500kV超高压电缆设计(共82页)

1、摘要随着社会经济的发展和用电需求的不断增长，城市输电系统正在逐步从架空线路向电力电缆方向发展，电力电缆正逐步向更高电压等级、更大传输容量发展，500kV超高压电力电缆的应用将逐渐扩大。但目前国内对超高压电缆及附件的开发能力、长距离500kV电缆的设计、施工和运行等问题的研究还比较薄弱，相应的技术很难跟上发展的速度，500kV超高压电力电缆的设计、选材和生产也面临着重重问题，超高压电力电缆的设计研发经迫在眉睫。本文简述了500kV电缆的研究背景及意义，介绍了国内外的发展现状并着重了解了日本的发展过程。给出了500kV单芯电力电缆的典型结构，对充油电缆和XLPE电缆进行了对比，给出了生产XLPE聚

2、乙烯料应满足的性能需求及挤包的相关问题。概述了超高压电缆的屏蔽层缓冲层的意义，对金属护套的选择和生产工艺进行了详细介绍，叙述了超高压电缆外护层的性能要求和阻水的意义等相关问题，简要介绍了载流量的计算。最后，通过对XLPE电缆和充油电缆的对比可以知道XLPE电缆优势明显，必然成为EHV发展的主要趋势。本文对500kV XLPE的选材结构等进行了较为全面的介绍，希望可以为500kV XLPE电缆的设计和生产提供一些帮助。关键词 500kV；XLPE绝缘；超高压；电力电缆-TheodoreAbstractWith the development of social economy and the g

3、rowing demand for electricity, city transmission system develops gradually from overhead line to the power cable, power cable gradually come to have the higher voltage, larger transmission capacity, the application of 500kV ultra-high voltage power cables gradually expand. But at present the design

4、of domestic EHV cables and accessories capacity, construction and operation of research is still relatively weak, the corresponding technical is difficult to keep up with the speed of development. The design of ultra-high voltage power cable material and production is faced with many problems, The d

5、esign and research of ultra-high voltage power cable are at the imminent.This paper describes the research background and significance of 500kV cable, introducing the development status at home and abroad and focusing on the understanding level of the process in Japan. We also compare the typical st

6、ructure of the 500kV single core cables, the oil-filled cable and XLPE cables, the performance demand for the production of XLPE polyethylene material and describe the needs which meet the related problems. We overview the significance of the shielding layer of buffer layer of EHV cable and the sele

7、ction and production process of metal sheath in detail, as well as the problems related to performance requirements of protective layer of EHV cable and the significance of water resistance, we also briefly introduces the calculating of the load flow.Finally we can know the advantages of XLPE cable

8、by comparing with oil-filled cable. And we believe that it will be the trend for EHV development. In this paper we introduce the material selection and structure in details, hoping that it can provide some help for design and production of XLPE cable.Key words 500kV；XLPE insulation cable；EHV；Power c

9、able不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究动态21.2.1 国内500kV XLPE绝缘电力电缆及其附件发展状况31.2.2 日本500kV XLPE绝缘电力电缆发展状况71.3 本文主要研究内容10第2章 500kV超高压电力电缆112.1 500kV超高压电力电缆112.2 500kV XLPE绝缘电力电缆的结构152.3 超高压电力电缆各部分结构及选材162.3.1 超高压电缆导体的选择162.3.2 超高压电缆导体的结构182.3.3 超高压电缆的绝缘层212.3.4 超高压电缆的屏蔽层252.3.5 超

10、高压电缆的缓冲层272.3.6 超高压电缆的金属护套挤出工艺282.3.7 超高压电缆的护层332.3.8 超高压电缆的阻水352.4 本章小结39第3章 电缆的电气参数计算403.1 电缆载流量计算的必要性403.2 载流量计算的基本原理413.3 稳态载流量的计算原理423.3.1 电缆的几种敷设方式443.3.2 导体线芯焦耳损耗453.3.3 绝缘介质损耗453.3.4 金属护套损耗463.3.5 电缆的热阻计算483.3.6 稳态载流量计算流程493.4 本章小结50结论51致谢52参考文献53附录57千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个

11、目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景目前，城市电力负荷需求越来越大，电压等级越来越高，为适应都市化负荷密集、城市容貌、网络复杂等状况，从技术和经济考虑，用电缆作引出线己经成为城市供电线路最佳选择。选用高耐电强度与介电系数的电力电缆，具有全封闭、全屏蔽、紧凑型的结构、有一定的可挠性、可穿越水中、地下埋设、免维护和高可靠性等特点，大大地降低了对空间尺寸和环境条件的要求，降低了维护成本，提高了供电可靠性。这些独特的优势，使城市电网的输电已经由架空线路逐步向地下电缆转变，且电力电缆的电压等级也在不断提高1-2。近年来，随着我国智能电网的开发、电

12、网容量的扩大和改造以及城镇化进程的加快，对EHV电缆的需求大量增加，随着绝缘耐压水平的提高，高压、超高压电缆的应用也越来越多。新能源电站的兴建、装备制造的发展、轨道交通的推广等又极大扩充了电缆的新型应用领域。客观预测：2020年前我国110kV及以上高压超高压交联电缆的年需求增长率平均为15，根据行业统计资料和市场分析，500kV超高压电缆2008年为213km，2010年为近400km，2015年将达870km，2020年预计为1700km3。但目前国内对超高压电缆及附件的开发能力、长距离500kV电缆的设计、施工和运行等问题的研究还比较薄弱，缺乏已达到共识的国际标准。500kV超高压电缆的

13、开发、设计、安装、运行、维护、推广的研究已迫在眉睫4。我国超高压电缆材料目前仍需要进口，国际上的主供应商是陶氏化学和北欧化工两家。110kV电缆代表规格800mm2绝缘料用量为2.5t/km，220kV代表规格1200mm2绝缘料用量为5.2t/km，500kV代表规格1600mm2绝缘料用量为14.0t/km。我国国产高压超高压电缆附件一直落后电缆本体，220kV电缆附件的制造商就已经非常少，在国家电网武汉高压研究院通过型式试验和预鉴定试验的只有青岛汉缆股份有限公司、长沙电缆附件有限公司、沈阳古河电缆有限公司、江苏安靠超高压电缆附件有限公司等为数不多的几家。在220kV、500kV的超高压地

14、下输电线路中，电缆附件的需求量分别为420m一套和400m一套。因此，我国超高压电缆企业和有关科研机构应加大对超高压电缆材料和电缆附件的研发进程，早实现国产化，抢占高压电力电缆的技术制高点，振兴我国线缆民族工业。 1.2 国内外研究动态近代，500kV及以上电力电缆的开发应用已成为热潮自第一条500kV电缆1975年在日本问世；上世纪七十年代末，意大利、美国等国家也着手开发750kV及以上电压等级的特高压电缆。1988年由日本研制的500kV交联聚乙烯(XLPE) 电缆问世，实现了电缆“无油化”的要求、深受欢迎；1993年后日本开始长距离500kV XLPE电缆的商业应用，即500kV电缆长度

15、由适应于电源网点间连接的百米级长度，扩展到城区网络间的互联，长度则以公里乃至上百公里，如东京湾的新京叶工程和大阪、名古屋的城网工程。在欧洲，继丹麦的哥本哈根环网电缆工程之后，德国柏林的BAWAG也在建设420kV XLPE电缆环网5-8。 我国超高压电力电缆研究起步较晚，略为滞后欧美日等国家，但进程很快。80年代初期沙江线工程的沙角A厂、广州抽水蓄能电站1、II期工程选用的500kV充油电缆，90年代的天荒坪选用了XLPE电缆，近年投产的四川二滩水电站则是LDPE电缆，颇具特色的东北的董家变三种500 kV电缆兼而有之，已有的各类型500kV电缆在国内都可找到其应用业绩9-10。2007年2月

16、3日，国家电网武汉高压研究院主办的“全国500kV交联电缆应用技术研讨会”在武汉召开，标志着我国第一个城市电网用500kV交联电缆系统应用取得突破性的进展。2009年3月，海南联网500kV海底电缆敷设成功，是我国第一条超高压、大容量、长距离的跨海联网工程，属亚洲首创、世界第二。2010年上海世博会500千伏静安变电站输电线路全程采用了500kV电力电缆，我国500kV超高压电缆在城市电网已进入实施阶段11。2012年北京海淀500kV也采用电力电缆作为电源输电线路，我国是继日本之后，第二个将500kV电力电缆应用于城市电网的国家。1.2.1 国内500kV XLPE绝缘电力电缆及其附件发展状

17、况“十一五”期间，我国输电线路电压从220千伏、330千伏、500千伏到750千伏，电压等级在逐步提高。随着电网建设的加快，输电线路电压等级的提高，发电设备、变压器等产品的性能、质量也将随之提高，这就要求电线电缆行业提供与之相适应的配套产品。此前因设计与研发空白，国内超高压500千伏及以上电压等级的交联聚乙烯绝缘电力电缆市场一直被国外高压电缆生产商垄断，导致超高压电缆市场价格畸高，售后服务延误，为此我国每年需花大量外汇进口，以满足国内电站建设需求。2011年我国企业研制并成功应用于国内大型水电项目的“国产500千伏交联聚乙烯绝缘电力电缆”通过成果鉴定，宣告了这一时代的终结。目前生产高压XLPE

18、电缆所需的超净可交联绝缘料与超光滑半导电屏蔽料仍然依靠进口；高压XLPE电缆附件的橡胶预制件的材料配方与工艺尚待完善提高。500kV超高压电缆及附件基本依赖进口，中国海南500kV海南联网工程用海底电缆及附属设备，500kV海底充油电缆总长度104.1公里，由NEXANS和VISCAS设在日本的合资的NVC工厂制造并承担敷设工程。中国上海世博会500kV供电专线用500kV交联电缆102公里以及所用的全部电缆附件，均由VISCAS公司提供产品和承担敷设工程。这样，超高压电缆的使用成本非常之高，制约了超高压电缆的使用和发展12。参照国际电缆制造厂商的经验，要使超高压聚乙烯绝缘电缆趋于成熟，实现国

19、内生产及应用500kV XLPE电缆，发展超高压、特高压主要从以下几个方面解决技术问题：包括采用三维静电场计算技术对绝缘支撑件的形状作优化设计，改进绝缘支撑件浇注材料及工艺以提高绝缘件性能以及制造金属嵌件元件；掌握绝缘气体净化技术及金属微粒陷阱捕获装置设计；掌握导体及外导体内表面提高光洁度处理技术、导体与外导体制造技术、气体密封及检漏技术、单元段(1218m)导体插接结构设计与外导体自动焊接技术以及电缆终端与各种配套的单元组件包括转角形单元、曲线形单元、伸缩单元及塞止单元的设计与制造。其关键问题是研发出特超净绝缘料及超光滑半导电料在运输以及生产过程中保持超净状态以及500kV XLPE电缆附件

20、配套供应13，并建立从聚乙烯基料、高压交联聚乙烯绝缘塑料到超高压交联聚乙烯电缆的完整体系同时通过XLPE电缆制造设备与技术引进，通过产品的研究开发，迅速缩短高压XLPE电缆与附件制造水平与国外先进技术的差距，提高电缆的科技含量，提高技术水平，实现产品结构的高端化。1.2.1.1 国内500kV XLPE绝缘电力电缆目前在国家大力拉动下，我国的500kV等高压超高压电缆的生产也取得了一些成绩。1.山东阳谷电缆集团有限公司山东阳谷电缆集团有限公司是国内电线电缆行业的领头雁企业，2008年被国家统计局评为中国最大的1000家企业集团、中国大企业竞争力500强企业和中国电线、电缆、光缆及电工器材制造行

21、业效益十佳企业。“日辉”电缆被认定为国家免检产品，“日辉”商标被认定为中国驰名商标。第一条总投资2亿元的500kV交联电缆生产线已于2005年10月竣工投产，第二期，总投资为3.6亿元，其中固定资产投资2.8亿元，企业自筹1.32亿元。购进德国特乐斯特公司的两条VCV交联生产线，设备配置参数是目前在国内线缆行业中属于最先进和最可靠。可生产750kV超高压交联电缆，电缆截面可达到3500mm2，可新增生产能力超高压电缆150千米，预计新增销售收入9亿元，利税1.34亿元，利润1.1亿元，电缆集团总形成500kV交联电缆225千米的生产能力，交联电缆生产能力一跃成为国内首位。2青岛汉缆集团有限公司

22、从事电线电缆高新技术研究和生产经营的技术密集型、高效益的大型企业，拥有国际90年代先进水平的500kV及以下多条交联电缆生产线。公司拥有从芬兰引进的220kV立塔交联生产线、船用、矿用电缆生产线等十几条国际先进水平的电缆生产设备，其中220kv大截面分裂导体结构电缆、35kV乙丙胶绝缘电力电缆，可填补国内空白。同时公司还有国内领先水平的超高压电缆检测装置。3河北省的宝丰电缆集团配置了当今世界最先进的自动化电缆生产线和线缆检测设备，拥有世界上最高的750kV特高压VCV生产线，10-110kV全干式CDCC交联电缆生产线，1-10kV一步法四层共挤硅烷交联电缆生线；及从德国西门子公司引进的10-

23、110kV局部放电检测设备和从瑞士哈佛莱公司引进的1000kV雷电冲击型式试验检备。4山东鲁能电缆有限公司其前身是山东鲁能泰山电缆股份有限公司，国家大型一档企业，国家电线电缆骨干企业。公司拥有先进的电线电缆制造设备526台套，其中关键生产设备是从德国SKET、KRUPP、芬兰NOKIA、加拿大CEECO公司引进的具有国际先进水平的专业制造设备，具备年生产中低压电缆6000km、高压电缆800km、各类祼电线30000吨的能力，公司具有自营出口权，建有国家级技术中心，有雄厚的自主研发实力。公司拥有先进的生产和检测设备1176台(套)，先后引进了芬兰诺基亚公司35220kV立式交联电缆生产线；瑞士

24、哈佛莱公司750kV局部放电测试仪等世界先进水平的电线电缆生产和检测设备210台(套)。公司500kV及以下高压电缆电性能试验屏蔽大厅为国内一流水平，并达到当今世界先进水平，为公司高压电缆的研制、开发和产品质量稳定提高奠定了坚实基础。除了上述几家公司外我国还有许多公司可以生产500kV及以上耐压等级的电缆，如浙江晨光电缆有限公司、渝能泰山电线电缆有限公司、广州市明兴电缆有限公司、湖北永鼎红旗电气有限公司（湖北红旗电缆厂）、河北新华立达线缆有限公司、河南金龙电缆集团有限公司、宝胜集团、沈阳古河电缆有限公司、上海电缆厂有限公司、广州岭南电缆有限公司、杭州华新电力线缆有限公司、浙江万马等。综合考虑我

25、国高压XLPE电缆技术与国外先进水平尚有差距。武高所正全力推动500kV电缆系统的国产化，我国开发与生产500kV XLPE电缆及附件对于电缆制造企业与电力工业单位均是必然的选择。完成这项工作需要有政府部门的大力支持，线缆行业管理部门和技术归口部门的宏观调控，需要有远见卓识的学者和企业家携手，需要相关有研发能力的行业应集结高技术的专家加大研发力度，研究出超高压交联聚乙烯绝缘塑料和超高压交联聚乙烯绝缘电缆，能够达到500kV以上的耐压等级14。1.2.1.2 国内500kV XLPE电力电缆附件的发展状况发展长距离500kV的XLPE电缆线路工程时，接头是必不可少的附件，城市电缆敷设需要大量电缆

26、接头，且电缆万一发生事故时，必须采用接头进行电缆接续，国产高压、超高压电缆附件一直落后电缆本体，500千伏XLPE电缆连接接头至今未完成开发研制及实用化，附件技术的落后现状已严重制约超高压电缆推广应用15。我们不得不在购买超高压电缆的同时，花费大量外汇去高价购买国外的电缆附件，时常受到外商若干附加条件的限制，备品备件的品种规格、数量及时效的限制等。终端制造难度大，高新技术含量比电缆本体要高得多，因为电缆整个运行系统中这一部分是个薄弱环节，对其设计制造时要极重视接头部分的电场分布、温度分布、压力分布，绝对消除气隙，模具设计极复杂，材料配方应用也有难度。超高压挤包绝缘电缆及其附件是电网中极重要的组

27、成部分，其长期可靠性是首先要考虑的重大课题；与110kV电缆及其附件相比，它们的工作场强很高，故安全裕度较小；它们的绝缘厚度较厚，热机械效应较严重；随着电压的增高，电缆本体与附件的设计以及安装配合，变得更为困难16-17。另一方面，电缆附件行业普遍存在的问题是如何对出厂产品进行试验检验，这也是作为电缆附件用户最关心的问题18。500 kV电缆附件中的户外终端和接头，在国内仅有江苏安靠电缆附件公司通过了武高院的型式试验，正在筹划进行一年的预鉴定试验。目前的状况是附件产品一旦通过型式试验后，三、五年内不再作试验，特别是产品出厂前不做也无法做试验检验，容易造成运行中的事故隐患。高压电缆附件研制开发工

28、作是一项资金密集型、技术密集型的系统工程，需要有电缆运行部门支持和配合，形成跨行业、多渠道技术合作，齐心协力快速发展我国高压电缆附件的民族工业，及早研制500kV XLPE电缆接头，提高电缆附件技术水平。对橡胶预制应力锥(机械扩张后套在电缆绝缘上)预置接头的应考虑合成橡胶应力锥与浸渍油的相容性：在高电场和热场作用下，预模制的橡胶应力锥老化会引起界面压的变化(松弛)从而降低电气强度的技术问题，采用合适的材料既可以使合成橡胶与浸渍油相容，又可以确保良好的老化性能。现在开发的硅橡胶绝缘材料可以很好的解决这一问题。还可采用弹簧压紧装置，在应力锥上增加一套机械弹簧装置以保持应力锥与电缆之间界面上的应力恒

29、定，辅以对付在高电场和热场作用下，橡胶应力锥老化后可能会引起的界面压力的变化(松弛)。另外，采用一种非橡胶应力锥，我们也可以开发成超高压电缆附件。在设计上它既能提供可靠的应力控制又能避开应力锥与电缆绝缘直接接触。典型的结构是美国G&W公司设计的产品，从使用角度来看，这种结构可以允许配套电缆有较大的直径和偏心度的制造公差。我们还可以参照国外的经验，开发超高压电容锥附件19。从原理上讲，电容锥控制电场的效果优于应力锥，但制造上比较麻烦为保证产品质量，应根据IEC62067:2006标准和中国国家标准化指导性技术文件GB/Z18890.118890.32002额定电压220kV(Um=252kV)交

30、联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件对附件进行严格的预鉴定试验(即为了验证完整的电缆系统具有满意的长期可靠性能而进行的试验)20。为了考核超高压电缆系统的长期可靠性，可以增加预鉴定试验，即长期加速老化试验。一些发达国家对电缆附件相关标准做出了明确地规定，我们的权威部门在时机成熟时对电缆及附件也应作出相应规定。1.2.2 日本500kV XLPE绝缘电力电缆发展状况我国现行电压等级规定高压的范畴为：IkV、6kV、10kV、35kV、60kV、110kV、200kV；超高压的范畴为；330kV、500kV、750kV、1000kV。近年来的我国基础建设的快速发展和城市进程的加快，使得我国成为世界超高压X

31、LPE绝缘电力电缆的重要市场。国外资本在原有的生产规模基础上，正加紧扩大生产规模；国内的电线电缆企业在超高压电力电缆制造领域的投资也骤然放大。可是，我们对超高压电缆制造与使用技术的积累和目前的技术需求存在着一定差距。通过了解国外的先进经验，是确定行业的努力方向、迅速提高国内超高压电力电缆的制造与维护技术水平的有效途径。在国外500kV电缆的使用以日本为最多，且产量也不大，所以国产电缆的规格可以参照日本的产品选用，以便于各国间电缆使用的统一性和互换性，更便于使用统一的配套附件。在500kV电缆腌制后，有可能首先要与日本或国外其他的电缆附件配套。所以了解日本500kV XLPE绝缘电力电缆的现状有

32、助于我国在此方面的发展。1.2.2.1 日本超高压XLPE绝缘电力电缆的开发日本于1832年开始制造铜线、1927年开始制造橡胶电缆、1949年开始制造聚氯乙烯绝缘电线、1950年开始制造聚乙烯绝缘电线、1987年由日本曰立电线株式会社制造的世界第一根500kV CV电缆入网运行。经过十几年的研发，2000年11月，世界首条500kV大长度CV电缆输电线路在东京都开始运行。这条线路全长40km，采用双回路，共计敷设240km单芯l2500平方毫米CV电缆，单根电缆最大长度为1800m。采购的电缆于1996年8月开标，从开标到敷设完毕其间用时4年。电缆供应商为：日立电线、住友电工、古河电工、藤仓

33、电线。各供应商提供60km结构参数完全一样电缆。对于绝缘线芯的制造，藤仓采用FZCV方式，其他供应商采用的是RCP方式。为了制造这条电缆的绝缘线芯，古河电工在千叶县新建了一座90米高的立塔：藤仓电线是在1992年建成的千叶县富津市工厂里的FZCV生产线上制造这条电缆的绝缘线芯。275kV及以下电压等级的XLPE绝缘电力电缆从运行经验上看不出RCP和FZCV两者在质量上存在显著差别。上世纪七、八十年代。世界对XLPE绝缘电力电缆进行了广泛深入的研究，其研究成果对于后来指导XLPE绝缘电力电缆的制造和运行的技术发展起到了很好作用。当时制造110kV及以上XLPE绝缘电力电缆绝缘线芯的主要设备是：干

34、式交联生产线。经过20多年的综合比较，目前日本见诸于报端的500kV XLPE绝缘电力电缆绝缘层制造方法是：有氮气保护的RCP和硅油保护的FZCV两种。XLPE绝缘电力电缆发展方向是：超高压化：大长度化：大截面化。1.2.2.2 日本目前XLPE电缆的绝缘水平与变迁在日本CV电缆实用化已有50多年的历史，随着材料制造技术和绝缘线芯加工技术的进步，电缆的工作场强也在逐步提高，下面是到2000年时，日本XLPE电缆绝缘平均工作场强变化的大致情况：500kV：9.1kV/mm9.9kV/mm11.7kV/mm220kV：5.5kV/mm6.3kV/mm154kV：4.2kV/mm5.1kV/mm5.

35、7kV/mm66kV：3.1kV/mm3.6kV/mm4.4kV/mm1.2.2.3 日本对超高压电力电缆的检测日本虽然在世界上最早完成500kV XLPE绝缘电力电缆的研发和应用，但到目前为止还没有收集到日本国家的产品标准。现将收集到的部分企业对于500kV CV电缆的要求汇总如表1.1：表1.1部分企业对于500kV CV电缆的要求汇总工频耐压试验465kV/15min局部放电试验465kV时未见放电（检验设备灵敏度小于5pc）护套冲击试验-90kV/3次安装后工频耐压试验970kV/60min安装后绝缘冲击试验士1960kV/各3次安装后局部放电试验352kV1h+318kV168h1.

36、2.2.4 日本对超高压电缆制造的主要要求在日本500kVXLPE绝缘电力电缆从基础研究到产品实用化用了约10年，通过实践认为影响其质量的主要因素为：异物、气孔、突起。采取的相应控制手段如表1.2：表1.2异物、气孔、突起采取的控制手段管理项目保证方法异物管理方法由过滤嘲来强化过滤检查手段使用树脂要全部经过检查，端头切片检查气孔管理方法通过交联专用程序(控制温度、压力等制造条件)检查手段端头切片检查突起管理方法由过滤嘲来强化过滤检查手段端头切片检查值得一提的是，异物不仅仅是来自材料外空间。在材料向挤出机输送过程、材料在挤出机机体及机头的流动过程中也不可避免地要产生异物。日本的企业在要求所有可能

37、和树脂直接接触的场所的环境要满足1000级净化标准。同时，还在挤出螺杆和机头上下功夫，努力减少其上的物质存留。将追求挤出效率转向追求挤出的塑化质量及挤出机头各处熔融体流速均一，减小偏芯。在使用气体传输材料时，由过去的低压高速方式转为高压低速方式。运行前的长时问局部放电试验的目的就是为了检测系统(电缆和接头等)内异物、气孔、突起的水平。1.3 本文主要研究内容本文概述了500kV XLPE电缆的研究意义和背景，并对国内外发展现状进行了简单介绍。详细讲述了日本500kV超高压电缆的研究历程。介绍了典型500kV超高压电缆的结构，对充油电缆和XLPE电缆进行了对比，认为XLPE电缆具有充油电缆不具备

38、的优势。对各部分选材、作用等做了详细分析，如导体的选择、导体的结构、绝缘的选择和工艺、屏蔽层、缓冲层、金属护套和护层的选择等。最后简要介绍了电缆的载流量计算。第2章 500kV超高压电力电缆2.1 500kV超高压电力电缆超高压电力电缆一般可以分为充油电缆和交联聚乙烯（XLPE）电缆两种，下面对两种电缆的特性进行对比。1 充油电缆充油电缆实际是在传统的浸渍纸绝缘结构延伸的产品，与66275 kV分相绝缘充油电缆的结构相似由于有外置压力油箱所持有的(微)正压可以保证各浸渍纸间油道(膜)丰满并具有足够绝缘耐受能力，因而其运行可靠性高，过载能力强和使用寿命长等优点已被运行实践所证明，但其缺点也很明显

39、21：(1)电缆敷设应用将受地理环境条件及两终端头之间自然落差的限制，并会增加电缆油道的压力。(2)有潜在的失火危险，尤其是在敷设安装过程受到意外的机械损伤等，会对安装现场提出严格的消防要求(3)终端电缆头需配置压力油箱、结构较为复杂，并需定期维护和繁复的检测工作，这是现代电力用户所不希望的。在我国应用历史最长，积累的运行经验最多，但有火灾危险，我国以礼河三级电站曾先后发生过电缆(820kV)失火事故而造成重大损失。充油电缆敷设维护均比干式电缆复杂，安装高差也有限制，浸渍纸纸绝缘充油电缆的缺点，电力部门是深有体验，现已被逐渐淘汰22。2 交联聚乙烯（XLPE）电缆交联聚乙烯（XLPE）电缆具有

40、无油化的特点，介质损耗小，防火性能好，安装敷设方便，维护工作量少，随着制造工艺的改进和实际工程运行的考验，其可靠性也逐步得到认可，应用也愈加广泛，提出电缆“无油化”的要求是一种必然的，电缆产业界也一直为此努力寻求适合于制造干式电缆(Dry Cable)的绝缘材料，在HV和EHV系统中的电缆普遍认为聚乙烯是较为理想的绝缘介质、现已经开发研究并应用。由于低密度聚乙烯（LDPE）本身的物理性状存在的一些不足，如软化点温度偏低，电缆的运行温度应控制在70及以下；过载能力较低、尤其是在出现外部短路时，允许的短时温升的极限温度必须控制在PE的软化点以下等原因，低密度聚乙烯（LDPE）的应用会受到制约，要想

41、有所改观就只能从分子结构上予以改进所谓交联就是应用物理或化学手段使分子中的短侧链与两个长链相接的过程，就PE而言则需将分子中的氢原子有序地夺走一个(纵向长链上)代之横向支链接起来，从而使其具有牢固的晶体结构，类似于橡胶的硫化。故在交联的过程需增加脱气的工艺，使绝缘由线性结构交联成网状结构其软化点温度可以达到130以上现今XLPE电缆的生产工艺流程，虽有悬链、水平和垂直布置的交联与三层共挤(Trimethoxysilan)生产线的方式之分23。但在工艺质量的监控上更趋连续性和严密，而仍然保有商业化流水线连续生产的优势，电缆的技术性能则有明显改进，交联与乙烯的特性：长期持续运行温度允许值90使电缆

42、过载能力增加，短路运行温度允许250这就意味着在以载流密度选择电缆截面时，截流导体和屏蔽层有色金属的消耗量可减少而得以充分利用，不必受绝缘材料的限制。现有500 kV电缆综台性能比较将上述各类型电缆的主要性能如表2.1所示。 从表中不难看出XLPE在技术性能指标上相对较好。根据国内外500kV超高压电缆应用的一些实例，充油电缆制造经验丰富，运行历史长，可靠性较高；但它也有明显的缺点：敷设安装不方便易燃性高敷设落差受限制。与充油电缆比较XLPE电缆具有无油化的特点，防火性能好，敷设安装方便，维护工作量少，而且介质损耗低，具有明显的优越性随着制造工艺的改进和实际工程运行的考验，“无油化”挤塑电缆将

43、是EHV电缆发展的主要趋势，XLPE电缆的可靠性也逐步获得认同越来越广泛地得到应用。因此，在未来城市的500kV电缆应用中应以XLPE电缆为主，这种形式的电缆更适合未来城市化发展的要求。自1957年美国GE公司首先采用过氧化物蒸汽交联聚乙烯获得成功以来，交联聚乙烯生产技术有了长足的发展。现在有特色的交联方法有十几种，交联生产线吸收了包括计算机在内的许多先进技术。交联方法表2.1 500kV电缆综合性能比较性能参数XLPE充油浸渍纸机械性能抗拉强度/Mpa15伸长率600电气性能体积电阻系数/m10161014相对介电系数2.33.5介质损耗系数0.050.03绝缘击穿强度kV/mm4080最大

44、持续运行温度/9065最大短路运行温度/250220抗老化性能100时优良120时优中105时良差可以分为物理交联和化学交联，物理交联即辐照交联，化学交联可分为过氧化物交联和硅烷交联。物理交联又称为辐照交联，是利用电子加速成器产生的高能量电子束流，轰击绝缘层及护套，将高分子链打断被打断的每一个断点成为自由基。自由基不稳定，相互之间要重新组合，重新组合后由原来的链状分子结构变为三维网状结构的分子结构而形成交联，由于500kV线径过大，辐照交联难以保证完全交联，不应用于超高压电缆的生产。过氧化物交联是应用最广泛的交联方法，聚乙烯也多用过氧化物法交联，电缆用聚乙烯交联料是以低密度聚乙烯配合过氧化物交

45、联剂、抗氧剂、填充剂等租场的混合物料。加热时，过氧化物分解为活血火星很高的游离基，这些游离基夺取聚乙烯分子中的氢原子，使聚乙烯主链上的某些碳原子为活性游离基并相互结合，即产生C-C交联键，形成了网状的大分子结构。过氧化物交联的几种方法：(1) 饱和蒸汽交联：饱和蒸汽的特点是热量来自汽化潜热，热容量大，传热效率高、成本低、压力和温度容易调节等。它在橡皮电缆生产中得到了广发应用，但此法中制品在高压高温下要与水蒸气接触，材料内部将吸收水分冷却时过半和水洗出形成大量的微小孔隙。另外饱和蒸汽温度与蒸汽加压力有关，压力大温度高。但在高蒸汽压力下，温度随压力上升而增加的速率会降低，这就决定了此法交联温度不高

46、，继而限制了交联速度。教练速度低是饱和蒸汽交联又一明显不足。由于上述原因饱和蒸汽交联一般用10kV及以下电缆生产，无法生产超高压电缆。(2) 惰性气体保护热辐射交联：针对饱和蒸汽交联的缺点人们开发了惰性气体保护的热辐射交联，即所谓干法交联，和饱和蒸汽交联相比，干法交联制品在交联过程中不与水或水蒸气相接触，最大限度地控制住了吸水量和微孔尺寸，这对限制水树的生成，提高制品使用寿命无疑使重要的，其次决定生产速度的交联温度与气体压力无关，故可根据工艺要求设计交联管的加热温度，以取得尽可能高的生产速度。(3) 熔盐交联：这是以钾钠等低熔点金属盐溶液为交联介质的方法，初称为熔盐法(Liguid Curin

47、g Mediun)，简称LCM，后来改进为加压熔盐法(Pressure Liquid Continue Vulcanigation)，简称PLCV。由于熔盐是导电物质，其水溶液是水树的促进剂，故不能生产高压超高压电缆。(4) 硅油交联：硅油交联是70年代开发的新方法。其技术关键是用不和聚乙烯发生溶胀作用的加压硅油作为交联和冷却介质，由于硅油到点性优异、化学稳定性好、热导率高并有和聚乙烯相当的密度，这就较好的解决了生产中所需的高温高压，不恶化制品质量及卧式和悬垂式所需的托浮力问题。如FZCV机组交联温度为300，和饱和蒸汽方法相比，相同管长可提高速度10%25%。生产中硅油有约350KPa的压力

48、，因此气隙小，一般小于1微米；制品不和水接触，含水量也和其他干法交联相当。并且用卧式或悬垂式就可以生产高压电缆，因此它是目前生产高压交联电缆较为理想的方式。硅烷交联是在温水中进行的，故又称温水交联。温水交联的方法是将电线电缆置于90的温水中浸泡5至7小时，在此状况下，氢氧化物将吸收大量的水分，导致绝缘电阻下降，直接影响到电缆的综合性能。故不应用于超高压电缆的生产。但这种方法设备简单、价格便宜、工艺灵活、可以着色，改变规格时不需浪费大量电缆，所以是生产中低压电缆的比较合适方式24。2.2 500kV XLPE绝缘电力电缆的结构电力电缆按照单根电缆包含的线芯数量可分为单芯和三芯两种，一般来说，50

49、0kV XLPE单芯电缆的典型结构，其主要结构包括导体、导体屏蔽层、XLPE绝缘层、金属屏蔽层、内衬层、金属护套以及PVC外护套等，如图2.1所示。图2.1500kV XLPE绝缘单芯电缆的结构1 导体 2 半导电带 3 导体屏蔽 4 绝缘 5 绝缘屏蔽6 半导电阻水带 7 金属护套 8 防腐层 9 聚乙烯外护层（含半导电层）2.3 超高压电力电缆各部分结构及选材2.3.1 超高压电缆导体的选择目前，国内外电缆导体材质主要有铜芯、铝芯两种。铜芯与铝芯电缆线芯基本性能比较如表2.2所示：表2.2铜芯与铝芯电缆线芯基本性能比较材质电阻率电阻温度系数热膨胀系数熔点密度抗拉强度抗腐蚀性能弹性模量载流量

50、铜芯0.01723.9316.610838.9196好11.7高铝芯0.2823.9236602.778差7.16低从由表中各项性能指标不难看出，铜芯电缆比铝芯电缆有明显的优势。主要体现在以下几点：(1)铜芯电缆线芯电阻率低：铝芯电缆的电阻率比铜芯电缆约高1.68倍；(2)铜芯电缆线芯弹性模量高，是铝芯电缆的1.63倍，可以弯曲、易延展。(3)铜芯电缆线芯抗拉强度是铝芯电缆线芯的2倍。(4)铜芯电缆抗腐蚀性能好。(5)铜芯电缆的载流量比铝芯电缆大：同截面的铜芯电缆要比铝芯电缆允许的载流量高30左右。从经济角度考虑，铜价格比铝价格高很多，铝芯的经济优势明显，但500 kV超高压电力电缆导体材质的

51、选择，既需考虑经济性，更要考虑其较大截面特点和包含连接部位的可靠安全性25。综合考虑铜铝两种材质的经济和技术性能，本课题推荐在城市500千伏超高压电缆中应采用铜芯电缆。除以上经济技术术分析外，还基于以下几个重要原因：(1)从国内外运行电缆来看，在中低压电缆中铝芯电缆线路故障率高，截止目前还没有任何电缆制造厂家在超高压电缆中采用铝芯电缆。(2)铝芯电缆线芯的连接质量不易保证，从两种材料的性能比较中，我们可以看到铝材与铜材相比较弹性模量小、造成铝材的接头易变形、固定不紧易松动、接头接触不良、接触电阻高。(3)由于近20年以来，电力系统均以铜芯电缆为主，目前电缆安装部门配置的压接工具都是以压接铜芯电

52、缆为主的，压铝芯电缆的工具基本没有配置。现在压接工具制造企业也基本没有制造铝芯电缆的压接工具。国标规定压接铝芯电缆采用点压法。点压法的优点是需要的压力较小，较容易使局部压接处接触表面产生金属表面渗透，可以破坏铝芯线及连接管表面的氧化膜，但压接以后连接管易变形。国标规定压接铜芯电缆采用围压法，围压法的优点是压接后连接管表面形状比较平直，不变形，容易解决连接管处电场集中的问题。参考国标GB/T XXXX额定电压500kV（Um=550kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件第二部分，500kV交联聚乙烯绝缘电力电缆导体用铜单线应采用 GB/T3953 中 TR 型圆铜线。导体应采用紧压绞合圆形铜导体，

53、截面为 800mm2导体可任选紧压导体或分割导体结构；1000mm2及以上导体应采用分割导体结构26。导体的结构和直流电阻应符合 GB/T 3956和表2.3规定。表2.3导体的结构和直流电阻相关规定导体标称截面mm2导体中单线最少根数20时导体直流电阻最大值 /km800530.022110001700.017612001700.015114001700.012916001700.011318002650.010120002650.009022002650.008325002650.0073导体便面应光洁、无油污、无损伤屏蔽及绝缘的毛刺、锐边以及凸起或断裂的单线。2.3.2 超高压电缆导体的

54、结构电力是重要的绿色能源，是国民经济发展的前提和基础。随着国民经济的快速发展，电力需求剧增，电力设施朝着大容量 ( 高电压、大电流)传输方向发展。为了提高电缆的载流量，通常采用增大导体截面的办法。但是，由于交流系统中集肤效应的存在，导致导体中的载流量并不是随电缆导体截面的增大而成正比例增加，而是当导体直径增大到一定程度时，集肤效应严重，导致导体的交流有效电阻即交流电阻会明显大于其直流电阻，因而单靠增大截面也就失去了其实用性和经济性27。为了最大限度地减轻因集肤效应引起的导体交流电阻增大，有效地减小导体的损耗发热，增加导体的载流量，就要将大截面导体分割成彼此绝缘的几部分即形成分割导体。分割导体是

55、由分割股块、隔离绝缘皱纹纸、扎带、半导电尼龙带、导体填充等部分组成，其中，每个股块外要纵包隔离绝缘皱纹纸，股块成缆后在分割导体外首先要用扎带捆紧，再绕包半导电尼龙带，最后缠绕无纺布保护层。另外，分割导体中心采用导体填充。集肤效应即场量比较集中在表面的现象。在电磁场理论中，交流电源与负载间的能量传输是通过导线中的空间以电磁波的形式进行的。坡印亭向量s表达了能量传输的功率密度：（2-1）其中：E为电场强度；H为磁场强度。（2-2）其中：为电流密度 为导体电导率 E为导体内的分布场强由式（2-1）（2-2）知，导体中的分布决定于导体中场强E的分布，也决定于坡印亭向量的分布。由于导体的电导率，即电阻率

56、0，所以其中有能量损耗，即有一部分电磁能转变为了热能。因此电磁波在导体内部，随着与表面距离的增大，能量逐渐减少，从而引起电磁场量的逐渐减弱。因而集肤效应是由于场量在导体内部的衰减形成的28。场量在导体内的衰减快慢又可以用透人深度d或衰减常数表示。D表示在平面波条件下，其幅值衰减到表面值的1/e时的纵深距离。 对于良导体有：（2-3）对于直流传输有=2f=0，d，因而无集肤效应。对于钢导体工频传输有：=2f=100，u=u0.=58兆西/米，则有：dcu= 9.45mm，即在9.45mm深处，场量衰减到其表面值的0.368倍。而对于纹合型电缆导体，由于单线间有缝隙，从理论上很难精确计算透人深度，但dcu9.45mm是肯定的。由此可见外径越大，集肤效应就越明显，导致交流电阻增加的比例也就越大，电缆损耗发热越多。由以上分析电磁场理论可知，要想对大截面电缆导体有效地减轻因集肤效应引起的交流电阻增加，就要将导体加工成为由几个相互绝缘的独立部分构成的导体，每个部分的外形尺寸明显减小，以达到减小交流电阻的目的。l 分割导体的结构形式及特点扇形分割：将分割导体加工成几个扇形股块，然后彼此间加以绝缘成缆为一个圆形导体，如图2.2所示：图2