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)正常運行所必需的重要組成部分。在電力線路中,對電纜附件的要求首先是產(chǎn)品設(shè)計合理,其次是現(xiàn)場安裝工藝正確、嚴謹,安裝的環(huán)境條件(濕度等)符合要求。但是電纜附件內(nèi)部因存在復合界面和電場應(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行故障案例證實,復合介質(zhì)沿面放電是導致XLPE電力電纜和電纜附件運行故障的主要原因,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,界面的電氣強度越高,但界面壓力過大會造成安裝困難甚至電纜負荷運行絕緣的“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(即“握緊力”)在0.1~0.25MPa范圍時,能夠滿足電氣強度要求,且不會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現(xiàn)界面高電氣強度的充分條件,界面電氣強度還取決于附件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、正確的安裝工藝等。而且界面壓力對界面電氣強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,投運初期(1~5年內(nèi))和后期(25年后)容易發(fā)生運行故障。早期運行故障中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界面擊穿強度由于材料表面本身粗糙高低不平,當兩種材料直接接觸時,會形成如圖1所示的半實半空接觸形態(tài)。空隙的存在會引起界面局部放電,導致電氣強度下降。當對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度和面壓的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)界面電氣強度隨面壓呈線性增長。理想狀態(tài)下,當外界壓力增加到一定值時,界面接觸完好,無氣隙缺陷,此時界面電氣強度將趨近于材料本體擊穿場強。相反,界面壓力越低,材料表面粗糙度越高時,界面擊穿強度越小,接近空氣擊穿強度。界面電氣強度與界面壓力、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電纜表面用細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,在實際工程中可用400目及以上砂紙對電纜絕緣表面進行打磨。由于絕對光滑平整的材料表面不可能實現(xiàn),為進一步提高電纜附件界面擊穿強度,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)界面的擊穿強度大幅度上升,且隨壓力的增加呈指數(shù)增長,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,此時界面的擊穿強度趨近于硅脂本體的擊穿強度,與面壓無關(guān)。另外,RRoss對實際電纜附件研究中發(fā)現(xiàn),由于硅脂對有機絕緣的溶脹作用,在涂覆數(shù)周后硅脂會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,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,他認為隨著附件運行時間的延長,暫不考慮材料應(yīng)力松弛對界面壓力的影響,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,為保證電纜附件運行的可靠性,電纜附件在設(shè)計過程中,切線/沿面場強一般要求小于1kV/mm,典型值為0.4~0.7kV/mm。2電纜緣加工材料的熱循環(huán)電纜在運行中溫度升高,而溫升會造成電纜絕緣性能劣化。根據(jù)國際AEIC電纜應(yīng)急運行規(guī)范,對于XLPE絕緣電纜,在負荷循環(huán)運行時允許短期(15min)運行溫升達130℃。已知XLPE材料的熔點約為108℃,而橡膠材料熔點超過200℃,這意味著電纜附件終端或接頭的運行溫度高于電纜的熔點。LLamarre等通過測量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。當溫度超過105℃時,XLPE的彈性模量低于乙丙橡膠的彈性模量,如圖3所示。對于冷縮或預(yù)制型電纜附件,一般與電纜過盈配合實現(xiàn)一定的界面壓力。當運行溫度高于電纜熔點時,由于XLPE的彈性模量低于乙丙橡膠的彈性模量,此時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,將導致電纜XLPE絕緣壓縮形變,當溫度降低后,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),由于高溫導致電纜絕緣厚度降低達10%。而高溫下絕緣厚度的減小必將導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及界面壓力設(shè)計表明,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絕緣的彈性模量遠高于附件絕緣的彈性模量。NAmyot等通過實際電纜的高溫熱循環(huán)實驗和面壓測量發(fā)現(xiàn),當溫度高于75℃以上時,溫度越高,界面壓力損失率越大。由此可認為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)出來的力學特性。但是,此高彈性材料的發(fā)展具有時間依賴性,即松弛特性。當橡膠材料長期處于擴張狀態(tài)下,其內(nèi)應(yīng)力將隨時間延長出現(xiàn)由分子運動導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。柳松等針對附件硅橡膠絕緣安裝后的擴張率,根據(jù)時溫等效原理,反推出附件絕緣在40℃、70℃及90℃下的力學松弛特性(面壓下降率),如圖4所示。由圖可見,溫度升高,應(yīng)力松弛導致界面壓力下降越快。時溫等效原理不僅能有效預(yù)測附件絕緣長期運行的使用壽命,而且能用于指導電纜附件安裝初始面壓的設(shè)計。為確保電纜附件的安全運行,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