高压电力电缆附件选型的若干问题

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-26 14:06:58

摘要：高压交联电缆附件的正确选型不仅影响电缆工程的施工和投资，也直接影响电缆系统的安全运行和使用寿命。文章扼要分析了当今国内、外常用产品的结构特点及制造、安装和使用中应注意的问题，提出高压交联电缆附件的选型原则，并对涉及结构选型方面的一些问题进行了探讨。

关键词：高压交联电缆；电缆附件；户外终端；GIS终端；中间接头；结构选型；品质评判

110 kV及以上电压等级的交联电缆在我国已有20余年运行历史，期间发生过不少绝缘击穿事故。统计表明，这些击穿事故大多数发生在电缆附件上，电缆本体故障率较低。分析电缆附件故障的原因，除安装质量问题外，有不少是由于电缆附件本身存在问题而引起的，包括选型不当和制造质量。因此，在电缆工程项目中，选择合适的电缆附件至关重要。

1 电缆附件选型原则

评判电缆附件品质的因素是多元的，原则上有以下几个方面。

（1）电气性能。电气性能的好坏是评判电缆附件品质的首要原则。主要考虑电缆附件的电场分布是否合理，改善电场分布的措施是否恰当，材料的电气强度、介质损耗和产品的绝缘余度等。同时，还须考虑电气性能的稳定性，包括电缆附件材料的化学、物理性能和结构的稳定性等。例如应力控制材料性能是否稳定，应力锥是否容易变形，电缆绝缘回缩对电缆附件的电场分布的影响及防止措施，各种材料结合的相容性，结合界面性能的稳定性等。此外，还应考虑电缆附件的热性能，如介质损耗、导体连接的接触电阻及其稳定性、热量的传导释放、热胀冷缩对各部件电性能和机械性能的影响等。

(2) 密封性能。密封防潮性能直接影响电缆附件的电气性能和使用寿命。终端的密封结构是否可靠、稳定。一般来说，中间接头也应有一个与之相匹配的金属防潮外壳，特别是直埋或使用在潮湿环境中。 (3) 机械性能。终端应该有足够的抗弯、防震的能力。中间接头应能承受一定的拉力和防止外力损伤的措施。

(4) 工艺性能。工艺性能是电缆附件设计和选型的一个重要的条件，安装工艺应尽量简单，便于现场施工，工期要短；品质优良的产品对现场环境要求和对安装工人技术水平依赖不高；安装质量容易控制，质量可靠等。

(5) 适合本工程的要求。当今国内、外市场上超高压交联电缆附件品种繁多，结构多不相同。众多类

型的电缆附件各有特点，近十多年来相互并存和发展。电缆附件的选型应该根据实际使用要求决定，不必盲目追求新潮，适用才是最好。

(6) 制造厂商的质量保证体系。这一条是重要而又容易被忽视的选型原则。预制型电缆附件出厂时，制造厂提供的是橡胶预制件、预制应力锥、瓷套、外壳、浸渍剂等零部件和材料，在现场安装时再装配成整体终端或接头。每一个零部件的制造质量和安装工艺好坏都直接影响电缆附件的质量。这套质量保证程序至少应包括以下内容：①出厂时，应该严格对关键零部件（例如橡胶应力锥、GIS的环氧树脂套管、浸渍剂、中间接头的预制件等）进行出厂试验。仔细检查（审查）试验和测量设备是否可靠，试验方法是否有效、试验人员是否训练有素和试验记录是否齐全；②制造厂派遣的安装和施工人员是否受到严格培训和有足够的施工经验；③制造厂不同部门之间的协调是否良好；④以往的销售和运行记录。

2 主要型式及特点

2.1 电缆终端

国内、外新建设的高压电缆工程，大多是采用预制型电缆附件。预制型电缆终端的种类很多，传统的预制型终端的内绝缘采用预制应力锥控制电场，外绝缘是瓷套管（或环氧树脂套管）。套管与应力锥之间一般都充硅油或者聚丁烯、聚异丁烯之类的绝缘油。出厂时，制造厂提供的是橡胶预制应力锥、瓷套、绝缘油等零部件，在现场安装时再装配成终端。现代预制型终端有3种基本结构［1］：

（a）户外终端 （b）GIS / 变压器终端

1-导体引出杆；2-瓷套管;3-环氧树脂套管;4-绝缘油；5-橡胶预制应力锥

图1 橡胶应力锥直接套在电缆绝缘层上的结构示意图

（1）将橡胶预制应力锥机械扩张后套在电缆的绝缘层上，其典型结构示意图见图1。这种结构的特点是应力锥直接套在电缆的绝缘上, 依靠应力锥材料自身的弹性保持应力锥与电缆绝缘层之间的界面上的应力和电气强度。欧美一些国家的电缆制造厂商,如我国用户熟悉的瑞士Brugg、意大利Pirelli、法国Nexans等公司以及我国沈阳电缆厂﹑上海三原电缆附件公司和北京国电四维电力技术公司都有这种结构的产品。它的外绝缘是瓷套（GIS终端一般用环氧树脂套管），内绝缘是一个合成橡胶(硅橡胶或乙丙橡胶)预模制应力锥, 瓷套（或环氧树脂套管）内注入合成绝缘油。显然,这种结构简单，但是存在2个令人关心的技术问题: ①合成橡胶应力锥与浸渍油的相容性;②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力的变化(松弛),从而降低电气强度。以上2个问题实际上就是一个材料问题。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。上述产品的长期安全运行经验可以说明这一点。

图2 在橡胶应力锥上加弹簧压紧装置示意图的结构

（2）采用弹簧压紧装置。这种结构的特点是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)。图2为在户外终端应力锥上加弹簧压紧装置的结构示意图（GIS终端上采用的弹簧压紧装置结构与户外终端是一样的）。弹簧5通过喇叭形的铝合金托架4将压力传递到应力锥3上。由于环氧套2的限制，弹簧压力分解，增加了应力锥与电缆绝缘层的界面压力。这种结构还有一个很重要的特点，就是它的橡胶应力锥与浸渍油基本隔离，从而消除了应力锥材料溶涨的可能性。日本和韩国的电缆制造厂商采用了

这种结构，我国湖南省长沙电缆附件公司的产品也是这种结构。这种在应力锥上增加弹簧装置的结构在设计上似乎更周全些，但结构复杂,对制造和现场安装的要求高,现场安装所需的时间也增长。

(3) 采用一种非橡胶应力锥，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，在我国已经有不少用户。图3为这种结构用在户外终端的结构示意图（用在GIS终端上的设计与此相同）。应力锥用铝合金成型，表面喷镀一定厚度的环氧树脂。由图3可见，这种结构的应力锥与电缆绝缘不直接接触，因此可以允许配套电缆有较大的直径和偏心度的制造公差。另外，这类终端在工厂内已经把主要的零部件瓷套管、应力锥、顶盖、底盘和油压调整装置等都装配好，并且充满绝缘油。安装时，当把电缆端部准备好后，把预制终端套入电缆即可。

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图3 非橡胶型应力锥结构示意图

上述3种结构各有所长,均达到了实用化水平，并都已经有比较成熟的使用经验。

GIS终端的基本结构与各公司的户外终端相似。由于GIS是在全封闭环境下运行,可以免受大气条件和污秽的影响,加上SF6气体的良好绝缘特性,所以GIS终端的外绝缘采用环氧树脂套管，其尺寸比户外终端瓷套小得多。它的内绝缘用的应力锥和绝缘油与户外终端相似。在图1和图3的GIS电缆终端的环氧

树脂套管内充有绝缘油，称为湿式（或充油式）GIS电缆终端。图2的GIS终端内，不灌注绝缘油，称干式GIS电缆终端。

国际电工委员会制定了IEC 60859标准,规范GIS电缆终端与GIS开关设备间的相互配合尺寸，同时明确了电缆制造厂与开关制造厂的各自供货的范围。因此，凡是按照IEC 60859标准设计制造的GIS电缆终端都可以安装在任何厂商制造的标准型GIS开关设备上。IEC 60859标准的最早版本是1986年颁布的，标准号是IEC 859-1986，该标准规定GIS电缆终端不分湿式或干式，在电缆仓内的高度Ls是相同的。如110 kV GIS电缆终端的Ls ＝757±1。之后这一标准几经修改，1999年颁布的最新版本IEC 60859-1999明确了GIS电缆终端分为湿式和干式二种类型。现行标准中，110kV 湿式GIS电缆终端的Ls仍为757±1，而110 kV干式GIS电缆终端的Ls为470±1。

变压器终端的基本结构与GIS终端的基本结构十分相似，但是变压器油与SF6气体的电容率（介电常数）不同，因而整个终端的电场分布也不完全相同。另外，变压器油的击穿强度也较SF6气体低。事实上，大多数制造厂采用的是改变变压器终端套管高压屏蔽罩的形状调整电场分布，达到尽可能使变压器终端与GIS终端相同的结构。随着硅橡胶在电气绝缘领域成功地使用，人们开始把硅橡胶的应用拓展到电缆终端的外绝缘领域。首先人们采用硅橡胶复合套管代替瓷套作为户外终端的外绝缘。复合套管质量小，有优良的防爆性，保证了周围人员和设备的安全。因此，它的出现受到普遍地关注，特别是使用在人口或设备密集地点。

1-硅橡胶预制件（应力锥、伞裙和绝缘层成一体）；2-顶帽（屏蔽罩）；

3-导体引出杆；4-泄漏电流收集环；5-接地极

图4 123kV全干式软性合成绝缘户外终端结构示意（瑞士Nexans公司）

20 世纪90年代末，一种新型的全预制干式合成绝缘户外电缆终端问世。瑞士Nexans公司开发的123kV全干式软性合成绝缘户外终端结构示意见图4。不久，国内长沙电缆附件公司和广东长园电缆附件公司相继成功开发类似的产品。这种新型的户外终端是集应力锥、伞裙和绝缘层于一体，成为一个整体预

制件。这种结构极大地简化了终端的安装工序。在通常处理完电缆并压接好接线杆后，将整个终端预制件套入电缆的绝缘上即成。北京国电四维电力技术公司开发的126kV干式合成绝缘户外电缆终端是用一个电容锥控制终端的电场，其结构示意图见图5。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。110kV电压等级的电缆终端用应力锥已足可以有效控制电场，国外一般在275kV 以上才使用电容锥式电缆终端。国内，在110 kV电压等级的充油电缆系统中使用过电容锥式电缆终端，取得令人满意的效果。 

图5 126kV全干式电容锥户外终端结构示意

2.2 中间接头

目前，国内外普遍使用的110 kV及以上交联电缆的预制型中间接头是整体预制型结构，见图6。早期使用过的绕包型接头和组装式预制型接头已很少使用。

1-接头预制件；2-防潮剂；3-导体连接；4-导体屏蔽； 5-铜外壳

图6 132kV整体预制型中间接头

整体预制型接头是将接头的半导电内屏蔽﹑主绝缘﹑应力锥和半导电外屏蔽在制造厂内预制成一个整体的接头预制件。现场安装时，只要将整体的接头预制件套在电缆绝缘上即成。接头的安装工艺简单,安装时间也短。同时，由于接头绝缘是一个整体的预制件，接头绝缘可以做出厂试验检验制造质量。

 不同制造厂生产的整体预制型接头，尽管结构类同，但安装工艺有所不同，主要有以下几种：  (1) 在导体连接前，先将接头预制件套在被连接电缆一侧的外屏蔽层上。在导体连接后，再将预制件拖拉至最终位置。这种工艺有一个缺点，接头预制件在外半导电层上往复移动时，有可能将电缆上半导电材料的粒屑（安装过程中用砂纸打磨电缆绝缘屏蔽层遗留下来的）带到绝缘上，影响了界面的绝缘水平。虽然

安装时在预制件与电缆结合的界面上涂了硅脂，并且工艺上又规定了从套入到预制件至最终就位的时间不能超过2h，但这种危险性依然存在，安装时应特别注意。为避免出现上述问题，因而出现了以下几种安装方法。

(2) 在导体连接前，先用机械方法将衬管子顶入预制件内，扩大预制件的内径。再将扩径后的预制件套至电缆的外半导电层上。连接好导体后，将预制件移至最终位置，再将扩径管拔出。这样就不会有将半导电材料带到绝缘上的可能。另一种方法是将预制件的内径扩得更大一些，直接将接头套到电缆的外护套上，这一工艺不但解决了上述问题，而且缩短了外护套的剥切尺寸，也就缩短了接头的长度。 (3) 应用压缩气体（氮气）将接头扩大，即在接头和电缆间充入氮气，形成一层气膜后，将接头推至预定位置。由于在界面上有一层气膜减少了摩擦力，也就不会将半导电材料带到绝缘上了。 

3 选型的若干问题

初入超高压电缆附件领域的用户，选型时容易进入追求新潮的误区，认为新开发的产品一定比老产品好，其实不然。在上述图1～图5各类电缆终端中，每种结构都具有一系列优点，但也存在一些弱点。而且，某个结构的某个特点，在某种使用场合下是优点，在另一种使用场合也许成为不希望存在的缺点。 3.1 硅橡胶复合套管和瓷套的选择

图1、图2和图3的各类终端都可以用硅橡胶复合套管代替瓷套作为户外终端的外绝缘，制造厂也作出明码标价提供给用户选择。复合套管质量小，方便了运输和现场安装。与瓷套相比，复合套管的最大优点是有优良的防爆性能。终端内绝缘发生击穿时，终端内部压力剧增，甚至使瓷套爆炸。瓷套是脆性材料，爆炸后的碎片会泱及周边其他电气设备和人员安全。柔性的复合绝缘材料正好能克服瓷套的这一弱点，保证了周围人员和设备的安全。这是硅橡胶复合套管突出的优点。然而，硅橡胶复合套管是有机复合材料，它的稳定性比无机材料的瓷套差。由于复合套管投运时间还不长，这一点尚未积累足够的、运行令人信服的资料。我们可以参考材质与之类同的线路绝缘子运行经验。

我国输变电设备约200万支复合绝缘子的十几年的运行经验证明，硅橡胶复合绝缘材料的机械特性、电气性能和稳定特性等均能满足运行要求。但是，根据线路绝缘子的运行经验，复合绝缘子在运行一定年限后会出现增水性下降、机械特性下降、电气性能下降、密封劣化等现象［2］。文献［3］对全国各地区已运行1～11年的不同电压等级的复合绝缘子进行调查，发现不少绝缘子的表面增水性减弱，伞套材料脆化、硬化、粉化、开裂、伞裙材料起痕、树枝状通道、损蚀，伞裙变形严重。不同地区劣化程度不一样。文章认为，这说明大气条件对复合绝缘子的劣化有较大影响。另一方面，文章也指出，相同运行条件下，不同制造厂的产品的劣化程度也不一样。 正确的选择应根据实际的使用条件确定，比如在大城市人

口和设备密集地区，硅橡胶复合套管的防爆性突现了重要性；相反，在一些气候条件恶劣的地区，选用瓷套也许更合适，因为终端爆炸的几率很小。

3.2 全预制干式合成绝缘户外终端和传统预制式终端的选择

全预制干式合成绝缘户外终端的结构简单、质量小，特别是现场安装十分方便。由于终端内不存在绝缘油和气，彻底消除了油、气泄漏的可能，给用户一种没有隐患的安全感。柔性的结构又允许它以横、竖或任何方向安装使用。图4、图5所示的全预制干式合成绝缘户外终端都通过了严格的鉴定试验，并且也安全地运行了一定时间，已经证明了这种类型的终端能满足运行要求。今后，在我国110 kV电压等级的电缆系统中还会继续使用。但这并不是证明它的结构完美无缺，或有可能淘汰传统预制式终端结构。

1-屏蔽罩；2-电缆绝缘；3-绝缘油；4-橡胶应力锥的绝缘；5-橡胶应力锥的导电体；6-瓷套管

图7 110 kV传统预制式户外终端电场分布(等位线)计算结果

除了存在3.1中讨论到的有机复合材料作外绝缘的一些缺点外，还有一个令人关注的电场问题。图7、图1的传统预制式户外终端电场分布的计算结果。从图上不难看出，应力锥附近的等位线最密集，是电缆终端电场最集中的部位。众所周知，绝缘界面的绝缘强度比绝缘材料本体低。因此，在设计终端内绝缘时，

设计者总是尽可能地把绝缘界面处置在电场分布相对比较均匀和电场强度相对较弱的地方。

先看图1传统预制式户外终端，应力锥附近有这样几个绝缘界面（由中心向四周）：应力锥的橡胶绝缘与绝缘油界面；绝缘油与瓷套内壁界面；瓷套外壁与大气界面。其中，界面1即应力锥的橡胶绝缘与绝缘油的界面等位线最密集，说明这里电场最集中。然而，应力锥的橡胶与绝缘油的界面电气强度还是比较高的，而且也很稳定。界面的电气强度最低的部位是界面3，即瓷套外壁与大气界面，而且受污秽、水分、紫外线等大气条件的影响，绝缘强度不稳定。但是这里的等位线密度比界面1疏松得多，也即电场强度弱得多。因此，整个终端的电场分布十分合理，电场集中的部位用高强度介质（包括界面），介质强度差的部位，电场强度不高。

再看图4的全预制干式户外终端。定性地分析，图4的全预制干式户外终端应力锥橡胶的沿面上的电场分布应该与图6的计算结果接近。事实上，设计者为了降低这部分的场强，调整了应力锥形状和增加了应力锥的尺寸（主要是绝缘橡胶的厚度），但是这些都不会大幅度降低该处电场分布。应力锥的橡胶界面还是处于高场强下。必须注意，这种结构的应力锥表面是直接暴露在大气中，不仅界面的绝缘强度低而且受污秽、水分、紫外线等大气条件的影响，绝缘强度不稳定。可以推断，特别是在重污秽地区或紫外线强烈的南方，长时间老化之后，绝缘性能会有所下降。

从上述2个分析例子可以看到，众多类型的电缆附件，各有所长，很难确定哪一种最佳或哪一种最差，这也是这些电缆附件能在近十多年时间里并存发展的原因。电缆附件的选型应该根据实际使用要求决定，不必盲目追求新潮，适用才是最好。 3.3 不要简单地认为安装工艺越简单越好

 有的用户选型时容易把安装施工的方便性置于太重要的位置。超高压电缆附件有一个特点：制造厂在出厂时提供的是橡胶预制应力锥、瓷套、绝缘油等零部件和材料，在现场安装后才成为成品--完整的、保证质量的附件产品。因此，安装施工是保证整个产品质量的十分重要的部分。可以这么说，同一套产品，不同水平的施工人员安装的结果，产品的水平也不一样。好的安装工艺对现场环境要求和对操作工人技术水平要求相对比较低，安装质量容易控制，产品质量容易保障。严格讲，超高压电缆附件的安装是制造厂工作的一部分，而不是用户的工作。对用户来说，重要的是安装后的附件产品的可靠性。

 当然，确保所选附件的可靠性，除了正确选型外，还涉及到生产制造、施工安装和试验验收等一系列问题。安装工艺简便与否确实是电缆附件选型的一个重要条件，但是没有必要把安装施工的方便性置于太重要的位子。

4 结束语

 可靠性是高压电缆附件选型的最根本原则。高压电缆附件品质的可靠性可以从电气性能、密封防潮性能、机械性能和工艺性能等方面进行评判。制造厂商的生产管理也直接影响电缆附件的总体质量。因此，制造厂商的质量保证体系也是评判电缆附件品质的重要原则