220 kV 平滑铝套高压电缆机械性能研究

夏云海 ,林亚阳 ,于建华 ,侯虹剑 ,周玉军 ,谢书鸿

(1.中天科技海缆股份有限公司,南通 226010;2.国网南通供电公司,南通 226006;3.中天科技股份有限公司,南通 226463)

0 引言

国内皱纹铝护套交联聚乙烯(XLPE)电缆频繁发生缓冲层烧蚀故障,对线路可靠性和电网安全性构成严重威胁,虽然针对缓冲层烧蚀的相关研究还未有定论,但金属护套和绝缘屏蔽电气接触不良无疑是引发故障的重要原因之一[1]。由于皱纹铝套的结构特点导致皱纹铝套波谷与缓冲层以线性接触为主,而平滑铝套电缆为面接触,平滑铝套有更好的电气性能,是解决皱纹铝套缓冲层及绝缘屏蔽烧蚀的方向之一。目前国内已有多家高压电缆厂获得平滑铝套电缆型式试验报告,已具备平滑铝套产品设计开发和批量化生产能力,但是对平滑铝套高压电缆的应用技术研究甚少,大部分厂家还停留在生产工艺研究。

220 kV 平滑铝套高压电缆外径小,电缆安装所需空间小,且试验验证平滑铝套的载流量比皱纹铝套电缆提高了5.6%[2]。对于电力部门,可降低设计成本,同时其结构特点保证了电缆在电网中运行的安全可靠性。

由于平滑铝套金属屏蔽的结构特性,用户认为平滑铝套电缆弯曲性能较皱纹铝套差,平滑铝套的弯曲性能是用户关心的重要指标,也是在电网中能否得到应用的关键因素之一,本工作以220 kV 2 500 mm2平滑铝套电缆为例,对其弯曲性能及抗外力机械冲击性能进行了研究,希望为国内平滑铝套高压电缆的批量化生产和应用积累一些经验。

1 平滑铝套电缆弯曲性能研究

国内110～500 kV 高压电缆[3]中规定皱纹铝套电缆安装敷设时弯曲半径不小于20D(D为电缆标称外径),电缆运行时弯曲半径不小于15D,美国标准 ICEA S-108-720—2018 中规定非金属外护套黏合型的平滑铝护套电缆与皱纹铝护套电缆进行弯曲试验时,采用的筒体直径均不大于25(d+D)+5% (d为导体标称外径),可理解为两类产品具有相同的弯曲性能,本工作将通过机械弯曲试验验证平滑铝套的弯曲性能。

1.1 平滑铝套电缆静态弯曲性能仿真分析

文献[3]采用CableCAD 仿真软件建立平滑铝套高压电缆的分析模型,分析平滑铝套电缆的弯曲性能,将弯曲时的载荷施加至建立的模型上,分别对20D、22D、25D、30D的筒体直径进行计算,当筒体直径为22D时,电缆弯曲应力分布见图1;当简体直径为22D时,其安全系数分布见图2。

图1 筒体直径22D 时电缆弯曲应力分布

图2 筒体直径22D 时安全系数分布

由图1 可知,平滑铝套电缆的最大应力作用在平滑铝套上;由图2 可知,当安全系数为1、筒体直径为22D及以上时,应力变化不大,因此平滑铝套电缆不会发生不可逆的变形。

1.2 平滑铝套电缆静态弯曲性能验证

选取平滑铝套高压电缆YJLP03-Z 127/220 kV 1×2 500,电缆标称外径D为138 mm。本工作采用仿真软件模拟计算平滑铝套的22D筒体直径的盘具和19D筒体直径的盘具进行静态弯曲性能验证,试验结果见表1。

表1 平滑铝护套电缆的小筒体弯曲试验

由表1 可知,筒体直径为22D时电缆上盘具后未见平滑铝护套起皱变形,采用筒体直径为19D的盘具并经多次验证后,电缆护套表面平整,未见不可逆的变形。

弯曲试验后,按GB/T 18890—2015 中成品电缆试验的要求,对平滑铝套电缆进行了局部放电和耐压试验,未发现超过灵敏度的放电,耐压试验顺利通过。

1.3 平滑铝套电缆张力弯曲性能试验

电缆在施工过程中转弯处可能会出现弯曲半径不满足20D的情况,但是否能满足平滑铝套电缆的弯曲性能要求,需要进行可行性研究,本工作参考GB/T 32346.1—2015 张力弯曲试验方法,采用张力弯曲试验,模拟平滑铝套电缆在安装敷设时的弯曲受力状态下,进行平滑铝套电缆的弯曲性能验证,当弯曲半径小于20D时,在规定的弯曲次数内,平滑铝套表面不起皱。

1.3.1 试验方法及过程

有转弯的电缆线路,在弯曲部分的内侧,电缆被牵引力的分力和弯曲物的反作用力共同作用而使其受到的一种压力,这种压力称为侧压力,侧压力是牵引力与电缆弯曲半径之比,侧压力与电缆的结构有很大关系,皱纹铝套电缆的侧压力为3 kN·m-1[4-5]。

采用大截面220 kV 2 250 mm2平滑铝套电缆为试验样品,转轮的筒体直径为32D(弯曲半径为16D),张力弯曲试验原理示意见图3。

图3 张力弯曲试验原理示意图

(1)侧压力(T)为5 kN·m-1,电缆弯曲半径(R)为2 200 mm,按T=F/R计算得电缆拉力(F)为11 kN。电缆拉力设计为11 kN,在电缆末端施加拉力,使电缆绕转轮卷绕和退出卷绕反复3 次,不改变弯曲方向。

(2)侧压力5 kN·m-1张力弯曲试验后,电缆拉力设计为22 kN,侧压力10 kN·m-1,按照(1)的方法进行试验。

1.3.2 试验结果

按GB/T 32346.1—2015 张力弯曲试验方法分别在5,10 kN·m-1的侧压力下,对平滑铝套电缆进行弯曲试验,结果见图4 和图5。

图4 5 kN·m-1侧压力时平滑铝护套弯曲试验

图5 10 kN·m-1侧压力时平滑铝护套弯曲试验

张力弯曲试验后,分别观察5 kN·m-1和10 kN·m-1侧压力下平滑铝套电缆表面,绕轮卷绕和退出卷绕反复3 次后,其表面均无起皱现象。

张力弯曲试验后,平滑铝套电缆表面均未产生铝套起皱现象,再对试验电缆进行电气试验,满足GB/T 18890—2015 中要求:①局部放电试验中,无超过申报灵敏度(5 pC 或更优)的可测放电;②冲击电压及随后的工频电压试验,95～100 ℃,±1 050 kV各10 次,318 kV/15 min,平滑铝套电缆未击穿和未闪络。

2 抗外力机械冲击性能

由于平滑铝套电缆和皱纹铝套电缆的金属套结构不同,平滑铝套的厚度小于皱纹铝套的整体厚度,并且皱纹铝套表面的波纹、波谷还起到一定程度的抗压作用,用户在使用平滑铝套电缆时往往担心安装施工敷设时外力对电缆造成损害,因此,用户非常关注平滑铝套的抗外力机械冲击性能。目前还没有相应标准给出平滑铝套电缆机械冲击性能的试验方法,本工作参考IEC TR 61901:2016 中关于综合护层电缆外力机械冲击的试验方法,利用重锤自由落体运动产生的重力对铝套电缆进行撞击,并对平滑铝套和皱纹铝套电缆进行验证,电缆绝缘表面不应有机械外伤。

2.1 抗外力机械冲击试验方法

参照IEC TR 61901:2016 额定电压30 kV(Um=36 kV)到500 kV(Um=550 kV)金属箔护套纵向阻水电力电缆试验方法。

2.2 抗外力机械冲击试验过程

分别取型号为 YJLP03-Z 127/220 kV 1×2 500和YJLW03-Z 127/220 kV 1×2 500 的各层结构完好的平滑铝套和皱纹铝套成品电缆样品各1 m,用27 kg 落锤沿铝护套焊缝的垂直方向对电缆外表面某一点完成连续4 次0.27 m 的下落冲击,随后在铝护套焊缝的轴向对称位置取1 个点完成同样的测试过程。

2.3 抗外力机械冲击试验

通过对同规格的220 kV 2 500 mm2平滑铝套电缆和皱纹铝套电缆抗外力机械冲击性能对比,根据IEC TR 61901:2016 进行的耐机械冲击性能试验,平滑铝套和皱纹铝套电缆的金属套均有凹陷,半导电缓冲阻水带完好,绝缘屏蔽表面无损伤,平滑铝套电缆和皱纹铝套电缆的解剖检查分别见图6、图7。

由图6、图7 可以看出,平滑铝套结构的电缆和皱纹铝套结构的电缆耐机械冲击性能基本一致,在施工和运行过程中,均可以为电缆提供足够的机械保护。

图6 平滑铝套电缆解剖检查

图7 皱纹铝套电缆解剖检查

3 结束语

本工作通过对220 kV 2 500 mm2平滑铝套电缆的机械性能进行了技术研究,得出以下结论:

(1)本工作对平滑铝套电缆静态弯曲性能进行了研究,经验证,22 倍筒体直径相当于11 倍电缆弯曲半径,远远优于电缆安装敷设时弯曲半径为20 倍电缆外径的使用要求,因此平滑铝套电缆安装敷设时弯曲半径为20D,可以满足电缆使用要求。

(2)本工作张力弯曲试验电缆弯曲半径为16D,侧压力达到10 kN·m-1时,平滑铝套电缆表面未见起皱变形等不良现象,随后的电气性能试验一次通过,侧压力为5 kN·m-1,可满足电缆的安装敷设要求。

(3)本工作通过平滑铝套电缆和皱纹铝套电缆抗外力机械冲击性能对比,得出平滑铝套电缆和皱纹铝套电缆的耐机械冲击性能基本一致,在施工和运行过程中,均可为电缆提供足够的机械保护作用。

在欧洲,平滑铝套电缆已有数十年的应用,并且在电网运行中情况良好,现阶段国内平滑铝套电缆工程应用甚少,其机械性能需要做进一步的工程应用研究与验证。除机械性能外,针对平滑铝套电缆的缓冲阻水带阻水分的含量、热熔胶的黏结力、平滑铝套与电缆附件的连接处理方式等问题也需要开展相应的技术研究,为工程应用提供指导,确保电缆系统的可靠性。新型金属屏蔽结构的平滑铝护套高压电缆符合新一代电网“本质安全”的要求,采用平滑铝护套高压电缆可以极大地提高系统的安全可靠性,是未来电网的发展方向。