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1、关于高压XLPE电缆绝缘厚度0前言高压XLPE电缆绝缘层的必要厚度，将是保障电缆绝缘经受各种可能过电压作用下能可靠运行的基础。然而，过于保守的绝缘厚度，使电缆成本增加、电缆外径增大、电缆载流能力降低以及在限重条件下导致每盘电缆长度减少从而引起工程中电缆接头增多。在XLPE电缆统一标准中含有绝缘厚度的规定，从有助于技术性能完善、确保产品质量和符合使用要求等方面来看显然是有积极意义的，但在我国加入WTO后，高压电缆的国内外产品准入市场主要以IEC标准作为准则。在国外高压XLPE电缆绝缘普遍较薄，而国内制造厂有能力设法改进工艺、提高质量来改善原有影响绝缘厚度因素的情况下，如果国内仍一成不变地执行原厚
2、度标准，势必使很多企业失去参与国际公平竞争的机会。为此，特撰本文提出建议，希望有助妥善解决矛盾。1电缆绝缘厚度的设计方法电缆绝缘层厚度i是基于在其预期使用寿命内能安全承受各种可能电压条件来确定的，一般按工频电压、冲击电压二者均满足要求来计算。我国以及日本、英国、德国和韩国等对高压单芯电缆绝缘厚度的确定13均采用下式（1）、（2）计算结果中择取较大值的方法。(1）i=BILk1k2k3/ELimp（2）式中,ELac为符合韦伯分布的工频击穿电压（平均击穿强度）的最低值, kV/mm;ELimp为符合韦伯分布的冲击击穿电压（平均击穿强度）的最低值，kV/mm;K1、k1分别为工频、冲击电压相应的老
3、化系数；K2、k2分别为工频、冲击电压相应的温度系数；K3、k3分别为工频、冲击电压相应的裕度系数；Um为系统额定电压，kV；BIL为系统雷电冲击耐压水平，kV。部分国家对110kV以上XLPE电缆的i计算值、实选值及其相关参数择取值见表1。显然，必须正确的拟定关键性参数和其他相关参数K1K3、k1k3，以使i的择取能满足长期可靠安全运行的要求。 表1高压XLPE电缆i计算值、实选值及其相关参数择取值 Um/kVBIL/kV 国别 i实选值/mm i计算值/mm ELac/kVmm-1 Limp/kVmm-1 K1 K2 K3 k1 k2 k3 工频 冲击 500 1 425 日本2 27 2
4、4.3 24.5 40 80 2.3 1.2 1.1 1.0 1.25 1.1 500 1 550 德国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 1.1 220 1 050 中国* 27 24.6 26.5 25 60 4.0 1.1 1.1 1.1 1.25 1.1 220 1 050 中国* 26 17.4 20.6
5、 30 70 2.69 1.2 1.1 1.0 1.25 1.1* 郑州电缆厂；* 山东电缆厂，缆芯截面为800mm2。 为了有助于认识这些参数的意义，不妨通过了解日本研制500kV XLPE电缆时确定i的做法，以资借鉴启迪。1.1ELac、ELimp的确定方式1,2电缆的绝缘击穿分散性通常以韦伯（Weibull）分布表征，XLPE电缆在电场强度为E时绝缘被击穿的概率为 （3）式中,EL为位置参数；E0为尺寸参数；M为形状参数。按电缆绝缘的体积V来表征XLPE电缆在电场强度为E时绝缘被击穿的概率，则式（3）可变换成P(E)=1-exp-kV(E-EL)m（4）式中，k为相关常数。从数值统计意义
6、上看，在XLPE电缆的电场强度为最低击穿场强EL值及以下时，绝缘被击穿的概率为零。1.1.1电场强度表征值的择取23。电场强度在内半导电层处有最高场强Emax与平均场强Emean之分。Emax=U/rln(R/r)Emean=U/i式中，R、r为绝缘层、内半导电层的半径；U为电压。有的国家（法国、荷兰等）用对XLPE电缆如充油电缆同样的方式取Emax表征。在法国，对400kV XLPE电缆，绝缘厚度按工频Emaxac=16kV/mm来确定；若截面为1200mm2以下时按冲击Emaximp=85kV/mm来确定；大截面则按工频最小Emaxac=7kV/mm来制约绝缘厚度。另外，由于XLPE电缆绝
7、缘弱点（如杂质等）具有随机分布性，因此，电缆绝缘击穿实际不一定始于Emax，因而认为以Emean表征更为合理。日本、德国、英国、韩国等就采取此方式。此外，试验显示，Emax随d/D（d、D为电缆绝缘的内、外径）比值变化而变化，随电缆截面增大而趋于减小，但Emean却不随d/D比值变化而异，故在XLPE电缆的绝缘厚度为待定对象时，择取Emean较简明合适。1.1.2以包含薄绝缘层试样等测试方式确定击穿场强2日本研制500kV XLPE电缆时，在改善绝缘弱点（杂质、半导电层突起等）的生产工艺及其质量监控方面比以往275kV XLPE电缆的制造有了明显的进步。进行绝缘设计时，曾按500kV XLPE
8、电缆工艺条件制备了一批比预期绝缘厚度（2530mm）薄些（6、9、15mm）的试样。（1） 以绝缘层较薄的样品进行测试取得反映绝缘特性的基础数据。以绝缘厚度为6mm的样品40个在室温下测试其击穿场强值整理出按F(x%)的韦伯分布曲线。得到最低击穿场强ELac=57kV/mm、mac=1.4、Eoac=15 kV/mm，ELimp=112kV/mm、mimp=1.8、Eoimp=35kV/mm（电缆样品条件d、D分别为16.7mm、28.7mm）；并根据式（3）、（4），按样品长为10 m的条件算出V，可求得kac=5.27310-9/mm3、kimp=3.88510-9/mm3。 又对绝缘厚度
9、分别为6、9、15mm的3类样品分别测试其击穿场强值，察明i影响Emean的变化情况，结果归纳出测试值的关系式有： ELac(i)=78i-0.18 （5）ELimp(i)=155i-0.18（6）(2) 按500kV XLPE电缆实际尺寸（i为2730mm，截面为2500mm2，d、D分别为61.2、120.2 mm，长为20m）算出此时的V值。由式（3）、（4）可推算出此时的Eoac=1.1kV/mm、Eoimp=4.7kV/mm。当i为27mm时，由式（5）、（6）有ELac=43.1kV/mm、ELimp=85.6kV/mm；若取i为30mm时，ELac=42.2kV/mm、ELimp
10、=84kV/mm。实际择取ELac=40kV/mm、ELimp=80kV/mm，见表1中所列。（3）对500kV XLPE试制电缆的设计电场强度进行验证试验。施加电压应不小于式（1）、（2）分子项Uac=550K1K2K3/=970kV；Uimp=1425k1k2k3=1960kV。实际上，i按击穿概率63.2%相当的电压。运用上述(2)中所示数据，由式（3）算出Fac（63.2%）=44.2kV/mm，施加的工频电压应为1195（44.227）kV；Fimp（63.2%）=90.3kV/mm，施加的冲击电压应为2440（90.327）kV。由试验结果,击穿概率均小于63.2%获验证。1.2其
11、他参数确定方式1.2.1老化系数(1) 工频老化系数K1。XLPE电缆长期运行的老化特性通常以下列关系式表达Ent=常数（7）式中，E为击穿电压；t为击穿时间；n为寿命指数。电缆的工频老化系数K1可按电缆有效使用寿命（年）与施加EL的时间（1 h）之比并引入n求得(8)60年代，国际大电网会议（CIGRE）有Kreuger、Oudin先后就XLPE电缆基于抽样存在微孔的长期试验，提出n应取9较安全2,4。若按使用寿命为30年，则K1=4。日本等国家以往多按此方法设计1。90年代初，日本的研究进展对n值进行了重新评估，认为长期运行中电缆处于较低场强范围，可允许n值达到20左右；随着工艺进步，已不
12、存在影响绝缘特性的微孔；还查明XLPE绝缘交联时残存的微小水分（约100L/L）不影响老化特性。通过约1年的施加电压下老化特性试验，证实n15可行。因此，对500kV XLPE电缆的设计开始采取n=152,4。超高压XLPE电缆设计中，韩国、英国现也取n=15，但英国对含有电缆附件的情况取n=12。而德国在已取n=12基础上，对500kV XLPE电缆确定n=17，并依照使用寿命为40年计算3。（2） 冲击老化系数k1。考虑到雷电过电压重复作用引起的老化，一般取k1=1.1。但日本在进行500kV XLPE电缆设计时，既分析了以往计入一些影响k1的因素不需考虑，又进行了反复冲击以及工频叠加冲击
13、等试验，得出完全不需计入冲击老化系数的结论即取k1=1。1.2.2温度系数K2、k2考虑电缆运行温度比室温高，而绝缘击穿电压在高温下比常温时低，通常计入温度系数K2一般不小于1.1，k2一般不小于1.25。日本曾对6mm厚XLPE绝缘电缆在室温与高温下测试其工频击穿电压值的差异性，得到90 与室温，K2达1.17；230与室温，K2为1.2。因此，500kV XLPE电缆设计取K2=1.22。日本90年代报导XLPE电缆室温与90下击穿电压差别，所显示的温度系数与绝缘厚度有关系。如i为67 mm时，K2=1.05；i为1927mm时，K2=1.12。又i分别为2.5、9、13mm时，K2相应为
14、1.33、1.17、1.294。因此，现行K2、k2的择取值或许并非最恰当，适当提高些将有利于安全。1.2.3裕度系数一般多取1.1。德国对新开发的500kV XLPE电缆取K3=1.15，或许有其偏安全的考虑。1.3电缆绝缘设计关于可靠性的考虑3除上述绝缘设计按初期击穿场强的击穿概率为零的方法外，法国在式（3）中计入电缆长度（体积）这一要素，即按实际电缆事故概率值是否合乎预期要求来判断。他载于法国1505 00kV交联聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯绝缘电缆标准HN33-S-55中。 表2日本2277kV XLPE电缆绝缘厚度年度变化42XLPE电缆绝缘减薄的技术发展2.1日本XLPE电缆绝缘减薄进程概况XLPE电缆问世以后，通过长期实践和深化认识，随着不断改进制造技术与工艺、改善构造方式的努力，多年来日本XLPE电缆经历了分阶段减薄绝缘厚度的发展变化，变化情况见表2、表3。由表2、表3可见：（1）各电压等级XLPE电缆都在
