中高压EPR与XLPE绝缘电缆的性能比较.pdf

、 1 2 天津电力技术 1 9 9 6 年第三期 中高压 E P R与 X L P E绝缘电缆的性能比较 天 津市 电力 公司 技术 中 心 姜龙华TM2 o 内容提要在 肿孔 彤一段 时肫 行后 ，直埋于潮湿土壤 里 X LP E电境中的水树严重影响其运行 的 可靠性 。E P R电缆 以其 良好 的耐水树特 性受到关注 。 本文就 E P R电缆与 X LP E电缆的综 合性 能进 行全 面分析， 认为在中压 系 特定 条件下可以采用E P R电缆，而在绝大多数情况下中 E 氩 P R X L P E对 耕料 巴， 关键调 中 高 压 电 缆 对 比 研桨 已， 土 引言 在 现 代 城市 供 配 电系统 中，中高 压 ) L E电缆的使用 日益普遍 中压X L P E电 缆附件生产和安装技术的逐步成熟完善促进 了中压 K L P E电缆的普及应用 ，随之而来的 XLP E 电缆 中长期运行 寿命和 可靠性 问题 日 益引起重 视 ，其中影响韵主要因素 水树 问题备受关注 而乙丙橡胶 ( E P R) 绝缘电缆 以其 良好 的耐 水树 特性 引起 电缆运行 部门的 兴趣 。本 文就 聚台 物 电缆的简要情况 作一介 绍， 并将 E P R电缆与 X L P E电缆进行全面对 比，以分析中高压电缆的选型条件。 1 聚合物电缆绝缘材料简介 聚 乙烯 ( P E) 、交 联聚 乙烯 ( XL P E)和 乙丙橡 胶 ( E P R) 是 目前最 为常用的聚合物绝 缘 电缆 材料 ( 1 ) 聚 乙烯 PE 聚 乙烯是单 体乙烯 的聚合物 ，其 分子式 为一 一c H ： -C H： 一 ， 根据聚合方法可分 为高 压 聚 乙烯 HP P E和 低 压聚 乙烯 L P P E。 根据 密度大小可分为低密度聚乙烯 L D P E 和高密度聚乙烯 H D P E。电缆绝缘材料主要 采 用高压 、低密度高 分子 量聚乙烯 ，其 分子 量 约 为 5 0 0 0 4 0 0 0 0 。 由于 P E是由非极性分子组成的，分子 闻作用力很小， P E大分子链在化学结构和几 何结构上都很规划、对称，这种结构上的特 点决定了 P E具有以下性能： 电气性能优异 ( 表面电阻率 和 体积 电阻率 较高 ，工频 下介质损耗 t B 6 和 相对 介电系数 e 较小) 。 这一特点使P E在 电缆行 业 中得到广泛应 用 。 耐 电晕 、光热 老化 、氧化性能 低 。这 一 缺点可 以通过 添加 各种抗氧荆 、防老化 剂 和紫外线吸收荆 的方式加以解决 容易产生环境应力开裂 所谓环境应力开裂是指 P E在某种环境 下即使所受应力比其抗张强度小得多也产生 裂纹现象 。这 一 缺点可 以通 过 在 P E 中混入 一 定量 的聚异 丁烯 等对 P E进 行增塑来 获得 解决 。 耐热性机械性能低 ， 蠕变性大 但 P E 经过交联后成 为交联 聚 乙烯 X L P E后 ，其耐 热性和机械性能大大提高 ，抗蠕变和抗环境 应力开裂性能也大大提高 因此电缆绝缘材 料广泛应用 X LP E。 ( 2 ) 交 联 聚 乙 烯 XL P E 采用化学或 物理方 法 将 P E的平 面链状 维普资讯 1 9 9 6年第三期 天津 电力 技术 1 3 分子变为立体空间阿状结构 ，即X L P E。P E 的交联方法主要 有物 理交联和 化学交联两大 类 。物理交联方法是 用高能射线照射 P E使 P E分子链具有 自由基， 相互结合而成三维空 间阿状结构 的 XL P E物 理交联方 法多 用于 绝缘 层较薄 的场 合 当 电缆 P E绝缘层 较厚 时 ，一般 采用化学交联方法 。化学交联法是 在 P E料 中混入 化学交 联剂 ，加热后交联 剂 分子断开夺取 P E分子中的氢原子，形成具 有游离 基的 p E分子，它们相互结合 而成 XL P E。 交联剂 常用 D CP( 过氧化二异丙苯 ) 。 X LP E在基 本保持 P E优 异性能 的同时又克 服了 P E的缺点 ( 3 ) 乙 丙橡 胶 E P R E P R是 乙烯 一丙烯 共聚 物 ， 是 一种 完全 不舍不饱合结构 的合成橡胶，分子式 为一 -C H -C H2 -c H2 一 c H _ 。如果在 乙 CH 3 烯和丙烯外共聚进少量 的 ( 不超过 1 0 )第 三单体 ( 双环 戊二 烯)可 以改 善其硫化性能 ， 称为三元 乙丙橡胶 E P D M 。 2 聚合拘绝缘电缆发展简况 随着现代石油化工工业的发展，聚合物 绝缘 电缆 制造和 应用 技术 出现 了飞速进 步 。 P E以其优异的性能可以作为电缆绝缘材料 但允许工作温度 较低 ， 易开裂 X L P E解决 了 E的上述缺点 ， 但 由于化学 交联过程中 固有 的特点，使 X L P E电缆运行中存在水树老化 问题 。 国际上以法国为主要代表，中高压及超 高压电缆绝缘采用P E， 通过将 P E改性使之 适合 在较高场强 下作为 电缆绝缘 ，觋 已傲到 4 0 0 k V 等级 ，而且 可以做 到 5 0 0 k V 等级 。其 它大 多数 国家如 日本 、藩国 、美 国、瑞典等 采 用 X LP E作 为 中高压及 超高 压 电缆 绝缘 日本 5 O 0 k V X LP E电缆线路 已在运行 中国 际上 E P R 电缆 的 中高 压领域 也有 大量应用 ， 例如瑞士 E P R电缆与 X L P E电缆在 中压等 级中的应用相差不大 。 国 内在 中高 压 系统 中运 行 的主要 是 X L P E电缆。近年来 国内引进多条 中高压 X L P E电缆生产 线 ，已经有许 多电缆 厂可以 生产中压 X L P E电缆并在国内电力系统大 量 应用 。国内引进消化 中压 X LP E电缆 附件 生产 也 已 比较 完 善成熟 了，可以说 中压 XL P E 电 缆 国 产 化 已 经 全 面 完 成。高 压 XLP E电缆 ( 1 O t V和 2 2 0 k V)国内也 已开始 生产并投入运行 ，但在电缆附件、金属防水 护层等方面与发达国家相比还有差距，因而 影 响了产品的实际应 用 。 国内沈阳、 上海 、 郑 州等电缆厂已经建成 2 2 0 k V立塔生产线， 具 备 了 2 2 0 k V XL P E电缆 的生产能力 ， 而 E P R 电缆国内虽已有了中压等级的产品但其应 用还很有限 。 3 X LP E和 EP R材辩对比 ( 1 )化 学成份 X L P E 中 P E 的含 量 至少 在 9 8 以上 。 不含填 充剂 的 E P R在 化学成份 和结构 上与 X L P E十分相近，但是作 为电缆 绝缘料的 E P R为满足工 艺需要必须 混入大量 填 充剂 ， 因此 从化学 成份 上看 E P R是一种多 个有机 和无机成分的混台物 而且 E P R的成分和结 构 还随各生产厂家的不 同而不 同，并在性能 上 显示 出各 自差 异 。 ( 2 )物 理机械性能 和电气性能 X L P E和 E P R典型性能对 比见表 1 。 衰 1 X L P E和 E P R典型性能对比 物理性能 XL P E E P R 密度s c m O 9 2 1 2 1 4 抗 拉强度MP a 1 9 9 一l 2 伸长率 5 0 0 2 5 O 一3 5 0 弹性 模量MP a 1 2 1 5 1 4 热 失重 2 0 5 -8 9 0 U导热率W m 0 2 7 O 2 7 0 3 5 电气性 能 介 电常敷 2 3 2 5 - 3 O 维普资讯 天津电力 技术 1 9 9 6年第三期 物理性能 ) P E E P R 损 耗系数 2 3 0 0 3 0 1 B - 0 3 0 90 0 0 3 0 1 6 1 0 体积电阻( 2 3 )0 m 1 0 1 0 短期交流击穿强度 8 3 o - 0 k V mm 4 X - L P E和 EP R电缆对 比 ( 1 )制造工 艺与成奉 X - L P E 电缆 制 造 工 艺和 设 备 都 比较 完 善 ， 采用最先进生 产工 艺设备 ( MDC V， 卧式 长承线模具交联法 ；三层同时挤出机头)在 严格的原料和工艺质量控制下，高压 X L P E 电缆质量很高 ， 寿命可以超过油纸电缆。 E P R 电缆 由于 E P R料杂质含量大， 对生产过程工 艺要求更多 ，生产成本较 X L P E电缆高 ，不 同厂家产品性能质量差异也较大。 ( 2 ) 电 气性 能 X L P E电缆 电气性 能优 于 E P R 电缆。 I E C S 0 2 和 I E C 8 4 0 对中高压聚合物电缆 ( 即 MV 和 HV 电缆 )电气 试验 标准要求 见表 2 表 2 中、高压电绳电气型式试验标准 MV 电缆 I EC 5 0 2 HV 电缆 I EC3 4 0 XLPE U。 ， 4 0 1 0 一 2 U 。 ， 1 0 1 0 一 介 质损 耗 EPR U D 2 0 0 1 0 一 2 U 5 0 1 0 一 ) PE 3 U 4 h 2 5 U ， 3 0 ram 交 流耐 压 EPR 3 U ， 4 h 2 5 U 3 0 ram XLP E 1 5 U 口 2 0 P C 1 5 U | 1 0 P C 局部放 电 EPR 1 5 U D ， 2 0 P C 1 5 U 1 0 P ,C 表 3 XL P E和 E P R铝护套电缆导体损耗与绝缘损耗对比 6 9 k V 电缆 导体截面 铜导体电阻 载 流 量 导体损耗 绝缘损耗( k W， c c I k m) 绝缘损耗占导体损耗百分数 ( k e mi l ) 。 ( n k m) ( AmD a ) ( k W k m) E P R X L P E E P R ) 正 P E 1 0 0 0 0 3 5 4 2 8 3 O 7 3 2 1 8 5 0 0 9 3 0 1 5 0 0 0 0 2 3 5 8 1 0 0 0 7 0 7 2 2 1 0 1 1 3 0 2 0 0 0 0 0 1 7 6 8 1 1 2 0 6 6 5 2 4 6 0 1 2 0 2 5 0 0 O 0 1 4 3 0 1 3 7 0 8 0 5 2 6 8 0 1 3 3 0 3 0 0 0 O 0 1 1 9 1 1 4 7 0 7 7 2 2 8 8 0 1 0 1 3 3 k V 电缓 1 0 0 0 0 0 3 5 4 2 3 2 0 7 1 5 6 1 8 0 3 1 9 0 1 5 0 0 0 0 2 3 5 8 1 0 0 0 7 0 7 7 3 0 0 3 0 1 0 1 20 0 0 0 0 1 7 6 8 1 1 2 0 6 6 5 B 0 7 0 4 0 1 2 1 2 5 0 0 0 0 1 4 3 0 1 3 4 0 7 7 0 8 7 5 0 4 3 1 1 1 3 0 00 0 O l 】 9 1 1 4 4 0 7 1 9 3 7 0 4 6 1 3 1 维普资讯 】 9 9 6 年第三期 天津 电力技术 】 5 围 1 X L P E和 E P R电缆的损耗 系数对沮度的关系 ( 3 ) 电缆绝 缘损耗 XL P E 电缆 和 E P R 电缆 绝 缘损 耗 及其 与温度 、场强 的关 系见表 3和 图 1 ，图 2 。可 以看 出 ，X P L E 电缆 比 EP R 电缆绝 缘损 耗 低，而且 X L P E电缆绝缘损耗受温度和场强 影响不大 ， 然而 E P R 电缆绝缘 损耗随温度 上 升或场强 提高而增 大 。电压 等级越高 ，E P R 电缆绝 缘损耗与 XL P E 电缆 相差 越大。对 于 中压电缆来说，由于绝缘损耗与导体损耗相 比较小 ，因此采 用 EP R 电缆 比较适 宜。而 对 于高压 电缆 ，使 用 EP R电缆 电能损耗较大 。 ( 4 )耐 水 树 特 性 在长期与水接触 的情况下 ， E P R电缆中 不 易形成 水树 ，这 一 点 明显 优 于 XL P E 电 缆 。 ( 5 ) 过 载能 力 E P R 电缆 的过载能力优于 X L P E电缆， 因为 E P R中含有 填料使其导热性 好 。 另外在 较高温度下， X L P E抗形变能力不及 E P R， 如 果频繁过载 ，XL P E绝缘 结构主 要在接 头部 位有可能出现间隙缺陷。 ( 6 )弯 曲特性 E P R电缆弯曲特性优于 X L P E电缆。 O LJ 。一 。 卓 6 譬I a 上 E_ 旺 k v 瞰 2 XLP E和 E P R 5 选用 XL P E电缆和 EP R电缆 的条件 XLP E 电缆 的制造和运行技 术 已经 比较 完善 了，适于在 中、高压 及超 高压系统 中采 用 。 EP R 电缆 弯曲性 能好 、 耐水性 树特性和 抗 过载 能力强 ，但成本高 损耗大 ，因此只 适 于在 中压 系统 的特殊场合下使用 。对于高 压和超高压 电缆 而言 ， 一方面 EP R电缆 电能 损耗大 ，另一方面 XL P E 电缆 有可靠 的金属 防水护层 ， 因此 EP R 电缆无法和 XL P E电缆 竞争 。 结论 ( 1 ) X L P E电缆制造工艺设备成熟 ， 质量 可靠 ，性 能优异 ，适台中压、高压及 超高 压 系统使用。 ( 2 )EP R电缆耐水树 、易弯 曲 ，但制造 成本高 、损耗大 ，因此 可 在中压 系统某 些 特殊场合 下选 择使 用 ，但不适 于高 压和超高 压 系统 。 ( 3 )在 中压 XL P E 电缆的选 择使 用、施 工和运行维护工作 中 ，都应着重考虑 防止水 份进入电缆绝缘层，保障 X L P E电缆长期运 行可靠性。 ( 下转第 5 页) 维普资讯 1 9 9 6 年第三期 天津电力技术 5 3 系统 标定 涸量筒 翻 2 水位标定示意翻 由于常规 的汽包水位计存在其 固有问 题 ， 显然本系统不好 再 以其为 标准进行标定 。 同时，那些水位计 的测量筒与本系统的测量 筒不可能处在 同一 结构 位置 上 ，也就是说不 可能处 在同一物理 状态下 ，也 就不应该再 以 其 为标准进行测量 。在 实际 标定过程中 ，我 们确实发 现以常规 汽包 水位计为 标准如果在 莱一时刻进行了准确标定 ，随着汽包运行参 数的变化或者在标定以后的不同时问里两者 仍然存在着较大偏差 ， 最大偏差可在 7 0 mm。 为此 ，我们用已研制成功的 D 一2型辩位计 做为标定系统 ，简称标定料位计 ，其蜃理示 意 如图 2 所示 它的工作原理简述如下 ： 标定料位计 由辐射源室 、探测器、二次 仪表所组成 探测器和辐射源室 可 以浯测量 筒上下滑动，辐射源室和擐测器