13-超高压电缆附件发展与制造技术

1、超高压电缆附件发展与制造技术特变电工昭和（山东）电缆附件有限公司 伊藤一己1. 前言电力电缆的运行历史已经有几十年，经历了从充油式电力电缆到交联聚乙烯电力电缆，电压等级从中压35kV，66kV到高压110kV，再到超高压220kV，500kV的发展过程。电缆附件的发展是与电缆技术的发展密切相关的，经历了充油式绝缘到干式绝缘，中压到高压、超高压的发展历程。电缆附件必须要满足电缆导体连接良好，绝缘可靠，密封良好和足够的机械强度等性能，才能保证整个电缆输配电网络的供电可靠性。经过几十年的绝缘材料的发展和设计技术的进步，电缆附件整体结构与设计趋于稳定和成熟，目前高压及超高压电缆附件的发展主要注重以下几

2、个方面：l 在复杂的施工现场环境下，如何能简便地并且高可靠性地完成附件的施工，已经成为在附件设计开发当中必须考虑的问题。部件数量减少，工厂预制化，产品小型化，安装简便化等设计思想逐渐被广泛采用。l 从地球环境保护的观点出发，产品环保化已经成为重要的研究方向，特别是在各种附件中绝缘油/气的使用比例还较高，无绝缘油/气或少绝缘油/气，完全固体绝缘，插拔式结构等等已逐渐成为主流发展方向。l 高压、超高压电缆附件产品涉及的电压等级高，一旦出现问题，影响的范围广，这就要求附件产品从生产制造初始阶段进行严格的品质监控管理，并且能够在运行时实现智能监控，确保附件产品的长期可靠性。2. 附件发展动向电力电缆附

3、件产品从用途上分主要分为两大类：中间接头产品和终端产品。其中中间接头产品包括：直通接头，绝缘接头，Y分支形接头等；终端产品包括：户外终端，GIS终端和油浸终端等。各种附件主要是沿着高电压化，方便简化现场施工，缩短工期和环保可靠的方向发展而来。2.1 中间接头（Cable Joint）现在被广泛使用中间接头是电缆线路中不可缺少的部件，利用中间接头将两根电缆连接起来，同时改善电缆末端的电场，从而将各段分段线路连接为一条整体线路。中间接头的发展大致分为以下几个阶段（图1）自粘带绕包接头Tape Joint自粘带模塑接头Tape Molded Joint挤压模塑接头Extruded Molded Jo

4、int组合预制式接头Prefabricated Joint整体预制式接头Rubber Block Joint图1. 中间接头发展阶段自粘带绕包（Tape Joint, TJ）方法从七十年代开始应用的，它在绕包的绝缘带之间以及绝缘带与半导电带之间存在微小间隙，随着电压等级提高，允许的气泡直径越来越小，为了在110kV系统下不发生局放，气泡直径必须小于200微米，对于胶带绕包来说很难做到，因而自粘带绕包接头难以适用于110kV及以上电压等级中。基于以上原因，八十年代开发了胶带模塑接头（Tape Molded Joint, TMJ）应用到154kV电压等级。采用可交联的聚乙烯胶带绕包到连接的电缆上，

5、之后加热、加压使聚乙烯胶带交联形成整体，做成模塑接头。可是这种接头也不能完全避免气泡，且施工环境要求严格，如果绕包周围环境不净化，PE胶带很容易将灰尘，杂质带入连接头中，造成连接头绝缘的缺陷。加上交联温度及时间控制不好，也会造成交联度不足而导致接头性能劣化。为适应更高等级电缆的连接以及提高施工的可靠性，在八十年代末期出现了挤压模塑接头(Extruded Molded Joint, EMJ)（图2）。在施工现场对绝缘表面进行打磨光滑处理，并且将电缆导体压接连接后，在连接处套上注塑模，用小型挤塑机将洁净电缆料注入，冷却后用X射线检查，确认没有缺陷后进行交联工艺。这种接头使用电缆绝缘体同种材料并且和

6、电缆绝缘进行化学架桥，接头与电缆之间没有界面，所以能够保证长期安定性，EMJ在日本已经应用到500kV电压等级并取得良好效果。但这种接头施工工期较长，在日本3相接头施工需要一个月，且现场必须要有严格工艺控制。图2. 挤压模塑接头结构组合预制式接头(Prefabricated Joint, PJ)就是为解决以上问题而出现的，它不仅与EMJ有相同的性能，而且安装时间短（大概为EMJ安装工期的一半），预制件在工厂内通过例行试验，性能有保证，现场安装人员也叫能够适应要求。从结构上看，它由环氧预制本体、橡胶应力锥及压缩金具，保护金具等部件组成（图3），比较方便进行异径电缆连接。由于采用环氧树脂弹簧压缩机

7、构，应力锥和电缆绝缘界面有稳定的面压力，适合于某些温度变化剧烈或寒冷地区使用。此种接头的不足之处是体积大，重量重，应力锥的过盈量较小。图3. PJ内部结构整体预制式接头（Rubber Block Joint）是由欧洲首先开发并得到广泛使用（图4），这种接头采用整体预制橡胶绝缘件，电缆绝缘外径与橡胶绝缘件内径有较大的过盈配合，以保持橡胶绝缘件与电缆绝缘之间的面压力。橡胶绝缘件的橡胶材料主要有两种：三元乙丙橡胶（EPDM）和硅橡胶（SiR），由于要求橡胶材料有较大的断裂伸长率和较低的应力松弛，以保证橡胶本体有较大的扩径率并且在长期运行当中不会因橡胶的弹性模量下降而导致面压力下降，弹性优异的硅橡胶材

8、料应用比例较高。整体预制式中间接头由于结构简单，施工工期短，现在已逐渐成为高压电缆接头的主流，但实际运行历史还较短，运行经验还需要较长时间积累。图4. 整体预制式接头结构组合预制式接头和整体预制式接头在如今都被广泛使用，特变电工昭和（山东）电缆附件有限公司（特变昭和）为满足客户不同实际使用要求，两种接头都可进行制造供货，并且是国内首家两种接头都通过国家电网电力科学研究院的220kV预鉴定试验的厂家。特变昭和的整体预制式接头采用在工厂洁净室内进行无尘预扩径工艺，施工现场只需拉出扩径环就可完成橡胶本体安装，避免了现场扩径带来的绝缘件易损和环境异物，杂质混入等问题，大大提高了施工的便利性和可靠性。（

9、图5a, b）b. 施工现场拉出扩径环a. 工厂预扩径图5. 特变昭和的整体预制式中间接头2.2 终端（Cable Termination）电缆终端主要包括两大类：户外终端用于架空线与电缆的连接；GIS终端/油浸终端用于电缆与开关设备/变压器设备的连接。2.2.1 户外终端（Outdoor Termination）户外终端的发展与种类如表1所示，主要分为充油式和干式绝缘两种内部绝缘方式：l 充油式户外终端（Oil filled Type）充油电容锥式户外终端最早应用于充油电缆终端，具有良好的运行经验和运行记录。通过电容锥均匀套管表面电场分布，使得户外终端获得较高的耐冲击电压水平，性能优异可靠，

10、因此至今在275kV500kV电压等级上还是有较高使用比例。但是充油电容锥式终端在制造上和安装上较为复杂，安装的工期表1. 户外终端种类目前广泛使用的种类较长。在交联聚乙烯电缆上使用较广泛的是预制应力锥充油式户外终端，又可根据外护套的不同有瓷套管型和复合套管型。瓷套式运行历史较久，抗恶劣气候性能较佳，但是由于在事故时易产生碎片飞溅危险，在人口密集区域已逐渐被复合套管式所替代。复合套管本体是玻璃纤维环氧管外注以硅橡胶而成，具有轻量，耐污秽性能和耐漏痕性能佳等优点。在内部结构上欧式产品采用三元乙丙橡胶或硅橡胶材料预制应力锥为电场控制单元，套管内部充以硅油或聚异丁烯油绝缘。日式结构在欧式结构的基础上

11、辅以环氧座和弹簧压缩机构对应力锥进行压缩，面压稳定好，具备更可靠的性能。特变昭和的110kV以上电压等级户外终端吸收日式结构与欧式结构的长处，使用高性能硅橡胶材料和金具一体化应力锥专利技术开发出独具特色的内部结构（图6），应力锥的位置完全固定，杜绝了漏油以及半导电层与绝缘油的接触，并以金具加强了硅橡胶与电缆绝缘界面的面压稳定性，结构简单，性能更加可靠。图6. 特变昭和的户外终端金具一体化应力锥l 干式户外终端(Dry Type)干式户外终端的开发是在九十年代末期兴起，主要有柔性干式和硬性干式插拔型两种。柔性干式户外终端是集应力锥、伞群和绝缘层于一个整体硅橡胶预制件，这种结构极大地简化了终端的安

12、装工序，具有重量轻，安装便捷等优点。但是由于存在不能自立，终端体易弯曲变形等缺点，柔性终端在电力技术先进国家的应用较少，电压等级也在132kV以下。硬性干式插拔型户外终端是近些年出现的新型产品，它的内部在电极上注型环氧树脂，外层二次注型硅橡胶。除了具有柔性终端的优点之外，还具有插拔式结构，可自立式，抗震性能佳能优点，是户外终端今后的重点发展方向。 特变昭和在干式户外终端上也拥有先进的技术，除了具有普通66110kV硬式插拔型干式终端，还将非线性材料技术应用到154220kV的插拔式户外终端的开发。通过利用绝缘材料的非线性特性来降低电场集中处的峰值强度，平滑均匀电场分布（图7），从而使适用电压等

13、级提高。与充油式户外终端相比，采用非线性材料的户外终端尺寸与重量大幅减小，并可自由选择安装角度。另外干式户外终端还可扩展为变压器用套管或穿墙套管等应用领域（图8）。图7 非线性材料特性与电场分布图8. 实际应用例2.2.2 GIS终端/油浸终端 （GIS Termination/Oil Immersed Termination）GIS终端/油浸终端是用于电缆与GIS开关设备/变压器设备的连接，由于GIS终端与开关设备的连接有国际电工委员会制定的统一的国际标准，明确规定了相互配合尺寸和供货范围，所以按照标准设计的GIS终端可以安装在任何厂商制造的标准型GIS设备上。最初的国际标准是IEC 608

14、59-1986，此标准未区分干式和充流式，只规定了一种尺寸。此后在1999年推出的修订版IEC 60859-1999中做出较大修改，明确了GIS终端分为干式（短型）和充流式（长型），并规定了不同的尺寸（表2）。在2007年，IEC发布了新的标准IEC 62271-209-2007，标准保持了干式和充流式的分类，但对各电压等级的安装尺寸做出了若干修正，目前IEC 60859和IEC 62271都在并行使用。国标与之相对应的标准是GBT 22381-2008。表2. GIS终端与开关设备配合高度（IEC 60859-1999与IEC 62271-209-2007）66kV110kV220kV500

15、kV干式（短型）310mm470mm620mm960mm充流式（长型）583mm620mm960mm1400mmGIS终端也是根据国际规格的修订而不断发展，内部绝缘方式由绝缘油气方式到完全干式结构，长度由长到短，重量由重到轻。由于GIS的全封闭结构和高压六氟化硫气体良好的绝缘性能，所以GIS终端外绝缘一般采用环氧树脂套管。当前多数欧洲厂商在内部绝缘上采取与户外终端同样方式，在应力锥周围充以绝缘油绝缘。此种方式需辅以油仓调整压力，维护性差且不环保，日本厂商则基本采用干式绝缘结构，施工方便，有利环保。油浸终端虽然没有统一的国际标准，但是基本上采用了和GIS终端相同的结构和尺寸连接。由于绝缘油的压力

16、与介电常数与开关设备中六氟化硫气体不同，因此击穿强度较低。多数厂商采取优化和加装油浸终端高压屏蔽罩的方法来调整电场分布，满足电气性能要求。特变昭和的GIS终端和油浸终端完全满足IEC标准和国标要求，并且采用完全干式绝缘和插拔式结构，不但环保可靠而且极大的方便了现场的施工。图9. T形GIS终端日本的GIS终端标准主要是由终端厂家，GIS设备厂家和电力公司共同协商规定，因此GIS终端与开关设备的设计和连接具有较大的自由度。同时由于日本大城市的地价和工程费用昂贵，所以较为重视GIS设备和GIS终端的小型化，短工期和省力化。日本昭和公司为此开发了T形GIS终端（图9），采用试验端口一体化小型构造，可

17、实现交流，直流耐压试验在短时间内完成，并且无需进行绝缘油气的处理，环保可靠。3. 附件制造技术的动向在高压附件的生产制造方面，不同厂家采取的制造方法也多种多样，并且由于各主要制造商具有独自的橡胶材料和环氧树脂材料配方，模具设计以及注压工艺等核心技术，所以附件的制造技术并没有形成统一的标准化。国内电缆附件的制造技术一直落后与电缆，由于附件的橡胶绝缘件与环氧套管耐受电场强度集中，电气性能要求高，对制造环境的异物，灰尘等洁净等级有较高要求。另外附件产品的部件较多，出厂试验也较复杂，所以在附件制造上环境管理与流程管理是保证产品品质的核心。特变昭和在附件制造上引进日本的先进制造管理经验和进口设备，从而使

18、国产附件制造水平得到了很大飞跃。3.1 制造环境管理l 各个制造流程与包装在高等级的洁净室中完成，并且使用尘埃粒子计数器实时监测洁净度（图10）。图10. 洁净室制造管理l 洁净室设置风淋设备，进入洁净室人员需按要求穿戴专用洁净服，并通过风淋除尘后方可进入洁净室。图11. 洁净室人员管理l 整个厂房为全密闭结构，并通过空调设备调节气压，保证车间处于正气压状态，有效防止外界粉尘的进入。l 全员开展并参与6S（整理，整顿，清扫，清洁，素养，安全）管理，并使之效率化，持久化。3.2 制造与检测流程管理l 严格材料管理橡胶材料，树脂材料，金具材料经过严格检测合格入厂后，须分类、定温、定湿、定所和定时管理。l 严格制造工艺流程管理对所有制造流程的工艺参数实行定量管理（表3），每个产品的所有制造流程与参数都记录并确保可追溯。表3. 工艺流程管理项目温度湿度洁净度真空度压力速度时间过滤网配比Tg原材料保管金具洗净模具安装，解体环氧树脂注型硅橡胶注型硅橡胶扩径EP橡胶带挤出EP橡胶硫化l 严格品质检验