2、更多會(huì)員功能。
首頁 > 行業(yè)資訊
[行業(yè)新聞] 正確認(rèn)識(shí)高壓電纜阻水特性、緩沖層材料阻水特性和高壓電纜緩沖層結(jié)構(gòu)的三角關(guān)系
P:2019-09-28 21:36:24
1
一是“半導(dǎo)電緩沖阻水帶材料考核要求的缺失”。由于電力電纜內(nèi)部材料之間存在相容性的特點(diǎn)，國內(nèi)一直在使用的半導(dǎo)電緩沖層材料缺少針對(duì)這方面的考核要求。
二是“產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求不清晰”。高壓電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中半導(dǎo)電緩沖層的作用描述不夠清晰，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇等方面考慮不夠仔細(xì)，容易形成電纜徑向電流的集中，局部緩沖層發(fā)熱引發(fā)燒蝕或加速白色粉末的形成。
三是“半導(dǎo)電緩沖阻水層吸濕性強(qiáng)認(rèn)識(shí)不夠”。原材料制造、包裝、運(yùn)輸、使用的過程和電纜安裝等環(huán)節(jié)中沒有充分認(rèn)識(shí)半導(dǎo)電緩沖阻水帶吸潮強(qiáng)的特點(diǎn)，半導(dǎo)電緩沖帶吸潮是加速白色粉末形成的主要原因。
研究結(jié)果表明：高壓電纜阻水特性、緩沖層材料阻水特性和高壓電纜緩沖層結(jié)構(gòu)三者之間是相互制約的，過分強(qiáng)調(diào)三者中的某一個(gè)方面，都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。三者之間的關(guān)系如圖1所示。
圖1：緩沖層材料阻水特性、電纜阻水特性和電纜護(hù)層結(jié)構(gòu)
三者之間的關(guān)系
高壓電纜用半導(dǎo)電阻水帶材料
有人認(rèn)為增加半導(dǎo)電阻水帶材料中的阻水粉含量，能夠提高高壓電纜的阻水性能，簡(jiǎn)單的看是是乎有一定的道理，但如果電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，也不能夠滿足高壓電纜護(hù)層阻水性能的要求，另外也會(huì)帶來相容性的問題。
1. 半導(dǎo)電阻水帶材料中的阻水粉含量與pH值的關(guān)系
大量試驗(yàn)研究表明：高壓電纜緩沖層中出現(xiàn)白色粉末斑點(diǎn)與緩沖層中阻水粉有密切的關(guān)系，白色粉末物質(zhì)為三氧化二鋁、碳酸鈉或碳酸氫鈉，形成這些物質(zhì)的根本原因是阻水粉材料是聚丙烯酸鈉粉末，在吸收空氣中的潮氣（水分）后，形成OH-離子與鋁護(hù)套起化學(xué)反應(yīng)，生成氫氧化鋁，然后再分解生成三氧化二鋁白色粉末；和與空氣中的CO2和Na+起反應(yīng)生成碳酸鈉或碳酸氫鈉。如果減少緩沖帶材中阻水粉材料--聚丙烯酸鈉含量，那么即使緩沖層吸潮后，生成的OH-離子量也會(huì)減少，相當(dāng)于其溶液的pH值小，形成白色粉末的概率就會(huì)降低或者形成較少的白色粉末。
為了證明阻水粉含量與pH值的關(guān)系,我們做了二組典型的對(duì)比試驗(yàn)。一組是國產(chǎn)阻水粉不同含量的pH值試驗(yàn)，另外一組是同含量的國產(chǎn)阻水粉與進(jìn)口阻水粉的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表1。
表1：不同含量的阻水粉對(duì)應(yīng)的pH值
測(cè)試方法為新編中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CAS 374-2019《額定電壓26/35kV以上擠包絕緣電力電纜用半導(dǎo)電緩沖層材料》附錄C-- pH值的試驗(yàn)方法。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案中“阻水粉含量”是指阻水帶生產(chǎn)工藝中規(guī)定的單位平方米阻水帶上涂敷的阻水粉重量。
從表1我們可以看出，阻水帶中不同含量的阻水粉其規(guī)定溶液中pH值不同，pH值的大小與阻水粉含量成正比，因此降低阻水帶中的阻水粉含量對(duì)抑制緩沖層白色粉末的形成或降低白色粉末數(shù)量是至關(guān)重要的。
降低阻水帶中的阻水粉含量不等于降低了高壓電纜護(hù)層的阻水特性，這與電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系密切。
從表1中我們還可以看出，國產(chǎn)阻水粉與進(jìn)口阻水粉的差異，在同量基礎(chǔ)上，進(jìn)口阻水粉的pH值明顯優(yōu)于國產(chǎn)的。
另外，國產(chǎn)和進(jìn)口阻水粉溶解在水中的行為看，進(jìn)口阻水粉溶解液均勻，國產(chǎn)阻水粉有分層現(xiàn)象，見圖2。這種分層現(xiàn)象是不是與阻水效果有相關(guān)性，還需要深入研究。
2. 半導(dǎo)電阻水帶材料pH值的確定
之前無論半導(dǎo)電緩沖層材料生產(chǎn)企業(yè)還是電纜制造企業(yè)對(duì)半導(dǎo)電阻水緩沖層的pH值即酸堿度的要求都未給予高度重視，JB/T 10259-2014《電纜和光纜阻水帶》中阻水型半導(dǎo)電帶對(duì)酸值也沒有要求，也就是說大家對(duì)這個(gè)要求都沒有考慮或關(guān)注到，通過研究表明這個(gè)指標(biāo)相當(dāng)重要，與高壓電纜緩沖層白色粉末的形成密切相關(guān)，也是高壓電纜結(jié)構(gòu)中各元件之間相容性的特點(diǎn)。那么半導(dǎo)電緩沖層pH值如何確定？從電纜產(chǎn)生故障的原因考慮，pH越小越好，但既要考慮阻水效果又要考慮pH值大小，應(yīng)從國內(nèi)原材料實(shí)際出發(fā)，制定一個(gè)目前有一定供應(yīng)商能夠達(dá)到的指標(biāo)要求較客觀，如果pH值指標(biāo)要求定苛刻了，大家都滿足不了，不現(xiàn)實(shí)，如果定寬松了，又達(dá)不到抑制故障的發(fā)生。我們通過大量的試驗(yàn)研究，在T/CAS 374-2019《額定電壓26/35kV以上擠包絕緣電力電纜用半導(dǎo)電緩沖層材料》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定pH值應(yīng)不超過7.2±0.3。研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
對(duì)于半導(dǎo)電緩沖帶原材料供應(yīng)商來講，生產(chǎn)的半導(dǎo)電緩沖帶pH值要滿足T/CAS 374-2019標(biāo)準(zhǔn)要求，可以通過選擇阻水粉原材料或降低阻水粉的含量能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
高壓電纜護(hù)層阻水特性
試驗(yàn)方法規(guī)定：應(yīng)從經(jīng)過彎曲試驗(yàn)后的電纜上截取一段3 m長的電纜，并水平放置。應(yīng)在電纜中間部位切除一段寬約50mm的圓環(huán)。切除的圓環(huán)應(yīng)包括絕緣屏蔽以外的所有各層材料。采用適當(dāng)?shù)难b置（見圖3），將一根內(nèi)徑至少為10 mm的管子垂直放置在切開的圓環(huán)上，并與外護(hù)套表面相密封。電纜穿出該裝置處的密封應(yīng)不在電纜上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。
應(yīng)在5min內(nèi)向管子內(nèi)注入溫度為（20±10）℃的水，使管中水柱高于電纜中心1 m（見圖3）。
注水后的試樣裝置應(yīng)放置24 h。
然后應(yīng)在試樣上施加10次加熱循環(huán)。應(yīng)采用適當(dāng)方法加熱導(dǎo)體，直到其溫度達(dá)到電纜正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)體最高溫度以上5 K到10 K之間的一個(gè)穩(wěn)定溫度，但不應(yīng)達(dá)到水的沸點(diǎn)。應(yīng)至少加熱8 h。在每一個(gè)加熱期內(nèi)，導(dǎo)體溫度應(yīng)保持在上述溫度范圍內(nèi)至少2 h，隨后應(yīng)自然冷卻至少16 h。
水頭應(yīng)保持在1 m。
考核要求：試驗(yàn)期間，電纜試樣兩端應(yīng)無水分滲出。
圖3：高壓電纜護(hù)層阻水（透水）試驗(yàn)裝置示意圖
從上述高壓電纜阻水試驗(yàn)方法描述看，高壓電纜阻水試驗(yàn)?zāi)芊裢ㄟ^，取決于絕緣屏蔽和金屬護(hù)套之間的間隙和阻水材料的阻水性能，二者相互協(xié)調(diào)才能滿足阻水的要求，而之前行業(yè)中評(píng)價(jià)半導(dǎo)電緩沖材料阻水性能都采用JB/T 10259-2014《電纜和光纜阻水帶》中“膨脹高度和膨脹速率”的指標(biāo)來衡量，如何將半導(dǎo)電緩沖帶材料的“膨脹高度和膨脹速率”與高壓電纜護(hù)層阻水（透水）性能聯(lián)系起來，沒有人做過專門研究，如果做研究也無從入手，也就是說半導(dǎo)電緩沖帶材料的“膨脹高度和膨脹速率”雖然是衡量半導(dǎo)電緩沖帶的阻水特性指標(biāo)，但無法指導(dǎo)高壓電纜的阻水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此需要建立一個(gè)全新的試驗(yàn)方法，能衡量半導(dǎo)電緩沖帶的阻水性能，設(shè)定的考核指標(biāo)同時(shí)也能給設(shè)計(jì)高壓電纜阻水結(jié)構(gòu)帶來參考信息。
在制定T/CAS 374-2019標(biāo)準(zhǔn)之前，我們專門進(jìn)行了這方面的研究，在該標(biāo)準(zhǔn)中我們規(guī)定和定義了“阻水速率”這個(gè)項(xiàng)目--阻水型半導(dǎo)電緩沖帶材料的平均阻水速率不大于20.0mm/h。
其試驗(yàn)方法如下：
1）從防潮包裝中取出成品半導(dǎo)電緩沖帶，剪取三個(gè)試件，每個(gè)長度1000mm。
2）將三個(gè)試件重疊放置于阻水速度試驗(yàn)裝置（圖4）的槽內(nèi)，如果試件有蓬松纖維層，則應(yīng)朝上。
3）用厚度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)上夾具的位置，使得上夾具與槽底板的間距為2倍的試樣標(biāo)稱厚度。
4）調(diào)節(jié)阻水速率試驗(yàn)裝置處于水平狀態(tài)，在水壓裝置中加去離子水，使得水液面距離上夾具高度為1000mm，立刻計(jì)時(shí)。
5）24h后，去除水壓裝置或關(guān)閉供水，打開上夾具,測(cè)量單邊水滲透的最大距離L(mm)。
此試驗(yàn)方法的特點(diǎn)是既考核了半導(dǎo)電阻水帶的阻水特性，又考核了阻水帶膨脹特性與阻水速度試驗(yàn)裝置上下夾具之間距離的關(guān)系特性，這個(gè)關(guān)系特性給電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋁護(hù)套軋紋深度控制提供了參考依據(jù)。
圖4：阻水速率試驗(yàn)裝置
此試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)反應(yīng)了高壓電纜阻水特性與電纜結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)電緩沖帶材料阻水特性之間是相互關(guān)聯(lián)的。
高壓電纜緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
高壓電纜緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮多種因素，主要涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)是緩沖層的厚度和軋紋深度（波谷與絕緣屏蔽層之間的距離），緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮緩沖層的作用著手，緩沖層的電氣性能作用有：提供電纜充電電流通道、絕緣層泄漏電流通道、中性點(diǎn)電流通道、不平衡電流通道、故障電流通道和浪涌電流通道；緩沖層的機(jī)械性能作用有：補(bǔ)償絕緣熱膨脹和緩解因側(cè)壓力對(duì)電纜絕緣線芯的擠壓，如果是阻水結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮阻水效果。
依據(jù)研究結(jié)果，在設(shè)計(jì)阻水型高壓電纜護(hù)層結(jié)構(gòu)時(shí)，既要考慮電纜的熱膨脹問題，又要考慮鋁護(hù)套波谷與緩沖層的緊密接觸問題，緊密接觸既是六種電流在緩沖層中形成均勻通道的要求，也是緩沖層阻水特性的要求。
GB/T11017.2-2014《額定電壓110kV(Um=126kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第2部分：電纜》和GB/T22078.2-2008《額定電壓500kV(Um=550kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第2部分：額定電壓500kV(Um=550kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜》以及AEIC CS9-15《Specification for extruded insulation Power cables and their accessories rated above 46 kV through 345kV》可以看出，緩沖層或縱向阻水層或墊層與金屬層之間的接觸方式描述有差異，不夠清晰，緩沖層與金屬層的接觸方式會(huì)影響到電纜運(yùn)行的壽命。
在GB/T11017.2-2014標(biāo)準(zhǔn)中這樣要求的：“緩沖層應(yīng)是半導(dǎo)電的，以使絕緣半導(dǎo)電屏蔽層與金屬屏蔽層保持電氣上接觸良好”，對(duì)于二個(gè)導(dǎo)電的物體，保持電氣上接觸良好，以下三種接觸方式都可以達(dá)到電氣上的接觸良好：
圖6：二個(gè)物體線接觸
圖7：二個(gè)物體面接觸
假定A物體和B物體都是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，，從圖5、圖6和圖7我們可以理解A物體和B物體都是電氣上接觸良好的，假定三種接觸狀態(tài)下A物體流到B物體的電流是一樣的，那么三種狀態(tài)接觸點(diǎn)的電流密度相差很大。
圖8：皺紋鋁套波谷與絕緣屏蔽之間通過緩沖層點(diǎn)接觸
對(duì)于GB/T22078.2-2008標(biāo)準(zhǔn)，緩沖層與金屬層接觸的要求未提及，這是不妥之處，從其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來看，規(guī)定電纜徑向電流的通道是非常重要的。
對(duì)于AEIC CS9-15《Specification for extruded insulation Power cables and their accessories rated above 46 kV through 345kV》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)緩沖層與金屬層接觸要求的提法有別于國標(biāo)，金屬屏蔽層/金屬護(hù)套應(yīng)與其下面的半導(dǎo)電層連續(xù)的或頻繁的（對(duì)于皺紋護(hù)套）電氣接觸，為絕緣充電和泄漏電流、中性線電流、相不平衡電流、故障電流和浪涌電流提供一個(gè)同一中心的導(dǎo)電路徑（a concentric conducting path）。這里強(qiáng)調(diào)了連續(xù)的電氣接觸，并給六種電流提供一個(gè)同一中心的導(dǎo)電路徑，特別提到皺紋金屬護(hù)套應(yīng)頻繁的電氣接觸（也就是周期性的接觸），如何理解“a concentric conducting path”？如果緩沖層與金屬層是面接觸形式，如綜合護(hù)層結(jié)構(gòu)，平滑金屬護(hù)套結(jié)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)同一中心的電流導(dǎo)電路徑比較方便，如果是金屬皺紋護(hù)套結(jié)構(gòu)，如圖5所示，此時(shí)的軋紋必須深、緊密，保證軋紋波谷四周都與緩沖層緊密接觸，才能保證徑向電流是在各個(gè)方面都有路徑，這是AEIC CS9-15標(biāo)準(zhǔn)所要求的。
圖9：同一中心的導(dǎo)電通路示意圖
對(duì)比GB標(biāo)準(zhǔn)和AEIC CS9-15標(biāo)準(zhǔn)，在緩沖層與金屬護(hù)層接觸表述上有差異，AEIC CS9-15標(biāo)準(zhǔn)表述清楚，不僅規(guī)定了電氣上連續(xù)接觸，還規(guī)定了徑向電流的流向分布，這對(duì)電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者來講，如何考慮緩沖層的厚度？如何設(shè)計(jì)軋紋深度？都給出了明確的要求。
再回過頭來看看我們現(xiàn)在的電纜結(jié)構(gòu)，怕絕緣熱膨脹皺紋金屬護(hù)套波谷擠壓絕緣，或者滿足安裝者便于取出金屬護(hù)套的要求，設(shè)計(jì)過盈的結(jié)構(gòu)間隙，給電纜長期安全運(yùn)行埋下了一個(gè)隱患。
從緩沖層電氣作用的要求看，鋁護(hù)套波谷與緩沖層接觸越緊越好，但又會(huì)帶來另外一個(gè)問題，就是絕緣熱膨脹后絕緣受壓?jiǎn)栴}，因此應(yīng)綜合考慮電纜護(hù)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，鋁護(hù)套內(nèi)徑、緩沖層厚度和軋紋深度三者要協(xié)調(diào)。高壓電纜緩沖層厚度需要考慮阻水的效果、絕緣熱膨脹，所以不能太薄，根據(jù)前述考慮到緩沖層與金屬護(hù)套要盡可能的增加接觸面積，因此軋紋要深一些，在任何情況下鋁護(hù)套波谷的整個(gè)圓周都保證與緩沖層接觸，無論是絕緣線芯圓周的底部還是頂部都與波谷接觸，在這種結(jié)構(gòu)情況下能最大限度的提高了鋁護(hù)套與緩沖層的接觸面積，因此緩沖層還應(yīng)加厚，保證鋁護(hù)套波谷與絕緣屏蔽層之間的緩沖層厚度能吸收掉絕緣熱膨脹帶來的直徑增加值。
我們給出以下絕緣屏蔽層與鋁護(hù)套之間的距離如何確定的示例，供參考。如圖10所示，灰色為交聯(lián)聚乙烯絕緣，黃色為絕緣屏蔽層，黑色為半導(dǎo)電緩沖層，淡藍(lán)色“曲線”為皺紋鋁護(hù)套，△為緩沖層無壓力情況下繞包的厚度，△1鋁套波谷軋入緩沖層的深度。
圖10：皺紋鋁護(hù)套軋紋深度示意圖
在這里提出△1的概念就是保證繞包緩沖層的底部和頂部都與鋁套波谷緊密接觸。
建議λ取0.66左右；110kV的電纜△取4.0～4.5mm；220kV的電纜△取4.5～5.5mm；500kV的電纜△取5.0～6.5mm。
引入λ的數(shù)值是為了保證當(dāng)電纜處于自由狀態(tài)時(shí)，不僅電纜線芯的底部鋁護(hù)套與緩沖層緊密接觸，也能保證鋁護(hù)套波谷四周都與緩沖層緊密接觸，這樣也能保證絕緣熱膨脹后絕緣不受擠壓。
總結(jié)
1. 為了滿足高壓電纜阻水性能要求，過分追求半導(dǎo)電緩沖帶阻水性能要求，會(huì)帶來pH的增大，為高壓電纜緩沖層產(chǎn)生白色粉末，甚至發(fā)展到電纜本體擊穿提供了基本條件之一，這種要求是不科學(xué)的；
2. 降低阻水型緩沖帶pH的措施有：選擇合適的阻水粉或降低緩沖層帶中阻水粉的含量；
3. 綜合考慮阻水帶的阻水性能和電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高壓電纜護(hù)層的阻水特性要求；同時(shí)考慮采用較低的pH值半導(dǎo)電阻水緩沖帶，抑制緩沖帶吸潮后白色粉末的形成；鋁護(hù)套與緩沖層緊密接觸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅保證緩沖層內(nèi)六種電流通道的均勻性，同時(shí)也保證了絕緣熱膨脹后不受擠壓。
lead-wire compensation - 導(dǎo)線補(bǔ)償,導(dǎo)引線補(bǔ)償 （1） 投訴
9
