500kV超高压电缆设计.docx

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500kV超高压电缆设计

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500kVXLPE的选材结构等进行了较为全面的介绍，希望可以为500kVXLPE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

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---Theodore

Abstract

Withthedevelopmentofsocialeconomyandthegrowingdemandforelectricity,citytransmissionsystemdevelopsgraduallyfromoverheadlinetothepowercable,powercablegraduallycometohavethehighervoltage,largertransmissioncapacity,theapplicationof500kVultra-highvoltagepowercablesgraduallyexpand.ButatpresentthedesignofdomesticEHVcablesandaccessoriescapacity,constructionandoperationofresearchisstillrelativelyweak,thecorrespondingtechnicalisdifficulttokeepupwiththespeedofdevelopment.Thedesignofultra-highvoltagepowercablematerialandproductionisfacedwithmanyproblems,Thedesignandresearchofultra-highvoltagepowercableareattheimminent.

Thispaperdescribestheresearchbackgroundandsignificanceof500kVcable,introducingthedevelopmentstatusathomeandabroadandfocusingontheunderstandingleveloftheprocessinJapan.Wealsocomparethetypicalstructureofthe500kVsinglecorecables,theoil-filledcableandXLPEcables,theperformancedemandfortheproductionofXLPEpolyethylenematerialanddescribetheneedswhichmeettherelatedproblems.WeoverviewthesignificanceoftheshieldinglayerofbufferlayerofEHVcableandtheselectionandproductionprocessofmetalsheathindetail,aswellastheproblemsrelatedtoperformancerequirementsofprotectivelayerofEHVcableandthesignificanceofwaterresistance,wealsobrieflyintroducesthecalculatingoftheloadflow.

FinallywecanknowtheadvantagesofXLPEcablebycomparingwithoil-filledcable.AndwebelievethatitwillbethetrendforEHVdevelopment.Inthispaperweintroducethematerialselectionandstructureindetails,hopingthatitcanprovidesomehelpfordesignandproductionofXLPEcable.

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Keywords500kV；XLPEinsulationcable；EHV；Powercable

摘要

Abstract

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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1700km[3]。

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km，220kV代表规格1200mm2绝缘料用量为km，500kV代表规格1600mm2绝缘料用量为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500kVXLPE电缆的商业应用，即500kV电缆长度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420kVXLPE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500kV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500kVXLPE绝缘电力电缆及其附件发展状况

“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，实现国内生产及应用500kVXLPE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（12～18m）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500kVXLPE电缆附件配套供应[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500kVXLPE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，总投资为亿元，其中固定资产投资亿元，企业自筹亿元。

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，利税亿元，利润亿元，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

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10-110kV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35－220kV立式交联电缆生产线；瑞士哈佛莱公司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500kVXLPE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500kVXLPE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]。

500kV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500kVXLPE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/～—2002《额定电压220kV（Um=252kV）交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500kVXLPE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XLPE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500kVXLPE绝缘电力电缆的现状有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500kVCV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l×2500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500kVXLPE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：

mm——mm——mm

220kV：

mm——mm

154kV：

mm——mm——mm

66kV：

mm——mm——mm

1.2.2.3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500kVXLPE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500kVCV电缆的要求汇总如表：

表部分企业对于500kVCV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

970