高压电缆运行时缓冲层存在的分压电压分析*

2021-10-25 05:07卞佳音单鲁平孔诗琦刘晓东刘培镇罗小琨
机电工程技术 2021年9期
关键词:铜带护套屏蔽

卞佳音,单鲁平,张 珏,孔诗琦,刘晓东,刘培镇,罗小琨

(1.广东电网有限责任公司广州供电局,广州510620;2.广州南洋电缆集团有限公司,广州511356)

0 引言

随着国民经济的高速增长,社会总用电量也在逐年攀升。广大用户对电力的需求与日剧增,对供电的可靠性要求也越来越高。近年来全国各地出现多起因缓冲层烧蚀缺陷导致的电缆故障。缺陷主要表现为半导电缓冲阻水带上附着白色灼伤点,其中部分已损伤至绝缘屏蔽层,推测该缺陷的持续恶化将完全贯穿绝缘屏蔽层直至危及主绝缘,最终引发停电事故,严重影响城市电网运行安全[1]。因此,准确分析缓冲层故障原因对保障电网安全稳定运行具有重要指导意义。

目前电力电缆缓冲层故障实际案例分析的文献较少,故障原因的研究中大多又只给出定性的研究结论,或是通过实验或仿真描述烧蚀在施加电压情况下缓冲层发生烧蚀的机理与现象。欧阳本红等[2]通过有限元仿真建模方法分析了缓冲层生产绝缘白色物质对铝护套与绝缘屏蔽之间电场分布的影响,分析了电缆发生缓冲阻水烧蚀的可能性。刘书全[3]介绍了缓冲层阻水设计和试制过程以及工艺要点,对高压电力电缆缓冲层的设计具有很大的参考价值。杨帆等[4]使用Simulink平台搭建了高压电缆缓冲层分布式电路模型,从电路理论与实际实验上分析验证了白色粉末对缓冲层阻抗的影响。汪传斌、金海云[5]运用有限元仿真软件Ansys仿真计算了高压电缆的电场分布,列举了各种缓冲层结构,分析了不同优化结构条件下缓冲层内电场分布情况。澳大利亚的Charles Q Su[6]报告了一起230 kV高压电力电缆缓冲层烧蚀的案例,认为金布内铜丝数量不足将导致绝缘外屏蔽和铝护套之间电气接触不良,进而引起金布内屏蔽铜丝的局部过热,进而导致烧蚀。与Su的观点相符的是,上海电力检修公司对一条双回线路进行了长期局放监测[7],结果局放信号显著增大的一回电缆解剖后发现显著的缓冲层烧蚀痕迹,进一步分析表明这是因为金布结构内的铜丝直径远小于标准要求。

综合上述可知,关于高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的缓冲层放电烧蚀研究,目前大部分文献主要从有限元仿真、电路建模以及白色粉末生成及其电气特征分析,以及高压电力电缆缓冲层结构设计方面对缓冲层进行研究。对缓冲层工作情况做出评价的可观测电气性能指标及其在运行电缆中的测量方法研究较少。

由高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的缓冲层结构可知,缓冲层在正常工作情况下将承受一定的分压电压,同时,金属护层及其下的缓冲层要为绝缘充电电流、泄漏电流、中性电流、相间不平衡电流、故障电流、浪涌电流提供同心的导电通路[8]。

当缓冲层阻抗较大,未能为金属护套与绝缘屏蔽之间提供良好的电气接触时,缓冲层上将承受较大的分压电压。测量该分压电压有助于实现缓冲层工作状态的评价。然而,从运行电缆的结构上来看,绝缘屏蔽层并非理想的导电电极,直接以金属护套与绝缘屏蔽作为电极测量得到缓冲层分压电压将偏大。但运行电缆的结构不可改变,因此需要一个可以推算得到分压电压的方法。准确地测量出运行电缆分压电压,意义重大。

综上所述,为理解使用绝缘屏蔽直接作为测量电极引入的误差以及获得相对精确的缓冲层分压电压,本文旨在通过进行电缆试验,得到未包绕铜带的运行电缆的缓冲层视在分压电压与真实分压电压结果,通过数学模型找出视在电压与真实电压之间的关系。

1 分压电压测量理论

1.1 电极影响

国内生产高压电力电缆结构较为统一,目前国内生产高压电力电缆其轴向剖面图中部分结构如图1所示,缓冲层作为绝缘屏蔽与铝护套之间的衬层,要能在绝缘屏蔽与金属护套之间提供良好的电气接触。

图1 电缆部分结构轴向剖面

在电缆生产过程中,导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层在导体外部通过三层共挤工艺同时挤出绝缘屏蔽为半导电性质。具体而言,国标《额定电压110 kV(Um=126 kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件第一部分:试验方法和要求》中指出额定电压110 kV电缆的绝缘屏蔽老化前和老化后的体积电阻率不应超过500 Ω∙m[8]。一般工程上定义导体的电阻率在10-8~10-5Ω∙m[9],半导体的电阻率为10-5~107Ω∙m,绝 缘 体107~1018Ω∙m,可见屏蔽层电阻较导体电阻仍有一定差距。将其视为导体并直接作为用于测量电压的电极必然引入较大的误差,具体如图2所示。

图2 以屏蔽层作为电极时的等效电路

将铝护套与绝缘屏蔽之间的电阻记为Ra,该电阻主要为缓冲层电阻;绝缘屏蔽层在导电通路中的电阻记为Rb,由于绝缘屏蔽层非理想电极,则电阻Rb较大,在计算过程中不可忽略。因此若以绝缘屏蔽作为电极一端,以金属护套作为另一端测量得到的电压实为电压Uab,称为视在电压,并非以节点a、c为电压表两端测得的真正缓冲层分压电压Uac。根据电路图也可以看出,视在电压的测量结果增加了通过绝缘屏蔽的横向电压Ubc,因此视在电压将较真实值偏大。此外,由于绝缘屏蔽层表面并不能被视为理想等势面,因此测量过程中电压表的绝缘屏蔽一极仅为点电极,将电极放在空间不同位置也会导致测量结果不同。

根据上述分析可知,影响测量结果偏大的原因主要来源于绝缘屏蔽层电阻Rb,且电极接绝缘屏蔽层一端为点接触电极并非面接触电极。因此,为了改善这一状况,在缓冲层与绝缘屏蔽之间绕包铜带如图3所示。

图3 绕包铜带后的电缆轴向剖面结构

铜为良导体,此时铜带在绝缘屏蔽层表面可以等效为一层等势面。以铜电极替代绝缘屏蔽电极电路如图4所示,电极两端电压Uab=Uac,测量电压即为缓冲层分压电压。

图4 以铜带为电极的等效电路

1.2 分压电压推算模型

由于目前工程实际中运行电缆均不存在上述铜带绕包结构,因此对其分压电压测量时需要以绝缘屏蔽作为电压电极。如上所述,该电极的使用将引入误差使得测量结果偏大。因此有必要通过实验,获得铜带绕包电缆测得的实际分压电压V0与以绝缘屏蔽层为电极测得视在电压V1之间的数学关系:

根据该数学模型,可以将不准确的视在电压折算为精确值,因此在实际生产中并不需要为测量分压电压增加多余的绕包铜带结构。通过该关系可以直接进行视在电压与真实分压电压的折算,简化测量过程,实现系统中运行行电力电缆缓冲层分压电压的准确计算。

1.3 实验回路设计

通过对比绕包铜带与未绕包铜带电缆的分压电压,对绕包铜带时缓冲层分压电压结果进行分析,总结出实际分压电压与工程中视在电压的关系。为了验证该分析的合理性,具体探究实际电压与视在电压之间的关系,本文设置实验回路如图5所示。对于单点接地交联聚乙烯电力电缆而言,在其正常工作过程中流过缓冲层的电流主要是绝缘泄漏电流,理论分析知该电流仅与电缆绝缘结构、电压等级以及工作频率有关。若进行电缆负载实验,较大的线芯电流可能产生较大的电磁干扰,为了避免电磁干扰可能对实验的影响,本次实验为空载试验,导体一端开路,另一端接于串联谐振系统上。金属护套接地,将电压测量表一端接于绝缘屏蔽(或铜带上),另一端接金属护套,对分压电压进行测量。

图5 实验回路设计

2 实验准备

实验前准备好2根25 m的64/110 kV 1×800 mm2电缆。一根电缆为正常结构生产,另一根25 m电缆交联线芯表面完全绕包铜带后再绕包半导电缓冲阻水带,铜带规格0.1 mm×40 mm。

将电缆两端头按实验设计处理,装好附件,用电缆支架固定如图6所示。缓冲层分压电压取自绝缘屏蔽-金属护套的电压,如果单纯在绝缘屏蔽引出根测量线,因为点接触测量的误差要大于面接触,所以在正常结构电缆绝缘屏蔽绕包一层铜带后再引出测量电极如图7所示。另一根已经绕包铜带的电缆直接在铜带表面引出测量电极。

图6 实验回路实物

图7 绝缘屏蔽表面绕包铜带

同时对2根25 m电缆试样进行施加电压,逐级升压的过程中实时监测电缆的分压电压,并记录数据。测量过程中使用屏蔽传输线以减小长信号线上的电磁干扰以提高测量精度。

3 实验结果

在进行电缆空载升压实验的过程中记录了电压表测量得到的缓冲层分压电压,记录数据的过程中保持高压端串联谐振系统输出电压不变,测量结果如表1所示。

表1 电缆A、电缆B分压电压实验数据

图9 所示为电缆A与电缆B中测量的分压电压大小比较。电缆A在绕包铜带后,以铜带为测量电极得到的分压电压小于电缆B以绝缘屏蔽为电极测量的分压电压,这一数据与前述理论分析相符。

图9 电缆A与电缆B分压电压

进一步通过比较电缆A与电缆B的分压电压大小,可以得到二者间函数关系。拟合结果如图10所示,二者之间呈现出十分显著的线性关系,拟合得到:

图10 电缆A与电缆B分压电压测量结果关系

V1=0.706V0+0.003 4

因此对于实际工程中的电缆,可以认为通过以绝缘屏蔽为电极测得的电压V1可以推算出实际缓冲层分压电压V0为:

对2根电缆缓冲层电阻进行测试,将原电压表电极以万用表电极代替,测得正常生产电缆电阻为272 Ω,绕包铜带电缆电阻为5.2 Ω。可见若将绝缘屏蔽作为测量分压电压的一极测得电阻将显著大于绕包铜带以铜带为电极的电阻,导致引入很大的误差。

4 结束语

本文首先从高压交联聚乙烯电缆的结构上分析了电缆绝缘屏蔽层、缓冲层及波纹铝护套之间的电路模型。从定义及数据上分析了以绝缘屏蔽层作为测量分压电压的电极将出现的测量不精确情况,指出通过改变电缆结构,绕包铜带可以提高测量分压电压的精确度。

本文通过绕包铜带电缆与正常电缆的分压电压测量实验,验证了理论分析过程中预测的现象。依据实验,可以得到以下结论:(1)测量分压电压的实验中,在交联线芯外侧绕包铜带以代替绝缘屏蔽作为电极,测量得到的分压电压较小,分析可知铜带为电极时得到的结果更接近缓冲层实际分压电压;(2)通过测量电阻可知,在绝缘屏蔽外侧绕包铜带显著减小了缓冲衬层的测量电阻;(3)通过比较绕包铜带与正常生产电缆的分压电压,得到二者之间呈现线性关系,该关系可为判断运行电缆缓冲层工作情况提供参考。

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