1、超高壓電纜附件發展與制造技術特變電工昭和(山東)電纜附件有限公司伊藤一己1.前言電力電纜的運行歷史已經有幾十年，經歷了從充油式電力電纜到交聯聚乙烯電力電纜，電壓等級從中壓 35kV，66kV到高壓110kV，再到超高壓 220kV，500kV 的發展過程。電纜附件的發展是與電纜技術的發展密切相關的，經歷了充油式絕緣到干式絕緣， 中壓到高壓、超高壓的發展歷程。電纜附件必須要滿足電纜導體連接良好，絕緣可靠， 密封良好和足夠的機械強度等性能，才能保證整個電纜輸配電網絡的供電可靠性。經過 幾十年的絕緣材料的發展和設計技術的進步，電纜附件整體結構與設計趨于穩定和成熟， 目前高壓及超高壓電纜附件的發展主要

2、注重以下幾個方面：在復雜的施工現場環境下，如何能簡便地并且高可靠性地完成附件的施工，已 經成為在附件設計開發當中必須考慮的問題。部件數量減少，工廠預制化，產 品小型化，安裝簡便化等設計思想逐漸被廣泛采用。從地球環境保護的觀點出發，產品環保化已經成為重要的研究方向，特別是在 各種附件中絕緣油/氣的使用比例還較高， 無絕緣油/氣或少絕緣油/氣，完全固體 絕緣，插拔式結構等等已逐漸成為主流發展方向。高壓、超高壓電纜附件產品涉及的電壓等級高，一旦出現問題，影響的范圍廣， 這就要求附件產品從生產制造初始階段進行嚴格的品質監控管理，并且能夠在 運行時實現智能監控，確保附件產品的長期可靠性。2.附件發展動向

3、GIS電力電纜附件產品從用途上分主要分為兩大類：中間接頭產品和終端產品。其中中間 接頭產品包括：直通接頭，絕緣接頭，丫分支形接頭等；終端產品包括：戶外終端，終端和油浸終端等。各種附件主要是沿著高電壓化，方便簡化現場施工，縮短工期和環保 可靠的方向發展而來。2.1 中間接頭(Cable Joi nt )中間接頭是電纜線路中不可缺少的部件，利用中間接頭將兩根電纜連接起來，同時改 善電纜末端的電場，從而將各段分段線路連接為一條整體線路。中間接頭的發展大致分為圖1.中間接頭發展階段自粘帶繞包(Tape Joi nt, TJ )方法從七十年代開始應用的，它在繞包的絕緣帶之間 以及絕緣帶與半導電帶之間存在

4、微小間隙，隨著電壓等級提高，允許的氣泡直徑越來越小，為了在110kV系統下不發生局放，氣泡直徑必須小于200微米，對于膠帶繞包來說很難做到，因而自粘帶繞包接頭難以適用于110kV及以上電壓等級中。基于以上原因，八十年代開發了膠帶模塑接頭(Tape Molded Joi nt, TM應用到154kV電壓等級。采用可交聯的聚乙烯膠帶繞包到連接的電纜上，之后加熱、加壓使聚乙烯膠帶 交聯形成整體，做成模塑接頭。可是這種接頭也不能完全避免氣泡，且施工環境要求嚴格，如果繞包周圍環境不凈化，PE膠帶很容易將灰塵， 雜質帶入連接頭中， 造成連接頭絕緣的缺陷。加上交聯溫度及時間控制不好，也會造成交聯度不足而導致

5、接頭性能劣化。為適應更高等級電纜的連接以及提高施工的可靠性，在八十年代末期出現了擠壓模塑EMJ接頭(Extruded Molded Joi nt, EMJ)(圖2)。在施工現場對絕緣表面進行打磨光滑處理， 并且將電纜導體壓接連接后，在連接處套上注塑模，用小型擠塑機將潔凈電纜料注入，冷 卻后用X射線檢查，確認沒有缺陷后進行交聯工藝。這種接頭使用電纜絕緣體同種材料并 且和電纜絕緣進行化學架橋，接頭與電纜之間沒有界面，所以能夠保證長期安定性， 在日本已經應用到 500kV電壓等級并取得良好效果。但這種接頭施工工期較長，在日本 相接頭施工需要一個月，且現場必須要有嚴格工藝控制。組合預制式接頭(P re

6、fabricated Joi nt, PJ) 就是為解決以上問題而出現的，它不僅 與EMJ有相同的性能，而且安裝時間短(大概為EMJ安裝工期的一半)，預制件在工廠內通過例行試驗，性能有保證，現場安裝人員也叫能夠適應要求。從結構上看，它由環氧預 制本體、橡膠應力錐及壓縮金具，保護金具等部件組成(圖3)，比較方便進行異徑電纜連接。由于采用環氧樹脂彈簧壓縮機構，應力錐和電纜絕緣界面有穩定的面壓力，適合于 某些溫度變化劇烈或寒冷地區使用。此種接頭的不足之處是體積大，重量重，應力錐的過 盈量較小。=l:;圖3. PJ內部結構整體預制式接頭(Rubber Block Joi nt )是由歐洲首先開發并得到

7、廣泛使用(圖 4)，這種接頭采用整體預制橡膠絕緣件，電纜絕緣外徑與橡膠絕緣件內徑有較大的過盈配合，以保持橡膠絕緣件與電纜絕緣之間的面壓力。橡膠絕緣件的橡膠材料主要有兩種：三元乙丙橡膠（EPDM ）和硅橡膠（SiR ）,由于要求橡膠材料有較大的斷裂伸長率和較低的應力 松弛，以保證橡膠本體有較大的擴徑率并且在長期運行當中不會因橡膠的彈性模量下降而 導致面壓力下降，彈性優異的硅橡膠材料應用比例較高。整體預制式中間接頭由于結構簡單，施工工期短，現在已逐漸成為高壓電纜接頭的主流，但實際運行歷史還較短，運行經 驗還需要較長時間積累。圖4.整體預制式接頭結構組合預制式接頭和整體預制式接頭在如今都被廣泛使用，

8、特變電工昭和（山東）電纜 附件有限公司（特變昭和）為滿足客戶不同實際使用要求，兩種接頭都可進行制造供貨， 并且是國內首家兩種接頭都通過國家電網電力科學研究院的220kV預鑒定試驗的廠家。特變昭和的整體預制式接頭采用在工廠潔凈室內進行無塵預擴徑工藝，施工現場只需拉出擴徑環就可完成橡膠本體安裝，避免了現場擴徑帶來的絕緣件易損和環境異物，雜質混入(圖 5-a, b )等問題，大大提高了施工的便利性和可靠性。b.施工現場拉出擴徑環a.工廠預擴徑圖5.特變昭和的整體預制式中間接頭2.2 終端（Cable Term in ati on）電纜終端主要包括兩大類：戶外終端一用于架空線與電纜的連接；GIS終端/

9、油浸終端用于電纜與開關設備/變壓器設備的連接。2.2.1 戶外終端（Outdoor Term in atio n）戶外終端的發展與種類如表1所示，主要分為充油式和干式絕緣兩種內部絕緣方式:充油式戶外終端（Oil filled Type ）充油電容錐式戶外終端最早應用于充油電纜終端，具有良好的運行經驗和運行記錄。通過電容錐均勻套管表面電場分布，使得戶外終端獲得較高的耐沖擊電壓水平，性能優異可靠，因此至今在275kV500kV電壓等級上還是有較高使用比例。但是充油電容錐式終端在制造上和安裝上較為復雜，安裝的工期表1.戶外終端種類充油電容錐型充油瓷套管型充油復合套管型柔性干式硬性干式插拔型性能優異

10、穩定， 適應于 超高電壓運行歷史久 結構簡單 性能可靠輕量抗污穢性能好 無爆炸碎片超輕量 干式絕緣 抗污穢性能好 安裝方便抗污穢性高 干式絕緣 憎水性，低溫特性好結構復雜 制造和安 裝困難發生事故時 有爆炸濺射 碎片產生硅膠表面易損 不適合惡劣 環境易彎曲變形 電氣穩定性 較差抗震性好 價格較高接觸部非接觸部金具|F=F(c on st)+Fmax|圖6.特變昭和的戶外終端金具一體化應力錐Q擴徑安裝FmaXCP Fma!i|前廣泛使用的種類較長。在交聯聚乙烯電纜上使用較廣泛的是預制應力錐充油式戶外終端，又可 根據外護套的不同有瓷套管型和復合套管型。瓷套式運行歷史較久，抗惡劣氣 候性能較佳，但是

11、由于在事故時易產生碎片飛濺危險，在人口密集區域已逐漸 被復合套管式所替代。復合套管本體是玻璃纖維環氧管外注以硅橡膠而成，具 有輕量，耐污穢性能和耐漏痕性能佳等優點。在內部結構上歐式產品采用三元 乙丙橡膠或硅橡膠材料預制應力錐為電場控制單元，套管內部充以硅油或聚異 丁烯油絕緣。日式結構在歐式結構的基礎上輔以環氧座和彈簧壓縮機構對應力 錐進行壓縮，面壓穩定好，具備更可靠的性能。特變昭和的110kV以上電壓等級 戶外終端吸收日式結構與歐式結構的 長處，使用高性能硅橡膠材料和金具 一體化應力錐專利技術開發出獨具特 色的內部結構（圖 6），應力錐的位置 完全固定，杜絕了漏油以及半導電層 與絕緣油的接觸，

12、并以金具加強了硅 橡膠與電纜絕緣界面的面壓穩定性， 結構簡單，性能更加可靠。2m人（度密流電干式戶外終端（Dry Type）干式戶外終端的開發是在九十年代末期興起，主要有柔性干式和硬性干式 插拔型兩種。柔性干式戶外終端是集應力錐、傘群和絕緣層于一個整體硅橡膠 預制件，這種結構極大地簡化了終端的安裝工序，具有重量輕，安裝便捷等優 點。但是由于存在不能自立，終端體易彎曲變形等缺點，柔性終端在電力技術 先進國家的應用較少，電壓等級也在132kV以下。硬性干式插拔型戶外終端是近些年出現的新型產品，它的內部在電極上注型環氧樹脂，外層二次注型硅橡 膠。除了具有柔性終端的優點之外，還具有插拔式結構，可自立式

13、，抗震性能 佳能優點，是戶外終端今后的重點發展方向。特變昭和在干式戶外終端上也擁有先進的技術，除了具有普通66110kV硬式插拔型干式終端，還將非線性材料技術應用到154220kV的插拔式戶外有非線性材料電場分布均散終端的開發。通過利用絕緣材料的非線性特性來降低電場集中處的峰值強度， 平滑均勻電場分布（圖 7）,從而使適用電壓等級提高。與充油式戶外終端相比， 采用非線性材料的戶外終端尺寸與重量大幅減小，并可自由選擇安裝角度。另 外干式戶外終端還可擴展為變壓器用套管或穿墻套管等應用領域（圖應力錐外層處電場分布無非線性材料電場分布密集1III:f電場緩和領域有非線性材料電場強度（kV/mmJII無

14、非線性材料 圖7非線性材料特性與電場分布應力錐外層處電場分布8)。電場分布均散35應力錐外層處電場分布I?III圖8.實際應用例電場分布密集/r尸-AT2.2.2 GIS 終端/油浸終端(GIS Termination/Oil Immersed TerminationGIS終端/油浸終端是用于電纜與 GIS開關設備/變壓器設備的連接，由于GIS終端與開關設備的連接有國際電工委員會制定的統一的國際標準,明確規定了相互配合尺寸和供貨范圍，所以按照標準設計的GIS終端可以安裝在任何廠商制造的標準型GIS設備上。最初的國際標準是IEC 60859-1986 ，此標準未區分干式和充流式，只規定了一種尺寸

15、。此后在1999年推出的修訂版式（短型）和充流式（長型）的標準 IEC 62271-209-2007尺寸做出了若干修正，目前標準是 GBT 22381-2008。IEC 60859-1999 中做出較大修改，明確了 GIS終端分為干 ，并規定了不同的尺寸（表 2）。在2007年，IEC發布了新 ，標準保持了干式和充流式的分類，但對各電壓等級的安裝IEC 60859 和IEC 62271 都在并行使用。國標與之相對應的66kV110kV220kV500kV干式（短型）310mm470mm620mm960mm充流式（長型）583mm620mm960mm1400mm內部絕緣方式由絕緣油氣方式到完全表

16、2. GIS終端與開關設備配合高度（IEC 60859-1999 與IEC 62271-209-2007）GIS終端也是根據國際規格的修訂而不斷發展，干式結構，長度由長到短，重量由重到輕。由于GIS的全封閉結構和高壓六氟化硫氣體良好的絕緣性能，所以GIS終端外絕緣一般采用環氧樹脂套管。當前多數歐洲廠商在內部絕緣上采取與戶外終端同樣方式，在應力錐周圍充以絕緣油絕緣。此種方式需輔以油倉調整壓力，維護性差且不環保，日本廠商則基本采用干式絕緣結構，施工方便，有利環保。油浸終端雖然沒有統一的國際標準，但是基本上采用了和 GIS終端相同的結構和尺寸連接。由于絕緣油的壓力與介電常數與開關設備中六氟化硫氣體不

17、同，因此擊穿強度較低。多數廠商采取優化和加裝油浸終端高壓屏蔽罩的方法來調整電場分布，滿足電氣性能要 求。特變昭和的 GIS終端和油浸終端完全滿足IEC標準和國標要求，并且采用完全干式絕緣和插拔式結構，不但環保可靠而且極大的方便了現場的施工。日本的GIS終端標準主要是由終端廠家，GIS設備廠家和電力公司共同協商規定，因此GIS終端與開關設備的設計和連接具有較大的自由度。同時由于日本大城市的地價 和工程費用昂貴，所以較為重視GIS設備和GIS終端的小型化，短工期和省力化。日本昭和公司為此開發了 T形GIS終端（圖9），采用試驗端口一體化小型構造，可實現交流,直流耐壓試驗在短時間內適用于GIS F適

18、用于變壓器5SF6氣體 -L-；或絕緣油加電口:GIS大氣終端室1、加電口i加電口GIS J，1 11 r1 11 11 rSF6氣體“I-大氣變壓器SF6氣體 或絕緣油L大氣II ( - Jj * JI:用:i*喊礙H海闌.加id： Jd；縮小化大氣中*完成，并且無需進行絕緣油 氣的處理，環保可靠。圖9. T形GIS終端3.附件制造技術的動向在高壓附件的生產制造方面，不同廠家采取的制造方法也多種多樣，并且由于各主要 制造商具有獨自的橡膠材料和環氧樹脂材料配方，模具設計以及注壓工藝等核心技術，所 以附件的制造技術并沒有形成統一的標準化。國內電纜附件的制造技術一直落后與電纜， 由于附件的橡膠絕緣

19、件與環氧套管耐受電場強度集中，電氣性能要求高，對制造環境的異 物，灰塵等潔凈等級有較高要求。另外附件產品的部件較多，出廠試驗也較復雜，所以在 附件制造上環境管理與流程管理是保證產品品質的核心。特變昭和在附件制造上引進日本的先進制造管理經驗和進口設備，從而使國產附件制造水平得到了很大飛躍。3.1制造環境管理各個制造流程與包裝在高等級的潔凈室中完成，并且使用塵埃粒子計數器實時 監測潔凈度（圖10）。7圖10.潔凈室制造管理* j/ e圖11.潔凈室人員管理潔凈室設置風淋設備，進入潔凈室人員需按要求穿戴專用潔凈服，并通過風淋 除塵后方可進入潔凈室。整個廠房為全密閉結構，并通過空調設備調節氣壓，保證車間處于正氣壓狀態, 有效防止外界粉塵的進入。全員開展并參與 6S （整理，整頓，清掃，清潔，素養，安全）管理，并使之效 率化，持久化。3.2制造與檢測流程管理嚴格材料管理橡膠材料，樹脂材料，金具材料經過嚴格檢測合格入廠后，須分類、定溫、定 濕、定所和定時管理。嚴格制造工藝流程管理3),每個產品的所有制造流程與對所有制造流程的工藝參數實行定量管理(表 參數都記錄并確保可追溯。表3.工藝流程管理項目溫度濕度潔凈度真空度壓力速度時間過濾網配比Tg原材料保管VVVV金具洗凈VVVV模具安裝，解體VVV環氧樹脂注型VVVVVVV硅橡膠注型