下载文档原格式
"+$&年第,期;76,!"+$&电线电缆J 401S /.1_./0‘<2340"+$&年*月M WR6&"+$&高压HI C J 绝缘电力电缆缓冲层与金属护层结构设计仿真计算与优化汪传斌$$!金海云"!$6新远东电缆有限公司&江苏宜兴"$’"#)’"6西安交通大学电气绝缘研究中心&陕西西安)$++’%"摘要!针对近年来电力系统运行的HI C J 绝缘高压电缆因缓冲层发生的故障与隐患增多$就缓冲层#金属护层对电缆的作用$通过测量缓冲层等材料的相关参数$运用有限元!@RV T V "软件仿真计算了高压电缆的电场分布$分析了不同优化条件下缓冲层结构的影响$提出了高压电缆缓冲层与金属护层结构设计优化建议%关键词!HI C J 绝缘高压电缆&缓冲层&金属护层&结构设计&仿真计算中图分类号!>?"’)E $文献标识码!@文章编号!$*)"(*%+$!"+$&"+,(+++*(+&C <)7:(;=:;(,.?)3’657’G ;.,:’05,59I 4:’G ’X ,:’050>Y ’6<O 0.:,6)Z [H 8L 53;.,:’05H 0J )(+,-.)\;>>)([,@)(,59K):,.7<),:<_@;c<BW2R3.R $&M 9;N 2.T WR "!$6;0-U 2/J 2V S <2340<76&I S Y6&L .e .R "$’"#)&<B.R2’"6J 401S /.124.RV W42S .7R /0V 02/1B 10RS 0/7[H .02R M .27>7RZ P R.\0/V .S T &H .02R )$++’%&<B.R2"A -3:(,=:%@117/Y.RZ S 7X7-0/V T V S 087X0/2S .7R [2W4S 2RY B.YY0R Y2RZ 0/V .R1/02V 0Y 3012WV 07[H I C J.RV W42S .7R B.ZB \74S 2Z 0123403W[[0/42T 0/&S B.V X2X0/.RS /7YW10V 3W[[0/42T 0/2RY 80S 24V B02S B 3T 802V W/.RZ 82S 0/.24&2XX4T .RZ [.R.S 004080RS !@RV T V "V .8W42S .7R S 71241W42S 0B.Z B \74S 2Z 0123400401S /.1[.04Y Y.V S /.3WS .7R &2R24T A .RZ S B0Y.[[0/0RS 7XS .8.A 2(S .7R 0[[01S 7[3W[[0/42T 0/&V W38.S S B0V S /W1S W/0Y0V .Z R 7XS .8.A 2S .7R V WZ Z 0V S .7R 7[3W[[0/42T 0/2RY 80S 24V B02S B6Q )@J 0(93%H IC J.RV W42S 0Y B.Z B \74S 2Z 0’3W[[0/42T 0/’80S 24V B02S B ’V S /W1S W/24Y0V .Z R ’V .8W42S .7R 1241W42S .7R收稿日期!"+$)(+$(+"作者简介!汪传斌!$%#*g"&男&教授级高工6作者地址!江苏宜兴市范道镇远东路&号("$’"#))6"R 引R 言众所周知&我国现行的高压HI C J 绝缘电力电缆国家标准cQ =>$$+$)*c Q =>$&&%+*c Q =>""+)&对电缆缓冲层与纵向阻水层基本都是这样规定的%.缓冲层应采用半导电弹性材料或具有纵向阻水功能的半导电阻水膨胀材料&其阻水带与阻水绳应具有吸水膨胀性能+缓冲层与纵向阻水材料应与其相接触的其他材料相容/’.缓冲层位于挤包的绝缘半导电屏蔽层外&并与绝缘屏蔽层和金属屏蔽层保持电气上接触良好/’.缓冲层的厚度应能补偿电缆运行热膨胀的要求/’.对电缆金属套内间隙有纵向阻水要求时&应由半导电阻水膨胀带绕包而成&绕包应平整*紧实*无皱褶*无擦伤’亦可采用具有纵向阻水性能的金属丝屏蔽布带绕包结构/等+.径向不透水阻挡层应采用铅套或皱纹铝套等/’.电缆采用铅套或铝套时&金属套可作为金属屏蔽&当其厚度不满足短路容量时应增加铜丝屏蔽或金属套的厚度/+标准对于缓冲层或具有纵向阻水材料的性能主要体现在%半导电*弹性*吸水膨胀与相接触的材料应相容’对于缓冲层的位置*厚度与形状%应与绝缘屏蔽和金属屏蔽电气上接触良好&厚度能补偿电缆运行热胀要求&缓冲层可以是!半导电*弹性*吸水膨胀"绕包带*!纵向阻水性能的"金属丝屏蔽布带’对于皱纹铝套要求是应满足短路容量*材料的纯度和伸长率要求+可以看出.缓冲层或具有纵向阻水材料/的具体技术指标不够明晰&尤其是.与相接触的材料应相容/更难以考核’对缓冲层的厚度及带材绕包要求的规定也不够具体’对皱纹铝套并未规定其承担机械力学性能的要求+当然&标准也不可能将所有材料及其在电缆中的结构与性能规定得非常具体&还应给制造商留有设计空间+然而&高压与超高压HI C J 绝缘电缆在市场上&由于竞争或工艺差别而导致缓冲层用带材*纵向阻水材料*缓冲层结构*金属屏蔽!套"结构设计与工艺控制上仍有差异&使得近年来电力系统运行的HI C J 绝缘高压电缆中&因缓冲层发生的故障与隐患增多+因此&本文在新远东电缆有限公司与西安交通大学电气绝缘研究中心于"+$,年合作研究#高压H I C J绝缘电缆金属护层及其内部缓冲层结构对电缆运行可靠性的试验研究$结果的基础上&就缓冲层材料*结构*金属护层结构应用有限元商业软件!@RV T V"对高压电缆在运行状态下的电场进行了仿真计算和分析&提出了缓冲层材料*结构与金属护层结构优化设计与建议+#R缓冲层#金属护层对电缆的作用与影响#S#R缓冲层的作用在高压与超高压H I C J绝缘电缆的金属护层与缆芯之间均有缓冲层+缓冲层具有半导电特性&与绝缘半导电屏蔽层紧密接触&与金属护层!屏蔽层"要求也应相接触&能有效缓冲*弱化电场强度分布&能有效缓冲电缆绝缘与金属护层之间的相互作用&遏制绝缘受热膨胀而带来的绝缘变形与损伤+绝缘屏蔽与金属护层间在电缆结构设计上就应留有合适的间隙&而金属护层制造工艺也不可避免地留有间隙&这个间隙也必须由导电的缓冲层来进行填补+对于有纵向阻水的电缆&不仅导体需要阻水设计&且绝缘屏蔽与金属护层间的缓冲层也应具有阻水特性要求+因而&缓冲层绕包带不仅导电且具有吸水膨胀性能&一般采用导电的聚脂纤维无纺布内添加遇水可迅速膨胀的聚丙烯酸酯吸水膨胀粉复合带材绕包&从而&当电缆金属护层有缺陷时能阻止水分沿电缆纵向扩散&实现纵向阻水的目的+#S!R金属护层的作用金属护层即金属屏蔽层&其作用%!$"防止径向透水&避免H I C J绝缘本体接触外界水分而产生水树&作为电缆的径向防水层’!""增强绝缘屏蔽能力&承受零序较大的短路电流&导电性能好&同时具有良好的热稳定性能’!,"对绝缘本体具有抵抗外力机械保护作用&避免在施工中拖曳弯曲*挤压而造成电缆机械损伤+金属护层的种类很多&在我国皱纹铝护层与铅护层用的最多+铅护层由于其柔软*易弯曲*耐腐蚀*密度大&更适合于海底电缆’而皱纹铝护层由于其密度小质量轻*导电性能好允许通过短路电流大*有足够的机械强度&近年来在陆地尤其是城市地下电网系统中运用较多+#S%R缓冲层与金属护层对电缆性能的影响缓冲层一般是由半导电的聚酯纤维无纺织布制成宽度一定的绕包带&厚度为$E#88或"E+88&具有一定的弹性&且密度较小’若为阻水的&其内部添加遇水可迅速膨胀的吸水膨胀粉末+这种材质密度虽小&但内部含有大量的静止空气&其导热性能较差&导热系数与空气相当+随着厚度的增加&传热效果变差&当护套外部环境温度一定时&厚度增加会影响绝缘体的热量散发&从而影响电缆的运行寿命+对于金属护层&仅就大量使用的皱纹铝护层而言&目前皱纹铝护层有.压铝挤制/*.纵包氩弧焊接/*.康仿挤铝/等三种工艺+第一种应用越来越少&第二*三种有增加趋势&这是因为第一种工艺复杂*能耗大*成本高’第二*三种挤出铝护层无缝&而对于超高压电缆铝护层则希望.无缝/+关于纵包氩弧焊接与康仿挤铝的工艺比较与性能特点已有很多文章报道过&这里要补充说明的是铝护层采用.纵包氩弧焊接/工艺其外径与轧纹参数易于控制&相反&采用.康仿挤铝/工艺其铝护层与缓冲层的间隙参数不易控制&虽有采用.金布/绕包措施&但主要依靠轧纹参数进行调节&内部的空气隙比起.氩弧纵包焊接/工艺相对要多+!R缓冲层等材料相关参数的测量对电缆缓冲层结构*金属护层结构设计应用有限元商业软件!@RV T V"对其电场与热场进行仿真计算&需要测量H I C J*内外半导电屏蔽材料*半导电缓冲!阻水"带的介电常数*导热系数等物理参数+ !S#R介电常数的测量!$"H I C J绝缘材料+其介电常数可利用高压西林电桥进行测量&对采集的超净绝缘料的测量结果见图$+图$!H I C J绝缘料的介电常数随温度变化曲线从图$可知&H I C J绝缘料的介电常数随温度变化的规律+随着绝缘介质的温度上升&介电常数逐渐略有减小’电缆在正常运行状态下&导体温度设计为%+i&而绝缘层!含内外屏蔽层"内外温度一般处于%+k*#i&而在这一温度区间&H I C J的相对介电常数为"E$$k"E$&+!""半导电屏蔽料+由于具有导电特性&其介电常数可使用阻抗分析仪!I<^"进行测量&测量结果如图"+从图"可以看到&内外屏材料的介电特性随着温度的升高而降低+内外屏蔽所处的两个不同位置-)-图"!内外屏蔽料的介电常数随温度变化曲线其温度值是不同的&缆芯正常工作时的温度约在&+k %+i &因此内屏蔽处的介电常数取值"$++&外屏蔽处的介电常数取值’$$*!*+i 时"+!,"半导电缓冲!阻水"带+同样属于半导电介质&其介电常数可使用阻抗分析仪!I <^"进行测量&测量结果如图,*图’+图,!半导电缓冲!阻水"带介电常数随温度变化曲线图’!半导电缓冲!阻水"带浸水后介电常数随温度变化曲线从图’可以看出&半导电缓冲!阻水"带浸水后&其相对介电常数随温度升高而急剧上升&达到了$+*左右+!S !R 导热系数的测量对HI C J 绝缘*内外屏蔽材料以及半导电缓冲!阻水"带的导热系数&可使用激光法导热分析仪I U @’’)进行测量&测量结果如图#+如图#所示&图中分别为H I C J !材料压片样"*H I C J !电缆取样"*半导电屏蔽!厚$E +88"*半导电屏蔽!厚,E+88"和半导电缓冲!阻水"带的导热系数随温度变化的曲线+可以看出&随着温度的升高&HI C J 的导热系数首先会缓慢增大&当温度增加图#!HI C J *内外屏蔽与阻水带的导热系数随温度变化曲线到)#i 后随着温度增大而急剧上升+取自高压H I C J 电缆的绝缘制成样品与压片样相比&在低于)#i 时&其导热系数要比压片样的导热系数大&但上升至$++i 时&电缆取样的导热系数虽也有较大上升&但比压片样的导热系数要低+半导电内外屏蔽材料的薄样和厚样也有所不同&薄样的导热系数随温度变化较大&而厚样的导热系数随着温度的升高缓慢增大&趋势稳定+对于半导电缓冲!阻水"带材料&在低温时较大&当温度升高后&导热系数减小!#+i 时为+E +%""&且随着温度的升高逐渐减小&说明半导电缓冲!阻水"带材料的导热效果较差+%R 有限元软件$A 53@3%仿真计算电场分布%S #RZ [H 8绝缘高压电缆模型及有关参数,E $E $!H I C J 绝缘高压电缆模型!$"径向模型图*为HI C J 绝缘高压电缆的结构示意图+电缆结构层次非常清晰&是一种同心圆结构&且每一层的外径参数都是已知的+图*!LM I _+,型高压电缆结构示意图根据HI C J 绝缘高压电缆结构特点&可以认为&电缆的长度与外径相比可视为无限长&因而可忽略电缆端部的电场及热场变化&暂且不考虑半导电缓冲!阻水"带以内的缆芯受重力作用&而将问题简化为平面问题&建立仿真计算理想电缆模型&即同心圆结构模型&如图)所示+通过该模型还可优化各层-&-外径参数&从而得到在不同空气间隙或缓冲层厚度情况下的电场分布*温度分布以及热应力分布+为仿真计算&对电缆模型作如下假设%,,,稳态假设&当电缆发热与散热达到平衡时&电缆温度场分布不随时间改变’,,,常物性假设&组成电缆各部分材料均为各自同性均匀介质&且各部分材料物性参数均为常数’,,,电缆轴向!长度"方向上无温度梯度&只在径向存在热量的传递’,,,忽略电缆各组成部分间的接触电阻+图)!H I C J绝缘高压电缆的径向模型实际上&当电缆水平敷设时&应考虑重力因素&而图)所示的计算模型中&其半导电缓冲!阻水"带与铝护套间是不接触的&通常H I C J绝缘高压电缆的结构设计中&皱纹铝套与半导电缓冲!阻水"带之间根据电压等级!绝缘厚度"单侧留有+E,k +E#88的间隙&这个间隙!空气隙"与半导电缓冲!阻水"带构成了H I C J绝缘高压电缆的缓冲层+在实际运行过程中&由于重力的作用&靠近下方一侧&半导电缓冲!阻水"带与铝护套是接触的&且由于半导电缓冲!阻水"带具有弹性&接触面是局部弧面&这也导致了实际运行中的电缆&其半导电缓冲!阻水"带的结构是不规则的&如图&所示+!""轴向模型图&!重力因素作用下的电缆结构的径向模型!!根据电缆轴对称结构&可选取一段H I C J绝缘高压电缆轴向上的半个切面&建立电缆轴向模型&如图%所示+皱纹铝护层的节距和轧纹深度特征可利用正弦波来进行拟合’H I C J绝缘高压电缆的轴向模型&主要是针对皱纹铝护层的轧纹结构&进行温度分布和热应力分布计算&通过优化铝护层的节距*轧纹深度等参数&可以得到具有不同轧纹结构的铝护层对电缆性能的影响+图%!H I C J绝缘高压电缆的轴向模型,E$E"!$$+FGH I C J绝缘高压电缆参数为便于利用@RV T V软件进行电场分布*温度分布和热应力分布的计算&表$中列出了H I C J绝缘高压电缆在正常工作状况下温度范围内所用材料的部分特性参数+表#RZ[H8绝缘高压电缆各材料的特性参数材料名称介电常数导热系数=_-!8-l"g$热膨胀系数=!$-l g$"弹性模量=c C2泊松比铜导体$++++’+$$E&O$+g#$+++E,"*内屏蔽"$+++E*#&$E&$"O$+g’+E++,,**+E’,%H I C J绝缘"E$)+E’+*"E%$$O$+g’+E+$)&’)+E’,%外屏蔽’$$*+E*+&"E,)&O$+g’+E+")+&%+E’,%半导电缓冲!阻水"带’,#++E+%",E,#*O$+g,+E+"$)")g+E)空气$+E+"’,E,#*O$+g,+E+++$+皱纹铝护层$++++",)"E,O$+g#"#E$k"*E#+E,"k+E,*沥青!防腐层""E"&k"E&&#E#O$+g’$E*+E’?a C J!外护套"+E’$&E#*O$+g*+E$)"+E’,%-%-!!表"中列出了$$+FGH I C J绝缘高压电缆径向模型的各结构参数&导体截面分别为’++88"和$"++88"&用于表征H I C J电缆的载流量大小+为了比较皱纹铝护层结构与缓冲层结构发生改变时的电场和温度分布&分别采取!优化条件$"将气隙缩小+E$88’!优化条件""将缓冲层厚度减薄"88’!优化条件,"取消半导电缓冲!阻水"带层&三种优化情况来分析+表!RUT]##"N OZ[H8绝缘高压电缆径向模型的各层结构参数表!单位%88"结构名称L M I_+,*’=$$+FG$O’++L M I_+,*’=$$+FG$O$"++典型参数优化条件$优化条件"优化条件,典型参数优化条件$优化条件"优化条件,导!体$$E)#$$E)#$$E)#$$E)#"+E)#"+E)#"+E)#"+E)#内屏蔽$,E$+$,E$+$,E$+$,E$+""E)#""E)#""E)#""E)#H I C J绝缘,+E*+,+E*+,+E*+,+E*+,&E)#,&E)#,&E)#,&E)#外屏蔽,$E*+,$E*+,$E*+,$E*+,%E%#,%E%#,%E%#,%E%#阻水带,*E#+,*E#+,’E#+,$E*+’’E&#’’E&#’"E&#,%E%#空气隙,*E&+,*E)+,’E&+,$E%+’#E,#’#E"#’,E,#’+E’#皱纹铝套’"E##’"E’#’+E##,)E$##"E"##"E$##+E"#’)E,#防腐层’"E)#’"E*#’+E)#,)E,##"E’##"E,##+E’#’)E##外护套’*E)#’*E*#’’E)#’$E,##)E’##)E,###E’##"E## %S!R##"N OZ[H8绝缘电缆的径向模型仿真计算电场分布及结果讨论使用@RV T V软件计算H I C J绝缘高压电缆的电场分布&各材料的相对介电常数按表$中选取&计算时可认为铜导体和铝护层是理想导体+计算的边界条件%将导体与内屏蔽的交界面设为#+!为了评价特殊状况选取值$$+FG"+由于铝护层端部采取接地&则认为铝护层沿长度方向均为零电位&故将铝护层与间!气"隙的交界面设置为零电位+,E"E$!不考虑重力因素的理想电缆模型的电场分布从图$+到图$&所示的分别为不同载流量的$$+FGH I C J绝缘高压电缆在不同优化条件下的电场分布等势图+从图中可以看出&无论是哪一种规格的电缆&其电场分布都遵循着电磁规律&即介电常数小的介质电场强度高&而半导电材料的电场强度低+在$$+FG H IC J电缆的电场分布等值图中&L M I_+,*’=$$+FG$O’++电缆的电场强度最高点分布在H I C J绝缘层靠近内屏蔽层的位置&而后沿着电缆半径的方向向外逐渐减小&且在外屏蔽层和半导电缓冲!阻水"带中也保持着同样的分布规律’但在空气隙中&其电场强度值较大&用颜色来进行分辨&为棕黄色&则表示其电场强度值仅次于红色区域&由此可见空气隙中电场强度是较高的+图$’2为图$+所对应的H I C J电缆沿电缆半径方向的电场强度分布值+该图直观地表现了H I C J电缆中电场沿半径方向的分布情况+从图中可看出&空气隙中的电场强度值是与H I C J绝缘中的场强值处于同一数量级&而内外屏蔽层及半导电缓冲!阻水"带中的电场强度与绝缘和空气隙相比可忽略+此时空气隙中的场强已大大超过了空气的击穿场强!,FG=88"+图$’3为气隙发生电击穿后H I C J电缆沿电缆半径方向的场强分布值+图$+!L M I_+,*’=$$+FG$O’++典型参数的电场分布等势图图$$!L M I_+,*’=$$+FG$O’++优化条件$下的电场分布等势图对于L M I_+,*’=$$+FG$O$"++电缆&从图$#k图$&中可以看出&电场强度的最大值分布在空-+$-图$"!LM I _+,*’=$$+FG$O ’++优化条件"下的电场分布等势图图$,!LM I _+,*’=$$+FG$O ’++优化条件,下的电场分布等势图图$’!LM I _+,*’=$$+FG$O ’++沿电缆半径方向的场强分布气隙中&但HI C J 电缆整体的电场强度分布规律与L M I _+,*’=$$+FG$O ’++电缆是一致的+从等势图中还可看出&对于HI C J 绝缘高压电缆&其电压降绝大部分都落在HI C J 绝缘层上&即电缆绝缘主要依靠HI C J 绝缘层来承担&这符合H I CJ 图$#!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++典型参数下的电场分布等势图图$*!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++优化条件$下的电场分布等势图图$)!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++优化条件"下的电场分布等势图图$&!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++优化条件,下的电场分布等势图电力电缆结构的电气设计+尽管空气隙中的电场强度很高&但空气隙很小&一般仅+E,k +E #88&故空气隙上的电压值并不高+通过仿真计算&可得到如表,所示的外屏蔽层*半导电缓冲!阻水"带及空气隙在各种优化条件下的场强值分布范围&各层结构场强值由大到小沿电-$$-缆径向由内而外分布’同时也看到&当减小空气间隙+E$88后&外屏蔽层*半导电缓冲!阻水"带和空气隙的场强都略有提高’当半导电缓冲!阻水"带层减薄"E+88后&对外屏蔽层其场强也略有降低&但不明显&而半导电缓冲!阻水"带中电场分布趋于集中&空气间隙中的场强也有了提升’当去除半导电缓冲!阻水"带后&则外屏蔽层的场强分布趋于均匀&与典型参数下相比&场强略减小&然而空气间隙中的电场更集中且提升&高达%E")FG=88+与典型参数比&增加了$’E%*h+表%RZ[H8电缆缓冲层在不同情况下的电场分布比较!单位%FG=88"L M I_+,*’=$$+FG$O’++L M I_+,*’=$$+FG$O$"++电缆结构典型参数优化条件$优化条件"优化条件,外屏蔽层!"E&%k"E&+"-$+g,!"E%"k"E&,"-$+g,!"E%+k"E&+"-$+g,!"E&&k"E)&"-$+g,缓冲带层!"E*#k"E,*"-$+g,!"E*&k"E,&"-$+g,!"E*#k"E’)"-$+g,,空气间隙$+E"k$+E,$+E,k$+E’$+E*k$+E&$$E,k$$E#!!对于L M I_+,*’=$$+FG$O$"++电缆&由于H I C J绝缘厚度有所减薄&表明有更高的压降落在空气隙以及外屏蔽层与半导电缓冲!阻水"带层上&从而导致场强值上升&尤其是空气间隙的场强远超过了空气的击穿场强!,FG=88"+,E"E"!考虑重力因素情况下的电场分布H I C J绝缘高压电缆水平敷设安装运行较多&实际上&半导电缓冲!阻水"带以内的缆芯受自重影响与皱纹铝套的下部是接触的+对此在进行电场分布计算时&计算单元的选择及边界条件的设定仍保持不变+从图$%可以看出&基于H I C J电缆正常运行情况下的仿真计算&其空气隙中电场强度的分布与外屏蔽层和半导电缓冲!阻水"带一样&处于一个较低场强区域+此时&外屏蔽层的电场强度约为"E,,k "E’FG=8&半导电缓冲!阻水"带中的电场强度约为$E)%k"E"$FG=8&而空气隙中的电场强度则可忽略+在理想情况下&即各材料的介电性能有较好的一致性&H IC J绝缘电缆的各结构层间接触光滑&无接触电阻产生&对于由金属护层!导体"和半导电缓冲!阻水"带相接触所构成的非圆周非均匀空气隙&可认为是一个被屏蔽的空间&因而这里的空气隙中场强分布与半导电缓冲!阻水"带中场强分布相当&可认为是导通的+当半导电缓冲!阻水"带上存有缺陷&导致半导电缓冲!阻水"带与铝护套接触存在不良&或因为皱纹铝护层的轧纹形成的螺旋空气隙空间与半导电缓图$%!L M I_+,*’=$$+FG$O’++在正常运行时的电场分布冲!阻水"带产生接触不良&而产生空气隙存在&此时H I C J电缆的场强分布应根据非重力因素的理想模型来考虑计算分析+由于半导电缓冲!阻水"带既具有导电特性&同时其内部含有大量的静态空气&因此&与其相邻的金属护层能紧密地接触&则对于内部的空气隙或被轧纹金属隔断的空气隙中的电场分布其场强很低’若在电缆长度方向上存在半导电缓冲!阻水"带与金属护层接触不良或气隙过大&则会导致电缆某个部位的空气隙承受电场强度过高&致使此处金属护层局部放电+TR结束语通过测量H I C J绝缘高压电缆所用材料的物理参数和利用有限元!@RV T V"软件对电缆缓冲层不同结构状况下的电场仿真计算&可以发现%!$"目前用于H I C J绝缘高压电缆的半导电缓冲!阻水"带除了具有半导电特性外&遇水膨胀能使!!!$下转第#U页%-"$-图)为芯棒外径-取&88&玻纤复合材料层厚度取+E)88&卷轴直径分别取#+-&##-&*+-的卷绕应力分布图+轴向和环向应力中的一小部分是线性化的&在对比轴向应力后环向应力基本可以忽略+分析表明&随着卷轴半径的增加&最大抗压强度下降+图)!复合芯棒卷绕时应力分布图TR 结R 论!$"试验采用@Q @f P :有限元软件&对复合材料芯棒在卷绕过程中的分布应力进行了分析计算&为后续组合载荷分析做好准备+!""模拟计算了相同芯棒外径卷绕在不同直径的卷轴上时&芯棒内部的等效应力&并指出最大等效应力是集中分布在碳纤维环氧树脂=玻璃纤维环氧树脂复合材料的分界面处+!,"随着卷轴直径的增加&轴向拉=压应力不断减小&两者间成反比关系&为制定国标中卷绕试验的卷轴半径的确定提供理论依据+参考文献!($)!@I @_@^@&Q C :K JJ M &;P >>:^6@178X7V .S 017/017RYW1S 7/[7/47-V 2Z 2S B.Z B S 08X0/2S W/0V (M )9J J J>/2RV C 7-0/a 04.\0/T &"++#&"+!,"%"$%,("$%%6(")!:B7F/.0B ??&]8.Y.?M 6^0.R[7/1080RS 7[80S 244.1X42S 0V -.S B178X7V .S 082S 0/.24V (M )6<78X7V ?2S 0/&"++#&,%!&"%)",()’’6(,)!庄茁&由小川6基于@Q @f P :的有限元分析和应用6第$版(?)6北京%清华大学出版社&"++%6(’)!刘智恩6材料科学基础6第"版(?)6西安%西北工业大学出版社&"++,6(#)!郝元恺&肖加余6高性能复合材料学6第$版(?)6北京%化学工业出版社&##############################################"++,6$上接第#!页%其介电常数随温度上升而变大&但因其内含有大量的空气隙&使其导热特性变差&会阻碍绝缘体散热而影响电缆的载流能力’!""缓冲层的厚度在能保证H I C J 绝缘层受热膨胀的前提下应以减薄为好&可以极大地降低热阻&增加导热效果’!,"有效控制缓冲层与金属护层的间隙!空气隙"或减薄间隙直至紧密接触&将有利于改善缓冲层与金属护层内的电场分布&避免空气隙承受较高的电场强度而与金属护层产生局部放电现象’!’"金属护层的螺旋轧纹并非越深越好&在能抵挡外部机械作用的前提下&应尽可能减小轧纹深度&降低内部的空气隙+因此对于缓冲层与金属护层的结构设计有如下建议%!$"对于半导电缓冲!阻水"带应优选热阻系数小*具有防水!或不透水"的半导电热塑性弹性体材料’!""缓冲层的厚度应通过验证绝缘体的热膨胀计算&并非越厚越好&依据电缆的弯曲特性要求尽可能减薄缓冲层的厚度’!,"尽可能避免金属护层内部的空气隙存在&如采用免轧纹金属护层!平板铝护层"&或采用具有导电性能且受热膨胀的材料来填充金属护层内部的间隙+-*$-。
高压电缆缓冲层材料及结构特性研究赵永华发表时间：2019-07-24T13:57:31.063Z 来源：《电力设备》2019年第5期作者：赵永华[导读] 摘要：随着经济和科技水平的快速发展，电力行业发展也十分快速。
（宝胜科技创新股份有限公司江苏扬州 225800）摘要：随着经济和科技水平的快速发展，电力行业发展也十分快速。
运行多年的高压电缆，缓冲层及绝缘屏蔽表面与金属护套波谷接触部位存在“烧蚀”和“白斑”的现象，对高压电缆用缓冲层材料及几种典型高压电缆缓冲层结构的特性进行了研究，通过模拟试验再现“烧蚀”和“白斑”的形成，并提出了改进建议。
关键词：高压电缆；缓冲层；结构；白斑；烧蚀引言高压XLPE电缆在我国已经使用了三十多年，目前已基本实现国产化，每年有超过一万公里的高压电缆埋设于地下。
最近十几年高压电缆在迁移、改接和本体故障解剖时，发现缓冲层和绝缘屏蔽表面大量出现“烧蚀”和“白斑”现象，甚至引发击穿。
运行时，这种现象不能在短时间内显现出来，且产生的原因错综复杂，这引起了行业的高度重视。
各厂家、研究机构及用户投入大量的研究，希望能从缓冲层材料特性、结构、生产工艺及产品标准等方面提出改进措施和要求，以解决高压电缆缓冲层对电缆使用寿命的影响，提高供电安全。
1高压电缆用缓冲层材料特性高压电缆用缓冲层材料主要有半导电缓冲阻水带和半导电缓冲带，由聚酯纤维非织造布、导电碳粉，以及阻水粉(半导电缓冲带无阻水粉)组成，其作用有纵向阻水、绝缘屏蔽与金属护套之间的电气导通、吸收电缆运行过程中的热膨胀等。
半导电缓冲阻水带用于有纵向阻水要求的电缆，而半导电缓冲带用于无纵向阻水要求的电缆。
1.1影响缓冲层材料电阻率的因素高压电缆缓冲层承担了绝缘屏蔽与金属护套之间电气导通的功能，因此要求具有半导电特性，其体积电阻率要求23℃时≤100000Ω•cm。
缓冲层材料的体积电阻率是影响高压电缆性能的重要指标，当其值过大时，缓冲层变成了绝缘介质，绝缘屏蔽与金属护套未能达到等电位，从而形成一个电容，并产生分压。
绝缘材料 2024,57(4)邱玮等：高压XLPE电缆缓冲层缺陷研究现状综述高压XLPE电缆缓冲层缺陷研究现状综述邱玮1，章宇聪1，2，谢亿2，曹先慧2，刘维可2，胡俊3，李湘珺1（1.长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南长沙410114；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007；3.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南长沙410208）摘要：高压交联聚乙烯电缆因缓冲层缺陷引发的故障频发，已严重威胁到电力系统的安全运行。
本文首先介绍了缓冲层的基本结构和作用，并在此基础上梳理了目前国内外对于缓冲层失效的相关研究；其次从缓冲层的材料特征和内部结构等角度结合电场仿真来分析缺陷发生的主要原因；之后对缓冲层缺陷中出现的白色粉末绝缘性能和理化特征进行总结，并提出其形成机理；最后对缓冲层缺陷的检测手段进行汇总，提出使用计算机断层成像技术对电缆缓冲层缺陷进行检测以弥补现有检测手段的不足，并建议对铝护套及缓冲层的材料或结构进行优化，以预防缓冲层缺陷的生成。
关键词：高压电缆；交联聚乙烯；缓冲层缺陷；计算机断层成像；平滑铝护套中图分类号：TM247 DOI:10.16790/ki.1009-9239.im.2024.04.002Summary of research status on buffer layer defects inhigh voltage XLPE cablesQIU Wei1, ZHANG Yucong1,2, XIE Yi2, CAO Xianhui2, LIU Weike2, HU Jun3, LI Xiangjun1(1. College of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science & Technology,Changsha 410114, China;2. State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, China;3. Hunan Xiangdian Boiler and Pressure Vessel Inspection Center Co., Ltd., Changsha 410208, China)Abstract: The frequent faults caused by buffer layer defects in high-voltage cross-linked polyethylene cables have seriously threatened the safe operation of power system. In this paper, the basic structure and function of buffer layers was introduced at first, and the relevant research on buffer layer failure at home and abroad were summarized. Secondly, the main reason of buffer layer defects was analyzed through electric field simulation from the material characteristic and internal structure of buffer layers, and the insulating properties and physicochemical characteristics of the white powder in buffer layer were summarized to propose its formation mechanism. Finally, the detection methods of buffer layer defects were summarized, it is proposed to use computer tomography technology to detect cable buffer layer defects to make up for the shortcomings of existing detection methods, and it is recommended to optimize the materials or structures of aluminum sheaths and buffer layers to prevent the generation of buffer layer defects.Key words: high voltage cables; crosslinked polyethylene; buffer layer defects; computed tomography; smooth aluminum sheath0 引言随着我国经济的快速发展和城镇化的不断推进，电力需求猛增。
高压电缆缓冲层烧蚀成因分析与应对策略高压电缆缓冲层烧蚀成因分析与应对策略高压电缆缓冲层烧蚀是一种常见的问题，它可能导致电缆的性能下降甚至损坏。
下面是一种分析烧蚀成因并提出应对策略的步骤思路：1. 确定烧蚀成因：首先，我们需要了解高压电缆缓冲层烧蚀的可能原因。
一种可能的原因是电缆运行时的过载情况，导致缓冲层过热。
另一种可能是电缆周围环境的温度过高，也会导致缓冲层烧蚀。
我们可以通过观察电缆的使用情况和环境条件，以及对烧蚀部分的实地检查来确定具体的烧蚀成因。
2. 分析烧蚀模式：通过观察烧蚀部分的形态和分布情况，可以推断出烧蚀模式。
例如，如果烧蚀呈现为局部点状或线状分布，可能是由于电流过载导致的，而如果烧蚀呈现为全面均匀的烧损，可能是由于环境温度过高造成的。
3. 制定应对策略：根据烧蚀成因和模式，可以制定相应的应对策略。
如果是由于电流过载导致的烧蚀，需要考虑升级电缆以承受更大的负荷或调整电流分配。
如果是由于环境温度过高导致的烧蚀，可以考虑改善散热条件，例如增加散热装置或改善电缆的散热设计。
此外，还可以考虑在缓冲层表面添加保护层来减少烧蚀。
4. 实施应对策略：根据制定的应对策略，进行相应的改进和调整。
这可能需要对电缆进行升级或更换，更改电流分配方式，优化散热设计或添加保护层等。
在实施过程中，要确保操作规范，并根据需要进行监测和调整。
5. 定期检查和维护：为了防止高压电缆缓冲层烧蚀问题的再次发生，需要定期对电缆进行检查和维护。
这包括监测电缆的工作状态，检查缓冲层和保护层的状况，以及确保环境温度在正常范围内。
如有必要，可以进行预防性维护和修理，以确保电缆的正常运行。
综上所述，对于高压电缆缓冲层烧蚀问题，我们可以通过分析烧蚀成因和烧蚀模式，制定相应的应对策略，并在实施过程中定期检查和维护，以确保电缆的正常运行。
高压电缆绝缘材料的制备与性能研究近几年，我国电力行业得到了快速的发展与进步。
随着电力通信技术的日益完善，电力输送的距离与负载量也在不断增加。
高压电缆作为一种重要的电力传输装置，其性能越来越受到人们的关注。
高压电缆的绝缘材料是电缆中最核心的部分，其优劣直接影响着整个电缆的性能和安全。
因此，高压电缆绝缘材料的制备和性能研究变得愈发重要。
高压电缆绝缘材料按照其基本材料可以分为橡胶类、塑料类、纸浆类等多种。
其中，橡胶类和塑料类是近年来较为常见的两种绝缘材料。
橡胶类绝缘材料是以天然或合成橡胶为基础制成的，其具有良好的耐高压、耐温性能，且在接触水分或污染物时会自我修复，具有一定的耐老化性。
而塑料类绝缘材料则是以聚氯乙烯、聚乙烯等高分子化合物制成的，其具有耐腐蚀、耐化学性能好、电性能等特点。
为了提高高压电缆的性能，制备高质量的绝缘材料是关键。
目前，国内外对高压电缆绝缘材料的制备和性能研究已经取得了一定的成果。
其中，橡胶类绝缘材料的改性和塑料类绝缘材料的合成是研究的两个重点。
橡胶类绝缘材料的改性主要是通过添加不同的填料、控制硫化反应等手段来提高其性能。
常见的填料有二氧化硅、纳米粒子、碳黑、硅酸钙等。
添加这些填料可以有效提高橡胶的强度和耐温性能。
此外，通过控制硫化反应，可以调控橡胶硫化程度，从而提高其电学性能。
相比之下，塑料类绝缘材料的制备则更加复杂。
前期需要进行多个化学反应，后期需要进行严格的合成和纯化工艺。
近年来，研究人员借鉴先进制备技术和合成方法，成功地合成了多种高性能塑料类绝缘材料。
例如，在聚乙烯(PE)基础上增加氨纶和膦化剂，能够有效增强塑料的机械性能和耐热性能。
此外，通过在塑料中添加碳纳米管、硅纳米颗粒等高强度纳米材料，也将极大地提高高压电缆绝缘材料的耐高压性能和密封性能。
总的来说，高压电缆绝缘材料的制备和研究是一个全新的、多领域的研究领域。
未来，我们需要不断汲取新的技术和方法，不断提高绝缘材料的性能，以确保高压电缆的传输效率和安全性。
高压电力电缆绝缘屏蔽烧蚀机理分析及应对措施摘要:高压电力电缆的事故中发现大量电缆缓冲层烧蚀现象。
从材料调研和试验数据着手，对缓冲层运行环境中过电压进行了分析，在此基础上建立缓冲层理论模型和等值电路，通过分压、产热过程计算，得到在绝热环境下缓冲层的温升值。
通过电化学分析，进一步说明作用于缓冲层的电压极性对皱纹铝护套的危害性。
另外，根据所得结果，也对其它材料的烧蚀现象给予了分析。
依此提出，电缆生产和运检工作中需要注意的问题。
一、缓冲层的性能分析图1为缓冲层在电缆结构中的位置。
阻水带是两层无纺布带中间加一层膨胀阻水粉组成的，缓冲层是由多层阻水带绕包而成。
它位于电缆绝缘屏蔽层和皱纹铝护套(以下简称金属套)之间，起到电气连接的作用;同时，它又起到堵塞沿金属套内通道进水的作用。
根据调查，缓冲层电阻率无法降得很低是有原因的，它是和原材料的加工、生产车间的环境等相联系的。
特别是潮气在加工和存放过程中进入缓冲层，使得膨胀粉吸潮膨胀，两层半导电无纺布之间出现隔绝，使缓冲层电阻增加，导致连接通道的电阻值接近或超过1000Ω。
而电阻增加又会使电缆绝缘屏蔽层和金属套之间形成电位差，这个电位差不足以引起放电。
有电位差，电阻上就流过电流，电阻就会发热，最终热量将缓冲层局部破坏。
同时，在水分和电流的作用下，金属套(铝)出现氧化反应，电蚀其金属套(铝)内表面。
图2和图3为电缆缓冲层、绝缘屏蔽层烧蚀痕迹和金属套内腐蚀痕迹。
从多处现场发现，在电缆的缓冲层上有明显的烧蚀痕迹(见图2)，金属套上有明显的电蚀留下的白色粉末(见图3)，并且在电缆绝缘屏蔽层上也有腐蚀的痕迹(见图2)。
从实际情况看，这些烧蚀，有的连续发生，有的以点状分布，但都发生在金属套的内峰处。
二、检测试验2.1电缆试验样本制作选取ZC-YJLW03-Z-64/110kV-1×630mm2电力电缆为试验样品。
电缆试样如图1所示，两端线芯导体各露出150mm安装电缆线夹，用于试验回路连接，铝护套剥出150mm用于安装铜带，铜带宽度为100mm。
波纹护套高压XLPE电缆缓冲层空气间隙电场分布李根;王航;周文俊;周承科【期刊名称】《高压电器》【年(卷),期】2021(57)10【摘要】近年来高压电缆缓冲层故障频发,可能由波纹护套与缓冲层空气间隙局部电场畸变引起,现有电场仿真研究缺乏对波纹护套压纹深度、节距以及缓冲层阻抗的考虑。
文中基于麦克斯韦方程建立了考虑电缆波纹金属护套实际几何结构的数值仿真模型和平滑金属护套电缆的电路计算模型,定量分析了110 kV电缆缓冲层材料电导率和介电常数以及波纹金属护套几何结构对空气间隙电势与电场分布的影响。
研究表明,当缓冲层材料电导率在10^(-6)~10^(-9)S/m时,空气间隙电势主要受缓冲层材料电导率的影响;当缓冲层材料电导率小于10^(-9)S/m时,空气间隙电势主要受材料介电常数的影响;当缓冲层材料电导率大于10^(-6)S/m时,空气间隙电势接近于0。
波纹金属护套的存在会使空气间隙电势分布呈现与波纹相似的形状,电场集中在接触点附近,仿真所得疑似放电区域与故障现场实际烧蚀痕迹相吻合;缓冲层外表面电势受波纹护套影响较大,越靠近接触点电势越小,缓冲层内表面电势基本未受波纹护套结构的影响;金属波纹护套节距越小、压纹深度越大,空气间隙电场越大。
【总页数】9页(P167-175)【关键词】高压电缆;波纹金属护套;缓冲层;电场仿真【作者】李根;王航;周文俊;周承科【作者单位】武汉邮电科学研究院;武汉大学电气与自动化学院;湖北工业大学电气与电子工程学院;英国格拉斯哥加里多尼亚大学【正文语种】中文【中图分类】TM2【相关文献】1.高压XLPE绝缘电力电缆缓冲层与金属护层结构设计仿真计算与优化2.高压XLPE电缆缓冲层结构\r对载流量的影响研究3.高压XLPE电缆缓冲层故障研究现状综述4.高压XLPE电缆缓冲层故障研究现状综述5.高压XLPE电缆缓冲层放电烧蚀机理与实验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高压电缆缓冲层烧蚀成因原因分
析
高压电缆缓冲层烧蚀成因原因分析
高压电缆缓冲层烧蚀是一种常见的故障现象，会导致电缆的性能降低甚至失效。
烧蚀的成因可以分为以下几个步骤：
第一步，电缆工作时产生的高温。
电缆在工作过程中会因为电流通过导体而产生 Joule 加热效应，导致局部温度升高。
此外，由于电缆周围的介质可能存在温度升高的因素，如周围环境高温或电缆附近的其他电器设备产生的热量，也会增加电缆表面的温度。
第二步，电缆缓冲层的材料选择。
缓冲层是一种用于保护电缆导体和绝缘层的材料，需要具有抗高温和抗电弧烧蚀的性能。
然而，如果材料的选择不当或者质量不佳，就会导致缓冲层的抗高温能力不足，从而容易发生烧蚀。
第三步，电缆表面的污染和湿度。
如果电缆表面存在污垢或者湿度较高，会导致电缆表面的绝缘性能下降。
在高温的作用下，这些污垢会进一步蒸发，生成气体，形成孔洞或电弧，从而引发电缆缓冲层的烧蚀。
第四步，电缆的工作环境。
电缆可能处于恶劣的工作环境中，例如高温、高湿度、高压等条件下。
这些环境因素会加剧电缆缓冲层的烧蚀风险，并可能加速烧蚀的进程。
综上所述，高压电缆缓冲层烧蚀的成因主要包括电缆工作时产生的高温、缓冲层材料选择不当、电缆表面的污染和湿度以及恶劣的工作环境。
为了防止烧蚀的发生，我们需要合理选择缓冲层材料、保持电缆表面的清洁和干燥、控制电缆的工作温度以及提供合适的工作环境。
这样可以有效预防高压电缆缓冲层的烧蚀问题。
高压电缆缓冲层材料及结构特性研究发布时间：2021-01-15T14:06:19.343Z 来源：《基层建设》2020年第25期作者：何轶聪[导读] 摘要：近年来，我国现代化建设的发展迅速，在高压与超高压单芯电缆的金属护套与电缆缆芯之间均有缓冲层。
国网江苏省电力有限公司常州供电分公司江苏省常州市 213000摘要：近年来，我国现代化建设的发展迅速，在高压与超高压单芯电缆的金属护套与电缆缆芯之间均有缓冲层。
缓冲层具有半导电特性，能有效缓冲、弱化电场强度，并有效缓冲电缆绝缘与金属层，防止损伤绝缘。
电缆如有纵向阻水要求，缓冲层绕包带还应具有吸水膨胀性能，一般是采用聚酯纤维编织布与遇水可迅速膨胀的聚丙烯酸脂吸水膨胀粉复合而成。
其阻水机理是，当水分从电缆端头或是从护套缺陷中进入后，这种膨胀粉就会遇水迅速膨胀，阻止水分沿电缆纵向进一步扩散，这样就实现了电缆纵向阻水的目的。
关键词：高压电缆；缓冲层材料；结构特性研究引言高压交联聚乙烯绝缘电力电缆在我国已经使用了三十多年，最初全部使用进口产品，到目前为止66～220kV电力电缆已基本实现国产化，每年有超过一万公里的高压电缆埋设于地下。
进口产品和国产产品在护层结构和原材料特性方面各有其特点。
经分析，影响国产高压电缆产品质量的主要因素是原材料性能、护层结构及其加工工艺。
从最近十几年高压电缆本体故障案例解剖发现，大量出现绝缘屏蔽表面烧伤或放电痕迹，甚至引发击穿现象，影响电缆的使用寿命，危及供电安全，引起了电力行业的高度重视，这种缺陷不是短时间内能够显现出来的。
产生这种现象的原因目前不清楚，产品标准中对护层原材料的要求也不够明确，原材料的特性是否符合电缆运行的要求还有待进一步研究，标准中对护层结构的要求都需要进一步明确，生产工艺如何保证电缆的产品质量也需要研究。
1高压电缆阻水缓冲层现状目前国内大部分高压电缆采用氩弧焊焊接方式制作皱纹铝护套，在金属套与绝缘线芯之间绕包半导电吸水膨胀带，这种吸水膨胀阻水带是在半导电的聚脂无纺纤维中加入聚丙烯酸脂膨胀粉制成的，膨胀粉遇水后能在一定时间内迅速膨胀到一定高度，从而起到阻隔水的作用。
高压电缆缓冲层烧蚀的成因分析
严有祥;徐子峻;尤天鹏;周文俊;林智雄;刘彦琴
【期刊名称】《高压电器》
【年(卷),期】2023(59)2
【摘要】在近10年全国的电缆事故中已发现大量的缓冲层烧蚀问题,为探索烧蚀
产生因素,文中基于压力的影响建立了数学模型,考虑水汽的渗入对模型的影响,并对多组产生缓冲层现象的电缆进行了分析。
计算和仿真结果表明,电缆阻水带因电缆
绝缘本体重力和电缆敷设过程中的外力影响,会在1 mm_(2)接触点上产生3.75 A
的集中电流,使得在阻水带和铝套接触处温度升高到176℃,而铝和聚丙烯酸钠在80℃时会发生反应生成氧化铝粉末,产生阻水带上的“白斑”;而绝缘屏蔽层上相同的电
流长时间作用,则会引起绝缘屏蔽的老化。
【总页数】6页(P184-189)
【作者】严有祥;徐子峻;尤天鹏;周文俊;林智雄;刘彦琴
【作者单位】国网福建省电力有限公司厦门供电公司;武汉大学电气与自动化学院;
国网四川省电力公司成都供电公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM7
【相关文献】
1.高压电缆缓冲层轴向沿面烧蚀故障机理分析
2.高压电缆缓冲层轴向沿面烧蚀故障机理分析
3.高压电缆缓冲层烧蚀故障分析及预防
4.高压XLPE电缆缓冲层烧蚀缺陷特征气体分析
5.高压XLPE电缆缓冲层烧蚀故障原因与检测关键技术
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
专利名称：一种高压电缆缓冲用弹性编织带专利类型：发明专利
发明人：章迁平,吴亚利,储贤民,周莉群,杨彬申请号：CN202010769084.0
申请日：20200803
公开号：CN111899937A
公开日：
20201106
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种高压电缆缓冲用弹性编织带，包括第一织带和第二织带，所述第一织带和第二织带交叉织网，所述第一织带和第二织带的底部均设有基层，所述基层的顶部设有钢丝层，所述钢丝层的顶部设有防腐层，所述防腐层的顶部设有阻燃层，所述阻燃层的顶部设有耐磨层，所述耐磨层的顶部设有导热层，所述基层由聚丙烯和吸水树脂构成。
该编织带由聚丙烯、吸水树脂、石墨烯经过特殊工艺加工而成，具有强吸水、高强度、高导电、高散热等优良性能，而且具有高强的耐磨性能，提高使用寿命，还具有阻燃性，能耐高温，适合不同环境下使用，而且具有高强的抗冲击性能。
申请人：远程电缆股份有限公司
地址：214251 江苏省无锡市宜兴市官林镇远程路8号
国籍：CN
代理机构：南京利丰知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：任立
更多信息请下载全文后查看。
高压电缆缓冲层的设计与工艺研究
赵健康;樊友兵
【期刊名称】《电线电缆》
【年(卷),期】2010(000)003
【摘要】高压与超高压交联电缆金属护套与电缆缆芯之间的缓冲层是电缆的重要组成部分,对电缆的机械、热性能具有重要的影响.为研究缓冲层对电缆性能的影响,分析了不同的阻水带的热阻特性与工艺特点,对国产两种同型号不同厂家的电缆进行了对比温升试验,最后讨论和分析了现在国内外高压交联电缆缓冲层的结构与工艺特点.研究表明,具有不同结构与材料的缓冲层,对电缆本体的热阻有显著影响,也对电缆载流量有着很大的影响.在此基础上,对国产电缆的缓冲层设计与工艺提出了一些建议.
【总页数】5页(P17-21)
【作者】赵健康;樊友兵
【作者单位】国网电力科学研究院,湖北,武汉,430074;武汉大学电气工程学院,湖北,武汉,430072;国网电力科学研究院,湖北,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TM247.1
【相关文献】
1.高压XLPE绝缘电力电缆缓冲层与金属护层结构设计仿真计算与优化 [J], 汪传斌;金海云
2.高压电缆阻水缓冲层烧蚀缺陷的射线检测工艺参数研究 [J], 刘维可;谢亿;刘三伟;段肖力;曹先慧;黄福勇;冯超;吴堂清
3.高压XLPE电缆缓冲层故障研究现状综述 [J], 孟峥峥;李旭;于洋;李志坚;杜晓雨;孔晓晓;李进;李奇;杜伯学
4.高压XLPE电缆缓冲层故障研究现状综述 [J], 刘刚
5.浅析高压电缆缓冲层的设计 [J], 朱远标
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高压电缆缓冲层材料及结构特性研究赵永华
发表时间：2019-07-24T13:57:31.063Z 来源：《电力设备》2019年第5期作者：赵永华
[导读] 摘要：随着经济和科技水平的快速发展，电力行业发展也十分快速。
（宝胜科技创新股份有限公司江苏扬州 225800）
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，电力行业发展也十分快速。
运行多年的高压电缆，缓冲层及绝缘屏蔽表面与金属护套波谷接触部位存在“烧蚀”和“白斑”的现象，对高压电缆用缓冲层材料及几种典型高压电缆缓冲层结构的特性进行了研究，通过模拟试验再现“烧蚀”和“白斑”的形成，并提出了改进建议。
关键词：高压电缆；缓冲层；结构；白斑；烧蚀
引言
高压XLPE电缆在我国已经使用了三十多年，目前已基本实现国产化，每年有超过一万公里的高压电缆埋设于地下。
最近十几年高压电缆在迁移、改接和本体故障解剖时，发现缓冲层和绝缘屏蔽表面大量出现“烧蚀”和“白斑”现象，甚至引发击穿。
运行时，这种现象不能在短时间内显现出来，且产生的原因错综复杂，这引起了行业的高度重视。
各厂家、研究机构及用户投入大量的研究，希望能从缓冲层材料特性、结构、生产工艺及产品标准等方面提出改进措施和要求，以解决高压电缆缓冲层对电缆使用寿命的影响，提高供电安全。
1高压电缆用缓冲层材料特性
高压电缆用缓冲层材料主要有半导电缓冲阻水带和半导电缓冲带，由聚酯纤维非织造布、导电碳粉，以及阻水粉(半导电缓冲带无阻水粉)组成，其作用有纵向阻水、绝缘屏蔽与金属护套之间的电气导通、吸收电缆运行过程中的热膨胀等。
半导电缓冲阻水带用于有纵向阻水要求的电缆，而半导电缓冲带用于无纵向阻水要求的电缆。
1.1影响缓冲层材料电阻率的因素
高压电缆缓冲层承担了绝缘屏蔽与金属护套之间电气导通的功能，因此要求具有半导电特性，其体积电阻率要求23℃时≤100000Ω•cm。
缓冲层材料的体积电阻率是影响高压电缆性能的重要指标，当其值过大时，缓冲层变成了绝缘介质，绝缘屏蔽与金属护套未能达到等电位，从而形成一个电容，并产生分压。
1.2缓冲层材料“烧蚀”的模拟试验
1.2.1模拟试验
试验方法:用平铝板制作直径为80mm的电极，缓冲层材料试样为直径80mm的圆形，把试样放置在两块平铝板电极之间，并在上层平铝板电极加不同重量的负荷。
接上交流电源，逐级施加电压，每级升压5V(起始电压视试验情况而定)，并保持5min，直至烧蚀发生，记录烧蚀发生时的起始电压和电流。
试验设备:调压器、万用表、钳式电流表。
试验结果:高压电缆用缓冲层材料，在不同压力下不注水时烧蚀的起始电压和电流，在不同压力下注3mL水时烧蚀的起始电压和电流。
1.2.2试验结果分析
1)给高压电缆用缓冲层材料施加交流电压，当达到一定电压后均出现了烧蚀现象。
不注水时，施加压力越大，烧蚀起始电流变大。
注水后，烧蚀起始电流明显变大(缓冲层材料含水分，燃点提高)，但施加压力加大时，电流反而变小(压力越大，水分被挤出越多，缓冲层材料的含水率降低，因此烧蚀电流变小)。
2)半导电缓冲阻水带试验现象1)加2kg负荷时，当电压升至25V立即出现火星(后面断断续续出现)，加压到30V、1min时出现明显白烟，50V、1min时出现明火，烧蚀后两铝板黏连在一起.
2缓冲层结构对电缆载流量的影响
2.1缓冲层气隙层厚度对载流量的影响
由于阻水带中有蓬松棉，在重力的作用下，阻水带绕包结构的下部分与铝护套紧密接触，铝护套轧纹深度为2mm，。
本文定义气隙层的厚度为阻水带上表面与皱纹铝护套波谷之间的距离。
皱纹铝护套的轧纹深度在整个圆周上均为2mm。
阻水带与铝护套之间气隙层厚度对电缆载流量的影响，是载流量随气隙层厚度的减小而增大。
在0-2mm时，两者呈线性的关系，阻水带与铝护套紧密接触时，载流量有较大的增长。
气隙层厚度减小，电缆的载流量增大。
主要原因是在电缆工作温度下，空气的热阻系数约为32-36K•m/W，阻水带的热阻系数约为5-10K•m/W，空气的热阻系数远大于阻水带的热阻系数，也比电缆其他结构的热阻系数要高，故气隙层的导热能力远小于电缆其他结构的导热能力。
阻水带和铝护套紧密接触时，阻水带和皱纹铝护套有接触，使得导体线芯产生的热量经过阻水带传递到皱纹铝护套外面，热量传递的方式不仅依靠气隙层和铝护套之间的热传导，还通过阻水带和铝护套之间的热传导。
而阻水带的导热性能比空气较为优良。
上述原因，造成阻水带和皱纹铝护套紧密接触时，载流量有较大的增长。
2.2铝护套的影响
目前我国66kV及以上交联聚乙烯电缆金属护套基本上采用皱纹铝护套结构（又称波纹铝护套），国外同等级电压的电缆主要采用皱纹铝护套和平直铝护套。
金属护套形状会改变缓冲层的气隙形状，进而对电缆载流量产生影响。
3电缆载流量的计算
3.1有限元仿真模型的建立
在仿真计算过程中，需要说明导热物体与周围环境相互作用的情况，以及导热物体边界上的热状态。
传热学上常用的边界条件有三类：第一类边界条件，规定边界上的温度值；第二类边界条件，规定边界上的法向热流密度；第三类边界，固体和液体的交界面，规定流体的对流换热系数和温度。
仿真模型设置电缆敷设在空气中，故电缆外表面符合传热学的第三类边界条件，设置空气的对流传热系数为5W/（m2•K），环境温度设置为20℃。
COMSOL可以选择物理场控制网格自动生成网格，也可在用户控制网络选项下人工划分。
由于电缆模型较为简单，为了提高有限元仿真计算的效率，选择仿真程序自动剖分网格。
采用COMSOL自动剖分功能网格剖分。
在缓冲层处网格剖分较为精细，电缆其他地方剖分较为粗糙，使计算精算性和计算速度两者得到平衡。
3.2电缆长期允许载流量的计算
电缆损耗的计算及体积生热率的添加，运用仿真软件计算高压电缆长期允许载流量具体步骤：1）给定电流参数I0一个初值，运行COMSOL软件计算电缆及其周围环境的温度场分布；2）判断计算出的电缆线芯温度是否满足等于90℃的条件：若满足，则I0为该电缆的最高允许载流量；若不满足，运用数值分析中的二分法来改变I0值，直至导体温度达到90℃。
3.3温升试验
试验法是验证载流量计算结果最直接和最有效的方法。
本文搭建了敷设于空气中的型号为YJLW03-64/110-1×630的高压XLPE电缆的试验平台，对试验电缆加载恒定电流，通过温升试验验证所建立的电缆温度场仿真模型的正确性及仿真结果的准确性，为后续仿真研究做准备。
电缆采用空气中敷设方式、无风条件。
试验电缆长度约18m，离地高度约为300mm，电缆整体成U型布置，皱纹铝护套不接地。
电缆两端用同型号的电缆连接。
为了测量电缆周围环境温度，将水银温度计放置于试验电缆的附近，测量室温。
给试验电缆加载不同数值的恒定电流，分别是600A、800A和1000A。
按照标准试验结束前30min为稳定阶段，在稳定期间保证环境温度的波动不超过±2℃，并保证电缆导体的温度变化不超过±1℃，则其值为该恒定电流下的电缆导体温度值。
结语
1）缓冲层内气隙尺寸从2mm减小为0mm时，载流量随之线性增大；当缓冲层与铝护套紧密接触时，载流量有较大的增加。
2）阻水带外绕包一层金布，电缆载流量得到了提高。
3）同等气隙层厚度条件下平直铝护套的载流量大于皱纹铝护套的载流量。
通过对不同缓冲层结构的高压XLPE电缆载流量的仿真计算，缓冲层采用阻水带外绕包一层金布，再与平直铝护套紧密接触的结构，对提升电缆的载流量具有明显效果。
参考文献
[1]周远翔，赵健康，刘睿，等.高压/超高压电力电缆关键技术分析及展望[J].高电压技术，2014，40（9）：2593-2612.。
