110KV交联聚乙烯电缆附件安装的关键性要点

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  摘要:本文简要介绍了高压电缆附件的发展趋势、种类及其特点。着重介绍了110kv交联聚乙烯电缆附件的安装工艺要求及结构特点,提出了安装容易出现的问题,主要是绝缘界面的性能,绝缘回缩,电缆绝缘表面的处理,防潮、防水等问题和解决办法。
  关键词:电缆附件、安装工艺、绝缘界面、绝缘回缩
  1、电缆附件发展趋势及种类
  (1)电缆附件发展趋势
  到2020年,我国计划发电装机容量达12×108kW,但实际可能要达到15×108 kW。即使达到15×108 kW 装机容量,人均也才1 kW 而已,与美国的人均接近3 kW相比,还有很大的差距,还需要发展。这么大的装机容量,需要配套的输变电设备就更多,连接这些输变电设备的电缆需要量也非常之大。估算下来,每增加1kW的发电容量,全社会就需要配套100m线缆。因此,电缆及附件产业在未来十五年里,一直处于发展之中。
  结合我国高压交联电缆生产厂家多,高压电缆年投运量大的特点,如果能够在国内电网中广泛采用更加可靠稳定的电缆,则可以大大提高高压电缆线路的运行寿命,(如高压抗水树交联电缆技术:通过提高交联电缆抗水树性能而使得传统的普通交联电缆的可靠性、安全裕度和使用寿命得到大幅提升的新产品新技术。普遍在运行8 至12 年生长出大量水树,致使大量交联电缆发生因水树击穿造成事故,寿命短,影响电网的安全运行。武高院电缆所在此领域的大量试验研究表明,通过采用新型抗水树技术生产的交联电缆,具有良好的抗水树老化性能,可靠性高,安全裕度大,具有不低于30 年的正常使用寿命。)减少电网的停电次数,提高电网安全质量,并且显著降低高压电缆的更新频率,具有巨大的社会效益和经济效益。下面结合作者本身工作经历及需要,重点介绍110kv交联聚乙烯接头的制作和安装工艺以及注意事项。
  (2)电缆附件种类
  电缆附件通常是电缆终端和电缆中间接头的统称,其主要作用是实现分段电缆之间或者电缆与其他电气设备之间在电气和绝缘结构上的连接,它是电缆线路不可缺少的组成部分。在我国,高压交联电缆附件的研究开发工作起步较晚,早期大多是使用进口电缆附件。近几年,我国高压交联电缆附件发展也比较快。目前我国现有各种型式高压交联电缆附件按照使用可分为终端和中间接头两部分。
  电力电缆终端又有开敞类终端和封闭类终端之分。开敞类终端有户内、户外终端之分,封闭类终端又可分为GIS终端和变压器终端。电力电缆终端接头按绝缘结构分为:①绕包型,早期使用,效果不好。②预制橡胶应力锥型,为目前主要使用类型。
  高压交联电缆中间接头,按照它的功能,以将电缆金属护套、接地屏蔽和绝缘屏蔽在电气上断开或连续分为绝缘接头与直通接头。无论是绝缘接头或直通接头,按照它的绝缘结构区分,①绕包型(TJ),早期使用,目前作紧急枪修用。②包带模塑型(TMJ),早期使用,效果不好,目前不在用。③挤塑模塑型(EMJ),使用不多(水底电缆做软接头)。④预制型(PJ),为目前主要使用型式。它又有三种形式:a、应力锥扩张后直接套在电缆绝缘上。b、用弹簧装置压紧应力锥。c、应力锥与电缆绝缘不直接接触。
  在国外的110kV及以上交联电缆附件中,预制型电缆附件被认为是最先进和最实用的电缆附件。近些年来,国内新建的高压电缆工程,大多是采用预制型电缆附件,目前110kV及以上交联电缆的预制型中间接头用得较多的有组装型和整体预制式两种结构。
  a、组装式预制型中间接头,它是由一个工厂浇铸成型的环氧树脂作为中间中段绝缘和两端以弹簧压紧的橡胶预制应力锥组成的中间接头,接头内无需充气或浸渍油。这种中间接头的主要绝缘都是在工厂内预制的,现场安装主要是组装工作,与绕包型和模塑型中间接头比较,对安装工艺的依赖性相对减少了些,但是由于在结构中采用多种不同材料制成的组件,所以有大量界面,这种界面通常是绝缘上的弱点,因此现场安装工作的难度也较高,由于中间接头绝缘由3段组成,因此在出厂时无法进行整体绝缘的出厂试验。这种中间接头是由一些日本電缆制造厂商,韩国电缆制造厂商相继开发成功的,用户也用得比较多。
  b、整体预制型(国外又称one piece joint)。将中间接头的半导电内屏蔽主绝缘,应力锥和半导电外屏蔽在制造厂内预制成一个整体的中间接头预制件。与上述组装式预制型中间接头比较,它的材料是单一的橡胶,因此不存在上述由于大量界面引起的麻烦。现场安装时,只要将整体的中间接头预制件套在电缆绝缘上即成。安装过程中,中间接头预制件和电缆绝缘的界面暴露的时间短,接头工艺简单,安装时间也缩短。由于接头绝缘是一个整体的预制件,接头绝缘可以做出厂试验来检验制造质量。这种接头是由欧美电缆制造商开发的,比较受用户欢迎,在我国已普遍使用。
  2、制作高压交联聚乙烯电缆中间接头的关键性要点
  (1)绝缘界面的性能
  在电缆附件的绝缘中有不少多种介质交界的地方,不同介质的交界面称为界面。XLPE电力电缆,由于其交联聚乙烯材料独特的绝缘特性,使这种电缆的绝缘强度很高,在一般情况下,本体主绝缘击穿的可能性很小。同时配套的电缆附件,不论是什么形式(如热缩、预制、冷缩、插接式等)都是用具有较高绝缘特性的绝缘材料制成,附件本身的绝缘也不成问题,所以只剩下电缆绝缘本体和附件之间的界面绝缘问题。可以把界面设想为一层很薄且由多种介质复合的绝缘物体,这种绝缘中包含有不均匀散布的材料粒子、上下绝缘凹凸物、少量水分、气体和溶剂等,由于以上各种因素及外界压力的作用,使界面基本上没有本征的电气参数,这些参数随内因和外界条件的变化而变化。问题的严重性还在于这些界面往往处在电缆附件绝缘高场强的位置,例如中间接头的反应力锥处、终端的应力锥根部等位置。这就使它成了制约整个电缆附件绝缘性能的决定因素,也成了电缆附件绝缘的最薄弱环节。
  尽管电缆附件绝缘设计时已采取了适当的裕度,保证一般电缆在使用中不会出现问题,但由于目前国内电力电缆制造工艺千差万别,使得同一截面电缆的绝缘外径相差非常大。所以,在安装电缆附件时,一定要注意电缆绝缘表面的处理和界面压力。   a、 电缆绝缘表面的处理
  常规的电缆绝缘表面的处理方法是用刮刀、玻璃片等工具刮削后用砂纸抛光。对11OkV及以上电压等级的高压交联电缆附件来说,电缆表面的超光滑处理是一道十分重要的工艺。如图1所示,可以看出处理电缆绝缘表面用的砂纸目数应该在600目以上,这样才能保证绝缘表面有很好的光滑度,从而提高局部放电电压。
  b、 界面压力
  界面压力的重要性如图2所示。这是从实验室得到的XLPE电缆附件界面的绝缘强度与界面上所受的压紧力的关系曲线。可以看出,界面的绝缘强度与压紧力呈指数关系。
  由图2可见,界面压力达到98kPa时界面的击穿场强达到3kv/mm;如果界面压力达到500~588kPa,界面的击穿场强就能达到11 kv/mm。因此,提高压紧力能有效提高界面的绝缘强度。但不要简单地认为,只要接头时多用一点劲就可以提高界面压紧力了。界面压紧力除了取决于绝缘材料特性外,还与电缆的绝缘直径的公差和偏心度有关。有时候相同电压等级、相同的导体截面,不同的生产厂家电缆的绝缘直径和偏心度会相差很多。如不注意这一事实,配用的预制型电缆附件难免出现因界面压紧力不够而降低电缆附件电气裕度或者界面压力过大而损坏橡胶预制件的可能。作为从事安装高压交联电缆附件接头的工作人员应该知道和牢记这一条原理,严格按照工艺规程处理界面的压紧力。
  (2) 绝缘回缩问题
  XLPE电缆在生产时,电缆的内部会留有应力,这应力会使电缆导体附近的绝缘向绝缘体中间呈收缩的趋势。当切断电缆时,就会出现电缆绝缘逐渐回缩和露出线芯的现象。这种电缆绝缘内部的应力会随时间而缓慢地自行消除,但是往往需要很长时间才能全部消失。这对仅有制作油纸电缆附件经验的工作人员来说是一个非常需要注意的问题。例如图3所示:一个高压电缆中间头在发生绝缘回缩问题后造成的后果。
  从图3中可以看到,一旦电缆绝缘回缩后,中间接头中就产生了能导致中间接头致命的缺陷——气隙。在高电场作用下,气隙很快就会产生局部放电,导致中间接头被击穿。但在现场施工时,花很长的时间等待绝缘内部的存留的应力自行消除是不可能的。为了消除回缩应力,常用方法是用加热带绕包在每相电缆上(绕包在电缆外半导电层上即可),加热到80—9O°C,保持8~12h。这样处理过的电缆95%以上的回缩应力能够被消除。剩余的部分应力在电缆附件设计时已经考虑到这一事实。例如:在预制型附件的设计中,导体连接管附近的半导电屏蔽设计得比较长,使半导电屏蔽的两端分别搭盖在电缆绝缘上10~15mm,如图4所示。由此可见,在电缆附件安装好后,即使电缆绝缘还有些回缩,导体的半导电屏蔽仍旧可以克服回缩造成的缺陷。为了保证交联电缆附件的正常运行,必须在附件施工过程中对电缆采取必要的措施,消除“绝缘回缩”的影响。
  a、加热矫直:加熱矫直一方面是为了保证终端和接头位置电缆平直度,确保电缆没有弯曲,从而保证了预制式和预制装配型附件的可靠安装。另一方面,加热矫直的过程也是一种对电缆内部应力的消除过程。通过加热和冷却,将电缆制造过程中留下的热应力消除和部分,减少了电缆绝缘的回缩量。
  b、固定设计:为了防止电缆绝缘回缩,在交联电缆附件设计中采用电缆中间接头固定装置的固定设计。
  c、接头固定装置。交联电缆预制式接头、安装尺寸要求严格,几毫米的电缆绝缘回缩往往会造成电缆接头的击穿。预制式接头一般采用的是屏蔽罩设计,一方面均匀了电缆导体连接部位的电场,另一方面屏蔽罩通过电缆绝缘上的两端槽卡住电缆绝缘层,防止电缆绝缘层的回缩。
  d、切断电缆后,留一段时间等电缆绝缘缓慢回缩。这种方法是一种消极办法,只能在无法采用以上几种办法的时候使用,其效果比以上两种方法差。各种电缆的生产过程和生产条件存在差异,绝缘回缩的程度各有不同,一般等待时间应为24h以上。
  3、高压交联聚乙烯电缆中间接头防潮与防水
  有些人认为XLPE电缆不怕受潮和进水,即使电缆两端密封不好,电缆内进入一些水分也不要紧,这种观念是错误的。XLPE电缆进水后短时间一般不会发现问题,即使电缆导体进水在进行直流耐压试验和泄漏电流试验时也不会发现影响电缆使用的问题。但是,XLPE电缆进水后,在长期的运行中会出现水树枝现象,即电缆导体内的水分呈树枝状进入XLPE绝缘内,从而使XLPE绝缘性能下降,最终导致电缆绝缘击穿。
  XLPE电缆受潮的主要路径之一是从电缆附件进潮气或进水。电缆附件的密封一般来说总是比电缆本体差一点。潮气或水分一旦进入电缆附件后,就会从绝缘外铜丝屏蔽的间隙或导体的间隙纵向渗透进入电缆,从而危及整个电 缆系统。因此,在安装电缆附件时,应该十分注意防潮,对所有的密封零件必须认真安装。需要指出的是,在直埋敷设时的中间接头,必须有防水外壳。电缆受潮的另一途径是电缆两端密封不好和电缆护套受损,水分沿着电缆端头或受损部位进入电缆本体,这就要求施工人员,在施工过程中严格执行各种施工规定,在电缆施放完毕和制作电缆头前,要对电缆两端、电缆本体及外护套进行严格的检查;如发现电缆受潮,应将该段电缆锯掉或进行干燥处理后,重新检查以确保电缆使用寿命。
  为了防止交联电缆在运行中引发“水树枝”电缆附件必须采用严格的密封结构,高压交联电缆本体的防水结构主要有金属护套(如铝护套、铅护套)或复合护层(铅箔和聚合物材料)。对于不同的护层结构、附件采用不同的密封方式来保证电缆在安装过程中不受潮气的影响。
  a、金属护套采用金属密封方式——封铅。铝护套采用封铅的方法必须采用特殊的焊料,以保证铝护套和铅焊料的融和。对铝护套进行预处理的方法有多种,目前主要采用以锌锡合金为主的焊料对铝护套进行了预先处理(即搪底铅)。
  b、复合护层的防水依靠铝箔,在附件中不宜采用延续铝箔的方法,宜采用阻水的方法。这种方法的主要材料是阻水带。利用阻水带遇水膨胀的物理特性,防止水对电缆的侵害。   c、典型非金属密封方法
  ①从切除的护层上切一条宽20mm的聚乙烯条
  ②将电缆护层和聚乙烯条表面清洁处理。
  ③聚乙烯条应设置在距离屋管下边40mm的电缆护层圆周上。
  ④用电热喷枪将聚乙烯条熔焊在电缆护层上。
  ⑤在尾管下沿和聚乙烯条间填充包绕丁基胶带。
  ⑥将接地线沿电缆均匀设置好。
  ⑦在尾管的下沿处,分别半搭盖包绕二层自粘性丁基胶带,二层防水带和二层聚氯乙烯自粘带用作密封。
  4、高压交联电缆附件安装特殊要求:
  a、对安装环境的特殊要求:
  ①高压交联电缆附件安装要求有可靠的防尘装置。在室外作业,要搭建防尘棚、施工人员宜穿防尘服。接头井内及周边铺上防尘布。
  ②环境温度应高于0℃,如果达不到这一条件,应增加保暖措施。
  ③相对湿度应低于75%,在湿度较大的环境中,应进行空气调节,推荐用空调器调节湿度,不提倡使用去湿机,去湿机会影响施工人员的身体健康。
  ④施工现场应保持通风。在电缆层、工井中施工,应增加强制通风。
  b、适当精度的测量工具:
  交联电缆附件安装对精度要求比较高。在进行安装以前必须仔细阅读附件施工工艺,特别对于预制装配式电缆附件,往往提供的尺寸允许偏差在1~2mm,这就要求在施工的过程中特别注意施工的要领,并应配适当精度的测量工具。
  c、允许公差:
  交联电缆附件,特别是采用过盈配置的预制式附件,对于电缆本体尺寸要求比较高。由于交联电缆的生产过程中可能出现电缆编心现象(0.5~1.0mm)。会造成施工过程中电缆绝缘与预制件配合的允许公差缩小,从而影响电缆附件的使用寿命。因此,在制作电缆接头时应充分考虑电缆的偏心问题,必要时做一些技术处理。
  d、必要的专用工具:
  交聯电缆高压附件的安装必须配备专用工具。只有在专用工具的帮助下,才能保证电缆附件的安装质量,绝对不能在没有专用工具或者专用工具损坏的情况下,盲目进行施工。
  e、安装前,应该仔细阅读制造厂提供的产品安装说明书,认真清点附件数量。严格按照制造厂规定的安装程序进行安装。施工人员不得擅自更改电缆的剥削尺寸和电缆附件的安装位置,更不允许用其它材料替代电缆附件内配套材料。
  5、结论
  从以上电缆附件安装施工的介绍中可以得到以下几点:
  (1) 绝缘界面的处理是中间接头的重要环节,绝缘界面的超光处理是一道十分重要的工艺,预制型电缆附件是否达到应有界面的压紧力、超光处理的好坏是重点关键。
  (2) 电缆处理时的绝缘回缩,必须对电缆本体加热,并控制温度与时间,及电缆矫直保证接头位置的电缆定位尺寸平直度,确保电缆没有弯曲。
  (3) 密封处理到位是防止电缆进行中引发“水树枝”的关键,处理好防水、防潮是关系到中间接头能否安全可靠运行重要环节。
  (4)高压交联电缆附件对安装环境的特殊要求以及使用必要的专用工具,适当精度的测量工具,允许公差把握等对高压交联电电缆附件安装质量都起到至关重要的作用。
  高压交联聚乙烯电缆中间接头制作是一项技术要求较高、专业知识较强的工作,要保持运行中的电缆附件有良好的性能,不仅要设计合理、材料性能好、加工质量可靠。而且对安装人员的业务素质、专业知识及技能水平都有较高的要求,安装人员要充分了解附件安装的关键性问题,特别是它的尺寸定位精确度要求较高,每道工艺一环扣一环,出错一个重要的环节可能带来重大的损失。此外还要熟悉电缆附件安装的工艺步骤,而且要有相应的工艺标准来严格控制。以确保电缆接头的质量。
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