技术要求计算电缆 参考文献 径向膨胀量，确定金属套与绝缘线芯之间的阻水带 的间隙，通过调整铝护套的轧纹深度，严格控制和绝 ［１］刘书全．阻水型２２０ ｋＶ交联电缆的研制［Ｊ］．高电压技术。 缘线芯之间的间隙，就能解决这种放电； ２０００（６）：５１－５２． （２）调整阻水带绕包时的张力紧而且均匀，使 ［２］ 刘子玉，王惠明．电力电缆结构设计原理［Ｍ］．西安：西安交通 大学出版社，１９９５． 电缆运行时均匀膨胀，带子与金属套接触一致； ［３］ 邱昌容，曹晓珑．电气绝缘绝缘测试技术［Ｍ］．北京：机械工业 （３）改变阻水带的体积电阻率，与材料厂家合 出版社，２００８． ２７·