1、關(guān)于高壓XLPE電纜的絕緣厚度摘 要：就電纜絕緣厚度設(shè)計(jì)方法、XLPE電纜絕緣減薄的技術(shù)發(fā)展作了概述。針對(duì)110kV、220kVXLPE電纜絕緣厚度國(guó)內(nèi)外存在的差異，從工程選用到全面對(duì)待提出了建議。關(guān)鍵字：高壓XLPE電纜 絕緣厚度 絕緣弱點(diǎn)0前言高壓XLPE電纜絕緣層的必要厚度，將是保障電纜絕緣經(jīng)受各種可能過(guò)電壓作用下能可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。然而，過(guò)于保守的絕緣厚度，使電纜成本增加、電纜外徑增大、電纜載流能力降低以及在限重條件下導(dǎo)致每盤(pán)電纜長(zhǎng)度減少?gòu)亩鸸こ讨须娎|接頭增多。在XLPE電纜統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中含有絕緣厚度的規(guī)定，從有助于技術(shù)性能完善、確保產(chǎn)品質(zhì)量和符合使用要求等方面來(lái)看顯然是有積極意義的，但

2、在我國(guó)加入WTO 后，高壓電纜的國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品準(zhǔn)入市場(chǎng)主要以IEC標(biāo)準(zhǔn)作為準(zhǔn)則。在國(guó)外高壓XLPE電纜絕緣普遍較薄，而國(guó)內(nèi)制造廠(chǎng)有能力設(shè)法改進(jìn)工藝、提高質(zhì)量來(lái)改善原有 影響絕緣厚度因素的情況下，如果國(guó)內(nèi)仍一成不變地執(zhí)行原厚度標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必使很多企業(yè)失去參與國(guó)際公平競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)。為此，特撰本文提出建議，希望有助妥善解決 矛盾。1電纜絕緣厚度的設(shè)計(jì)方法電纜絕緣層厚度i是基于在其預(yù)期使用壽命內(nèi)能安全承受各種可能電壓條件來(lái)確定的，一般按工頻電壓、沖擊電壓二者均滿(mǎn)足要求來(lái)計(jì)算。我國(guó)以及日本、英國(guó)、德國(guó)和韓國(guó)等對(duì)高壓?jiǎn)涡倦娎|絕緣厚度的確定13均采用下式（1）、（2）計(jì)算結(jié)果中擇取較大值的方法。 (1）i=BILk1

3、k2k3/ELimp（2）式中,ELac為符合韋伯分布的工頻擊穿電壓（平均擊穿強(qiáng)度）的最低值, kV/mm;ELimp為符合韋伯分布的沖擊擊穿電壓（平均擊穿強(qiáng)度）的最低值，kV/mm;K1、k1分別為工頻、沖擊電壓相應(yīng)的老化系數(shù)；K2、k2分別為工頻、沖擊電壓相應(yīng)的溫度系數(shù)；K3、k3分別為工頻、沖擊電壓相應(yīng)的裕度系數(shù)；Um為系統(tǒng)額定電壓，kV；BIL為系統(tǒng)雷電沖擊耐壓水平，kV。部分國(guó)家對(duì)110kV以上XLPE電纜的i計(jì)算值、實(shí)選值及其相關(guān)參數(shù)擇取值見(jiàn)表1。顯然，必須正確的擬定關(guān)鍵性參數(shù)和其他相關(guān)參數(shù)K1K3、k1k3，以使i的擇取能滿(mǎn)足長(zhǎng)期可靠安全運(yùn)行的要求。Um/kVBIL/kV 國(guó)別

4、i實(shí)選值/mm i計(jì)算值/mm ELac/kVmm-1 Limp/kVmm-1 K1 K2 K3 k1 k2 k3 工頻 沖擊 500 1 425 日本2 27 24.3 24.5 40 80 2.3 1.2 1.1 1.0 1.25 1.1 500 1 550 德國(guó)13 30 29.4 29.3 30 80 2.12 1.25 1.15 1.1 1.25 1.1 275 1 050 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 1.1 1.1 1.1 1.25 1.1 22

5、0 1 050 中國(guó)* 27 24.6 26.5 25 60 4.0 1.1 1.1 1.1 1.25 1.1 220 1 050 中國(guó)* 26 17.4 20.6 30 70 2.69 1.2 1.1 1.0 1.25 1.1表1高壓XLPE電纜i計(jì)算值、實(shí)選值及其相關(guān)參數(shù)擇取值* 鄭州電纜廠(chǎng)；* 山東電纜廠(chǎng)，纜芯截面為800mm2。 為了有助于認(rèn)識(shí)這些參數(shù)的意義，不妨通過(guò)了解日本研制500kV XLPE電纜時(shí)確定i的做法，以資借鑒啟迪。1.1ELac、ELimp的確定方式1,2電纜的絕緣擊穿分散性通常以韋伯（Weibull）分布表征，XLPE電纜在電場(chǎng)強(qiáng)度為E時(shí)絕緣被擊穿的概率為 （3）式

6、中,EL為位置參數(shù)；E0為尺寸參數(shù)；M為形狀參數(shù)。按電纜絕緣的體積V來(lái)表征XLPE電纜在電場(chǎng)強(qiáng)度為E時(shí)絕緣被擊穿的概率，則式（3）可變換成P(E)=1-exp-kV(E-EL)m（4）式中，k為相關(guān)常數(shù)。從數(shù)值統(tǒng)計(jì)意義上看，在XLPE電纜的電場(chǎng)強(qiáng)度為最低擊穿場(chǎng)強(qiáng)EL值及以下時(shí)，絕緣被擊穿的概率為零。1.1.1電場(chǎng)強(qiáng)度表征值的擇取23。電場(chǎng)強(qiáng)度在內(nèi)半導(dǎo)電層處有最高場(chǎng)強(qiáng)Emax與平均場(chǎng)強(qiáng)Emean之分。Emax=U/rln(R/r)Emean=U/i式中，R、r為絕緣層、內(nèi)半導(dǎo)電層的半徑；U為電壓。有的國(guó)家（法國(guó)、荷蘭等）用對(duì)XLPE電纜如充油電纜同樣的方式取Emax表征。在法國(guó)，對(duì)400kV X

7、LPE電纜，絕緣厚度按工頻Emaxac=16kV/mm來(lái)確定；若截面為1200mm2以下時(shí)按沖擊Emaximp=85kV/mm來(lái)確定；大截面則按工頻最小Emaxac=7kV/mm來(lái)制約絕緣厚度。另外，由于XLPE電纜絕緣弱點(diǎn)（如雜質(zhì)等）具有隨機(jī)分布性，因此，電纜絕緣擊穿實(shí)際不一定始于Emax，因而認(rèn)為以Emean表征更為合理。日本、德國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)等就采取此方式。此外，試驗(yàn)顯示，Emax隨d/D（d、D為電纜絕緣的內(nèi)、外徑）比值變化而變化，隨電纜截面增大而趨于減小，但Emean卻不隨d/D比值變化而異，故在XLPE電纜的絕緣厚度為待定對(duì)象時(shí)，擇取Emean較簡(jiǎn)明合適。1.1.2以包含薄絕緣層試

8、樣等測(cè)試方式確定擊穿場(chǎng)強(qiáng)2日本研制500kV XLPE電纜時(shí)，在改善絕緣弱點(diǎn)（雜質(zhì)、半導(dǎo)電層突起等）的生產(chǎn)工藝及其質(zhì)量監(jiān)控方面比以往275kV XLPE電纜的制造有了明顯的進(jìn)步。進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，曾按500kV XLPE電纜工藝條件制備了一批比預(yù)期絕緣厚度（2530mm）薄些（6、9、15mm）的試樣。（1） 以絕緣層較薄的樣品進(jìn)行測(cè)試取得反映絕緣特性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以絕緣厚度為6mm的樣品40個(gè)在室溫下測(cè)試其擊穿場(chǎng)強(qiáng)值整理出按F(x%)的韋伯分布曲線(xiàn)。得到最低擊穿場(chǎng)強(qiáng)ELac=57kV/mm、mac=1.4、Eoac=15 kV/mm，ELimp=112kV/mm、mimp=1.8、Eoimp=3

9、5kV/mm（電纜樣品條件d、D分別為16.7mm、28.7mm）；并根據(jù)式（3）、（4），按樣品長(zhǎng)為10 m的條件算出V，可求得kac=5.27310-9/mm3、kimp=3.88510-9/mm3。 又對(duì)絕緣厚度分別為6、9、15mm的3類(lèi)樣品分別測(cè)試其擊穿場(chǎng)強(qiáng)值，察明i影響Emean的變化情況，結(jié)果歸納出測(cè)試值的關(guān)系式有： ELac(i)=78i-0.18 （5）ELimp(i)=155i-0.18（6）(2) 按500kV XLPE電纜實(shí)際尺寸（i為2730mm，截面為2500mm2，d、D分別為61.2、120.2 mm，長(zhǎng)為20m）算出此時(shí)的V值。由式（3）、（4）可推算出此時(shí)的

10、Eoac=1.1kV/mm、Eoimp=4.7kV/mm。當(dāng)i為27mm時(shí)，由式（5）、（6）有ELac=43.1kV/mm、ELimp=85.6kV/mm；若取i為30mm時(shí)，ELac=42.2kV/mm、ELimp=84kV/mm。實(shí)際擇取ELac=40kV/mm、ELimp=80kV/mm，見(jiàn)表1中所列。（3）對(duì)500kV XLPE試制電纜的設(shè)計(jì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。施加電壓應(yīng)不小于式（1）、（2）分子項(xiàng)Uac=550K1K2K3/=970kV；Uimp=1425k1k2k3=1960kV。實(shí)際上，i按擊穿概率63.2%相當(dāng)?shù)碾妷?。運(yùn)用上述(2)中所示數(shù)據(jù)，由式（3）算出Fac（63.2

11、%）=44.2kV/mm，施加的工頻電壓應(yīng)為1195（44.227）kV；Fimp（63.2%）=90.3kV/mm，施加的沖擊電壓應(yīng)為2440（90.327）kV。由試驗(yàn)結(jié)果,擊穿概率均小于63.2%獲驗(yàn)證。1.2其他參數(shù)確定方式1.2.1老化系數(shù)(1) 工頻老化系數(shù)K1。XLPE電纜長(zhǎng)期運(yùn)行的老化特性通常以下列關(guān)系式表達(dá)Ent=常數(shù)（7）式中，E為擊穿電壓；t為擊穿時(shí)間；n為壽命指數(shù)。電纜的工頻老化系數(shù)K1可按電纜有效使用壽命（年）與施加EL的時(shí)間（1 h）之比并引入n求得(8)60年代，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）有Kreuger、Oudin先后就XLPE電纜基于抽樣存在微孔的長(zhǎng)期試驗(yàn)，

12、提出n應(yīng)取9較安全2,4。若按使用壽命為30年，則K1=4。日本等國(guó)家以往多按此方法設(shè)計(jì)1。90年代初，日本的研究進(jìn)展對(duì)n值進(jìn)行了重新評(píng)估，認(rèn)為長(zhǎng)期運(yùn)行中電纜處于較低場(chǎng)強(qiáng)范圍，可允許n值達(dá)到20左右；隨著工藝進(jìn)步，已不存在影響絕緣特性的微孔；還查明XLPE絕緣交聯(lián)時(shí)殘存的微小水分（約100L/L）不影響老化特性。通過(guò)約1年的施加電壓下老化特性試驗(yàn)，證實(shí)n15可行。因此，對(duì)500kV XLPE電纜的設(shè)計(jì)開(kāi)始采取n=152,4。超高壓XLPE電纜設(shè)計(jì)中，韓國(guó)、英國(guó)現(xiàn)也取n=15，但英國(guó)對(duì)含有電纜附件的情況取n=12。而德國(guó)在已取n=12基礎(chǔ)上，對(duì)500kV XLPE電纜確定n=17，并依照使用壽命

13、為40年計(jì)算3。（2） 沖擊老化系數(shù)k1?？紤]到雷電過(guò)電壓重復(fù)作用引起的老化，一般取k1=1.1。但日本在進(jìn)行500kV XLPE電纜設(shè)計(jì)時(shí)，既分析了以往計(jì)入一些影響k1的因素不需考慮，又進(jìn)行了反復(fù)沖擊以及工頻疊加沖擊等試驗(yàn)，得出完全不需計(jì)入沖擊老化系數(shù)的結(jié)論即取k1=1。1.2.2溫度系數(shù)K2、k2考慮電纜運(yùn)行溫度比室溫高，而絕緣擊穿電壓在高溫下比常溫時(shí)低，通常計(jì)入溫度系數(shù)K2一般不小于1.1，k2一般不小于1.25。日本曾對(duì)6mm厚XLPE絕緣電纜在室溫與高溫下測(cè)試其工頻擊穿電壓值的差異性，得到90 與室溫，K2達(dá)1.17；230與室溫，K2為1.2。因此，500kV XLPE電纜設(shè)計(jì)取K

14、2=1.22。日本90年代報(bào)導(dǎo)XLPE電纜室溫與90下?lián)舸╇妷翰顒e，所顯示的溫度系數(shù)與絕緣厚度有關(guān)系。如i為67 mm時(shí)，K2=1.05；i為1927mm時(shí)，K2=1.12。又i分別為2.5、9、13mm時(shí)，K2相應(yīng)為1.33、1.17、1.294。因此，現(xiàn)行K2、k2的擇取值或許并非最恰當(dāng)，適當(dāng)提高些將有利于安全。1.2.3裕度系數(shù)一般多取1.1。德國(guó)對(duì)新開(kāi)發(fā)的500kV XLPE電纜取K3=1.15，或許有其偏安全的考慮。1.3電纜絕緣設(shè)計(jì)關(guān)于可靠性的考慮3除上述絕緣設(shè)計(jì)按初期擊穿場(chǎng)強(qiáng)的擊穿概率為零的方法外，法國(guó)在式（3）中計(jì)入電纜長(zhǎng)度（體積）這一要素，即按實(shí)際電纜事故概率值是否合乎預(yù)期要

15、求來(lái)判 斷。他載于法國(guó)1505 00kV交聯(lián)聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯絕緣電纜標(biāo)準(zhǔn)HN33-S-55中。 表2日本2277kV XLPE電纜絕緣厚度年度變化42XLPE電纜絕緣減薄的技術(shù)發(fā)展2.1日本XLPE電纜絕緣減薄進(jìn)程概況XLPE電纜問(wèn)世以后，通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐和深化認(rèn)識(shí)，隨著不斷改進(jìn)制造技術(shù)與工藝、改善構(gòu)造方式的努力，多年來(lái)日本XLPE電纜經(jīng)歷了分階段減薄絕緣厚度的發(fā)展變化，變化情況見(jiàn)表2、表3。由表2、表3可見(jiàn)：（1）各電壓等級(jí)XLPE電纜都在不同程度上體現(xiàn)有絕緣層減薄的變化經(jīng)歷。一段時(shí)期減薄前后二種絕緣厚度產(chǎn)品的并存，意味著在這一時(shí)期有部分廠(chǎng)家、部分電纜的絕緣層先行減薄了。 表3

16、日本154500kV XLPE電纜絕緣厚度制造年度變化4 （2）促成絕緣減薄的主要因素是提高絕緣的最低擊穿場(chǎng)強(qiáng)水平。他依賴(lài)于制造工藝技術(shù)的改進(jìn)狀況，或基本制造條件（如干法交聯(lián)、三層共擠）未變，但當(dāng)改善 絕緣弱點(diǎn)提高到較嚴(yán)格的質(zhì)量目標(biāo)監(jiān)控水平時(shí)，就有助于絕緣減薄跨出新的一步。如雜質(zhì)由50 m限制至20 m，工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)可相應(yīng)由50kV/mm增至64kV/mm。2.2其他有助減薄絕緣的途徑5針對(duì)XLPE電纜絕緣與半導(dǎo)電層之間界面的絕緣弱點(diǎn)改善程度尚未達(dá)到理想狀態(tài)的現(xiàn)狀，如界面近傍的聚乙烯可能存在相對(duì)低質(zhì)量或有較大的自由體積；其界 面的粗糙或凸起使其局部形成高電場(chǎng)。近年來(lái)提出了一種改善界面的界面擴(kuò)散

17、法，他是在半導(dǎo)電層中添加特殊成分的填料，使其在擠出過(guò)程中擴(kuò)散到聚乙烯層中。試 驗(yàn)證實(shí)了這樣可提高電纜絕緣的擊穿強(qiáng)度，如原來(lái)9mm厚絕緣層用于66kV等級(jí)，按界面擴(kuò)散法工藝制作后就可適用至154kV等級(jí)。此工藝不影響絕 緣層的介質(zhì)損耗正切等電氣性能。這一試驗(yàn)研究成果應(yīng)用于制造實(shí)踐還有待時(shí)日，或許今后XLPE電纜絕緣厚度還有再進(jìn)一步減薄的可能。3110kV及以上XLPE電纜絕緣厚度現(xiàn)狀述評(píng)* 按GB 1101789，纜芯截面為240、300、400、500、630、800mm2及以上時(shí)，絕緣厚度相應(yīng)為19、18.5、17.5、17、16.5、16 mm。* 按CSBTS/TC213-01-1999

18、，纜芯截面為400和500、630、800、1 000mm2及以上時(shí)，絕緣厚度相應(yīng)為27、26、25、24mm。（1） 我國(guó)在制訂的統(tǒng)一電纜標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了絕緣厚度，這對(duì)各廠(chǎng)初期產(chǎn)品的規(guī)范化具有積極意義，且其指標(biāo)制訂當(dāng)時(shí)不失先進(jìn)性。如對(duì)比美國(guó)愛(ài)迪生照明公司聯(lián)合會(huì)（AEIC）制訂電纜技術(shù)條件同類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)6，110kV XLPE電纜絕緣厚度我國(guó)比美國(guó)薄，沒(méi)有其保守。（2） XLPE電纜絕緣厚度往往受雷電沖擊耐壓水平（BIL）制約，同一額定電壓級(jí)的BIL在我國(guó)與其他國(guó)家并非都等同。如我國(guó)220kV與日本275kV的BIL一樣，意味著同一額定電壓 的BIL我國(guó)較高，相應(yīng)絕緣較厚，選用國(guó)外產(chǎn)品應(yīng)注意。（3） 從

19、動(dòng)態(tài)發(fā)展觀(guān)點(diǎn)看，電纜絕緣厚度并非一成不變。有持此觀(guān)點(diǎn)的國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)人士指出，按我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的110kV XLPE電纜絕緣厚度可以在絕緣安全裕度范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)販p薄7。鑒于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)修訂的時(shí)間往往間隔過(guò)長(zhǎng)，常滯后于技術(shù)發(fā)展水平。如果機(jī)械性地以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)制約電纜絕緣厚度，客觀(guān)上不利于國(guó)內(nèi)電纜制造企業(yè)參與市場(chǎng)公平競(jìng)爭(zhēng)；反過(guò)來(lái)，缺乏市場(chǎng)從而難獲效益的企業(yè)，由于實(shí)現(xiàn)制造工藝技術(shù)進(jìn)步的資金難以為繼，將更無(wú)條 件改變技術(shù)落后的局面。（4） 客觀(guān)形勢(shì)的發(fā)展需要絕緣層盡可能薄的電纜。電纜絕緣層減薄不僅可降低電纜造價(jià)，同時(shí)還可提高載流能力、增加每盤(pán)電纜的容許長(zhǎng)度并減少接頭，從而帶來(lái)提高運(yùn) 行可靠性、減少工程投資等綜合效益，為此， 在工程訂貨技術(shù)條件制訂時(shí)，對(duì)國(guó)內(nèi)外電纜均應(yīng)遵循IEC 60840等標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，除了要強(qiáng)調(diào)滿(mǎn)足我國(guó)系統(tǒng)的BIL水平外，不必硬性規(guī)定國(guó)產(chǎn)電纜絕緣厚度，宜以較變通措詞不限制廠(chǎng)家率先實(shí)施工藝改進(jìn)、減薄絕緣厚 度的積極性。如此，將有助推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)的局面。 借鑒日本減薄絕緣厚度技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，鼓勵(lì)有條件的企業(yè)通過(guò)制造工藝革新以改善絕緣性能；開(kāi)展必要的試驗(yàn)，提出減薄絕緣的分析論證，并用