扬州拓智普电气科技有限公司

      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。要害词：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　 

　  显然，必须正确的拟定要害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。

　  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/mmELac/kV•mm-1Limp/kV•mm-1K1K2K3k1k2k3工频冲击5001425日本[2]2724.324.540802.31.21.11.01.251.15001550德国[13]3029.429.330802.121.251.151.11.251.12751050日本[1]2726.926.730604.01.11.11.11.251.1154750日本[1]2322.822.820504.01.11.11.11.251.12201050中国*2724.626.525604.01.11.11.11.251.12201050中国**2617.420.630702.691.21.11.01.251.1　　*郑州电缆厂；**山东电缆厂，缆芯截面为800mm2。　　为了有助于熟悉这些参数的意义，不妨通过了解日本研制500kVXLPE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为外形参数。　　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[-k•V(E-EL)m］　　

（4）　　式中，k为相关常数。　　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kVXLPE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kVXLPE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kVXLPE电缆的制造有了明显的进步。进行绝缘设计时，曾按500kVXLPE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=15kV/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10m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kVXLPE电缆实际尺寸（△i为27～30mm，截面为2500mm2，d、D分别为61.2、120.2mm，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kVXLPE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K1。XLPE电缆长期运行的老化特性通常以下列关系式表达　　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（1h）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，可答应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kVXLPE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kVXLPE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kVXLPE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差异性，得到90℃与室温，K2达1.17；230℃与室温，K2为1.2。因此，500kVXLPE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6～7mm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kVXLPE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定。他载于法国150～500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kVXLPE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熟悉，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：　　（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、部分电缆的绝缘层先行减薄了。　　表3　日本154～500kVXLPE电缆绝缘厚度制造年度变化[4]　　（2）促成绝缘减薄的主要因素是提高绝缘的最低击穿场强水平。他依靠于制造工艺技术的改进状况，或基本制造条件（如干法交联、三层共挤）未变，但当改善绝缘弱点提高到较严格的质量目标监控水平时，就有助于绝缘减薄跨出新的一步。如杂质由50μm限制至20μm，工频击穿场强可相应由50kV/mm增至64kV/mm。2.2　其他有助减薄绝缘的途径[5]　　针对XLPE电缆绝缘与半导电层之间界面的绝缘弱点改善程度尚未达到理想状态的现状，如界面近傍的聚乙烯可能存在相对低质量或有较大的自由体积；其界面的粗糙或凸起使其局部形成高电场。近年来提出了一种改善界面的界面扩散法，他是在半导电层中添加非凡成分的填料，使其在挤出过程中扩散到聚乙烯层中。试验证实了这样可提高电缆绝缘的击穿强度，如原来9mm厚绝缘层用于66kV等级，按界面扩散法工艺制作后就可适用至154kV等级。此工艺不研究成果应用于制造实践还有待时日，或许今后XLPE电缆绝缘厚度还有再进一步减薄的可能。3　110kV及以上XLPE电缆绝缘厚度现状述评　　　　　　国内外110kV及以上XLPE电缆绝缘厚度概况见表4。　　由表4可见，我国110、220kV电缆绝缘厚度比世界上有些国家同类电压等级的厚。现就如何熟悉和对待该参考文献　　[1]　饭士冢喜八郎等.电力働乕僽儖媄术ハンドブツク.电气书院，1994:159～169.　　[2]　SusumuSakuma.Developmentof500kVXLPECablesandAccessoriesforLongDistanceUndergroundTransmissionLine.IEEETPD,1994,9(4):1741～1749.　　[3]　海外にぉける送电用ケーグルの技术动向调查专门委员会.海外にぉける送电用ケーグルの技术动向.电气学会技术报告，2000，第767号:101～105.　　[4]　非凡高压CVケーグル绝缘劣化形态と绝缘诊断技术の动向调查专门委员会.非凡高压CVケーグル绝缘劣化形态と绝缘诊断技术の动向.电气学会技术报告，1998，第668号:3～10.　　[5]　铃木宽等.界面扩散法にとるCVケーブル半导电层界面の改良.电气学会论文志B，2001,121(4).　　[6]　AEICCS7-1993.SpecificationsforCrosslinkedPolyethyleneInsulatedShieldedPowerCablesRated69Through138kV.3rdEdition:8～9.　　[7]　应启良等.我国高压及超高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的应用与发展.电线电缆，2001(63):3～8.