電纜附件與電纜絕緣間的界面壓力

電纜附件與電纜絕緣間的界面壓力

0界面壓力不足電力相關(guān)設(shè)備在能源供電線路中起著連接和過渡等重要作用，是確保能源系統(tǒng)正常運(yùn)行所必需的重要組成部分。在電力線路中,對(duì)電纜附件的要求首先是產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理,其次是現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝正確、嚴(yán)謹(jǐn),安裝的環(huán)境條件(濕度等)符合要求。但是電纜附件內(nèi)部因存在復(fù)合界面和電場(chǎng)應(yīng)力集中現(xiàn)象,成為高壓電纜絕緣的薄弱環(huán)節(jié)和運(yùn)行故障的典型部位。綜合分析近10年來國內(nèi)外硅橡膠電纜附件的運(yùn)行故障案例證實(shí),復(fù)合介質(zhì)沿面放電是導(dǎo)致XLPE電力電纜和電纜附件運(yùn)行故障的主要原因,而其中附件絕緣與交聯(lián)聚乙烯界面壓力不足是產(chǎn)生沿面放電的重要原因。一般來講,界面壓力越大,界面的電氣強(qiáng)度越高,但界面壓力過大會(huì)造成安裝困難甚至電纜負(fù)荷運(yùn)行絕緣的“竹節(jié)”現(xiàn)象。已有研究表明,附件與電纜主絕緣結(jié)合界面壓強(qiáng)(即“握緊力”)在0.1~0.25MPa范圍時(shí),能夠滿足電氣強(qiáng)度要求,且不會(huì)造成安裝困難或電纜絕緣損壞。但是,較高的界面壓力只是實(shí)現(xiàn)界面高電氣強(qiáng)度的充分條件,界面電氣強(qiáng)度還取決于附件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、正確的安裝工藝等。而且界面壓力對(duì)界面電氣強(qiáng)度的影響也隨界面粗糙度、界面涂覆條件、電纜溫升、附件絕緣應(yīng)力松弛的變化而發(fā)生變化。研究表明,電力電纜線路故障率呈浴盆曲線,投運(yùn)初期(1~5年內(nèi))和后期(25年后)容易發(fā)生運(yùn)行故障。早期運(yùn)行故障中60%以上集中在附件產(chǎn)品質(zhì)量問題(未包括敷設(shè)安裝質(zhì)量問題),而其中70%以上故障起源于沿面放電。因此,基于決定電纜附件界面放電特性的界面壓力,探討電纜附件界面壓力的影響因素。1界面擊穿強(qiáng)度由于材料表面本身粗糙高低不平,當(dāng)兩種材料直接接觸時(shí),會(huì)形成如圖1所示的半實(shí)半空接觸形態(tài)?？障兜拇嬖跁?huì)引起界面局部放電,導(dǎo)致電氣強(qiáng)度下降。當(dāng)對(duì)界面逐漸施加壓力后,界面接觸面積增大,空隙缺陷減少,界面電氣強(qiáng)度逐漸提高。DFournier通過研究乙丙橡膠/硅橡膠夾層界面的擊穿強(qiáng)度和面壓的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)界面電氣強(qiáng)度隨面壓呈線性增長(zhǎng)。理想狀態(tài)下,當(dāng)外界壓力增加到一定值時(shí),界面接觸完好,無氣隙缺陷,此時(shí)界面電氣強(qiáng)度將趨近于材料本體擊穿場(chǎng)強(qiáng)。相反,界面壓力越低,材料表面粗糙度越高時(shí),界面擊穿強(qiáng)度越小,接近空氣擊穿強(qiáng)度。界面電氣強(qiáng)度與界面壓力、材料表面光滑度的關(guān)系如圖2所示。因此,在一定的界面壓力下,為提高界面的介電特性,通常在電纜附件安裝過程中對(duì)電纜表面用細(xì)砂打磨以提高其光滑度。柳松等研究了電纜XLPE絕緣表面經(jīng)不同目數(shù)砂紙打磨后與硅橡膠絕緣構(gòu)成夾層介質(zhì)的交流擊穿電壓特性,結(jié)果當(dāng)界面經(jīng)400目及以上砂紙打磨后,其擊穿電壓高于未打磨試樣。由此可知,在實(shí)際工程中可用400目及以上砂紙對(duì)電纜絕緣表面進(jìn)行打磨。由于絕對(duì)光滑平整的材料表面不可能實(shí)現(xiàn),為進(jìn)一步提高電纜附件界面擊穿強(qiáng)度,一般在材料表面涂覆硅脂以密封/填充界面空隙。DFournier將乙丙橡膠和硅橡膠夾層界面涂覆硅脂后,發(fā)現(xiàn)界面的擊穿強(qiáng)度大幅度上升,且隨壓力的增加呈指數(shù)增長(zhǎng),后逐漸趨于飽和。飽和現(xiàn)象的形成原因DFournie解釋為附件絕緣與電纜絕緣界面在一定壓力下,硅脂填滿界面空隙,界面形成一層薄硅脂膜,此時(shí)界面的擊穿強(qiáng)度趨近于硅脂本體的擊穿強(qiáng)度,與面壓無關(guān)。另外,RRoss對(duì)實(shí)際電纜附件研究中發(fā)現(xiàn),由于硅脂對(duì)有機(jī)絕緣的溶脹作用,在涂覆數(shù)周后硅脂會(huì)逐漸滲入附件絕緣或電纜絕緣內(nèi)。隨著彈性材料分子鏈的蠕動(dòng),滲入的硅脂一方面有助于降低介質(zhì)表面粗糙度,但另一方面界面硅脂的流失導(dǎo)致界面變干,界面性能劣化,從而降低界面電阻直至擊穿。為此,DFournier提出了自己的觀點(diǎn),他認(rèn)為隨著附件運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),暫不考慮材料應(yīng)力松弛對(duì)界面壓力的影響,在同一面壓下,乙丙橡膠/硅橡膠夾層界面擊穿強(qiáng)度介于直接接觸和表面涂覆硅脂之間。因此,為保證電纜附件運(yùn)行的可靠性,電纜附件在設(shè)計(jì)過程中,切線/沿面場(chǎng)強(qiáng)一般要求小于1kV/mm,典型值為0.4~0.7kV/mm。2電纜緣加工材料的熱循環(huán)電纜在運(yùn)行中溫度升高,而溫升會(huì)造成電纜絕緣性能劣化。根據(jù)國際AEIC電纜應(yīng)急運(yùn)行規(guī)范,對(duì)于XLPE絕緣電纜,在負(fù)荷循環(huán)運(yùn)行時(shí)允許短期(15min)運(yùn)行溫升達(dá)130℃。已知XLPE材料的熔點(diǎn)約為108℃,而橡膠材料熔點(diǎn)超過200℃,這意味著電纜附件終端或接頭的運(yùn)行溫度高于電纜的熔點(diǎn)。LLamarre等通過測(cè)量XLPE及乙丙橡膠材料在不同溫度下的彈性模量發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,乙丙橡膠的彈性模量幾乎不變,而XLPE的彈性模量逐漸下降。當(dāng)溫度超過105℃時(shí),XLPE的彈性模量低于乙丙橡膠的彈性模量,如圖3所示。對(duì)于冷縮或預(yù)制型電纜附件,一般與電纜過盈配合實(shí)現(xiàn)一定的界面壓力。當(dāng)運(yùn)行溫度高于電纜熔點(diǎn)時(shí),由于XLPE的彈性模量低于乙丙橡膠的彈性模量,此時(shí)乙丙橡膠的硬度超過XLPE材料,電纜絕緣變?yōu)橐子谧冃蔚膹椥泽w。在電纜附件絕緣的過盈界面壓力下,將導(dǎo)致電纜XLPE絕緣壓縮形變,當(dāng)溫度降低后,形變被固化,造成“竹節(jié)”現(xiàn)象,損壞電纜絕緣。LLamarre等發(fā)現(xiàn),由于高溫導(dǎo)致電纜絕緣厚度降低達(dá)10%。而高溫下絕緣厚度的減小必將導(dǎo)致附件絕緣過盈配合的界面壓力降低。因此,為避免出現(xiàn)明顯的“竹節(jié)”現(xiàn)象,王佩龍通過高壓電纜附件的電場(chǎng)及界面壓力設(shè)計(jì)表明,界面最大壓力要求不高于0.3MPa。一般電纜的工作溫度低于70℃,由圖3可見,70℃以下電纜XLPE絕緣的彈性模量遠(yuǎn)高于附件絕緣的彈性模量。NAmyot等通過實(shí)際電纜的高溫?zé)嵫h(huán)實(shí)驗(yàn)和面壓測(cè)量發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度高于75℃以上時(shí),溫度越高,界面壓力損失率越大。由此可認(rèn)為70℃以下電纜接頭界面壓力隨溫度變化基本保持不變。3應(yīng)力松弛電纜附件與電纜絕緣間界面壓力的實(shí)現(xiàn)依賴于附件用高彈性硅橡膠或乙丙橡膠等材料處于高彈態(tài)所表現(xiàn)出來的力學(xué)特性。但是,此高彈性材料的發(fā)展具有時(shí)間依賴性,即松弛特性。當(dāng)橡膠材料長(zhǎng)期處于擴(kuò)張狀態(tài)下,其內(nèi)應(yīng)力將隨時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)由分子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致鏈段隨外力方向調(diào)整的逐漸衰減的現(xiàn)象,即應(yīng)力松弛現(xiàn)象,且應(yīng)力松弛隨溫度的升高而加快。柳松等針對(duì)附件硅橡膠絕緣安裝后的擴(kuò)張率,根據(jù)時(shí)溫等效原理,反推出附件絕緣在40℃、70℃及90℃下的力學(xué)松弛特性(面壓下降率),如圖4所示。由圖可見,溫度升高,應(yīng)力松弛導(dǎo)致界面壓力下降越快。時(shí)溫等效原理不僅能有效預(yù)測(cè)附件絕緣長(zhǎng)期運(yùn)行的使用壽命,而且能用于指導(dǎo)電纜附件安裝初始面壓的設(shè)計(jì)。為確保電纜附件的安全運(yùn)行,附件與電纜絕緣界面的最小界面壓力(應(yīng)力松弛后)要求不低