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电缆绝缘厚度
关于高压XLPE电缆绝缘厚度
0 前言
高压XLPE电缆绝缘层的必要厚度，将是保障电缆绝缘经受各种可能过电压作用下能可靠运行的基础。
然而，过于保守的绝缘厚度，使电缆成本增加、电缆外径增大、电缆载流能力降低以及在限重条件下导致每盘电缆长度减少从而引起工程中电缆接头增多。
在XLPE电缆统一标准中含有绝缘厚度的规定，从有助于技术性能完善、确保产品质量和符合使用要求等方面来看显然是有积极意义的，但在我国加入WTO后，高压电缆的国内外产品准入市场主要以IEC标准作为准则。
在国外高压XLPE电缆绝缘普遍较薄，而国内制造厂有能力设法改进工艺、提高质量来改善原有影响绝缘厚度因素的情况下，如果国内仍一成不变地执行原厚度标准，势必使很多企业失去参与国际公平竞争的机会。
为此，特撰本文提出建议，希望有助妥善解决矛盾。
1 电缆绝缘厚度的设计方法
电缆绝缘层厚度△i是基于在其预期使用寿命内能安全承受各种可能电压条件来确定的，一般按工频电压、冲击电压二者均满足要求来计算。
我国以及日本、英国、德国和韩国等对高压单芯电缆绝缘厚度的确定[1～3]均采用下式
（1）、
（2）计算结果中择取较大值的方法。
（1）
△i=BIL×k1×k2×k3/ELimp
（2）
式中,ELac为符合韦伯分布的工频击穿电压（平均击穿强度）的最低值,kV/mm;ELimp为符合韦伯分布的冲击击穿电压（平均击穿强度）的最低值，kV/mm;K1、k1分别为工频、冲击电压相应的老化系数；K2、k2分别为工频、冲击电压相应的温度系数；K3、k3分别为工频、冲击电压相应的裕度系数；Um为系统额定电压，kV；BIL为系统雷电冲击耐压水平，kV。
部分国家对110kV以上XLPE电缆的△i计算值、实选值及其相关参数择取值见表1。
显然，必须正确的拟定关键性参数和其他相关参数K1～K3、k1～k3，以使△i的择取能满足长期可靠安全运行的要求。
表1 高压XLPE电缆△i计算值、实选值及其相关参数择取值
Um/kV
BIL//kV
国 别
△i实选值/mm
△i计算值/mm
ELac
/kV•mm-1
Limp
/kV•mm-1
K1
K2
K3
k1
k2
k3
工频
冲击
500
1425
日本[2]
27
24.3
24.5
40
80
2.3
1.2
1.1
1.0
1.25
1.1
500
1550
德国[13]
30
29.4
29.3
30
80
2.12
1.25
1.15
1.1
1.25
1.1
275
1050
日本[1]
27
26.9
26.7
30
60
4.0
1.1
1.1
1.1
1.25
1.1
154
750
日本[1]
23
22.8
22.8
20
50
4.0
1.1
1.1
1.1
1.25
1.1
220
1050
中国*
27
24.6
26.5
25
60
4.0
1.1
1.1
1.1
1.25
1.1
220
1050
中国**
26
17.4
20.6
30
70
2.69
1.2
1.1
1.0
1.25
1.1
*郑州电缆厂；**山东电缆厂，缆芯截面为800mm2。
为了有助于认识这些参数的意义，不妨通过了解日本研制500kVXLPE电缆时确定△i的做法，以资借鉴启迪。
1.1 ELac、ELimp的确定方式[1,2]
电缆的绝缘击穿分散性通常以韦伯（Weibull）分布表征，XLPE电缆在电场强度为E时绝缘被击穿的概率为
（3）
式中,EL为位置参数；E0为尺寸参数；M为形状参数。
按电缆绝缘的体积V来表征XLPE电缆在电场强度为E时绝缘被击穿的概率，则式（3）可变换成
P（E）=1-exp[-k•V（E-EL）m］ （4）
式中，k为相关常数。
从数值统计意义上看，在XLPE电缆的电场强度为最低击穿场强EL值及以下时，绝缘被击穿的概率为零。
1.1.1 电场强度表征值的择取[2～3]。
电场强度在内半导电层处有最高场强Emax与平均场强Emean之分。
Emax=U/[rln（R/r）］
Emean=U/△i
式中，R、r为绝缘层、内半导电层的半径；U为电压。
有的国家（法国、荷兰等）用对XLPE电缆如充油电缆同样的方式取Emax表征。
在法国，对400kVXLPE电缆，绝缘厚度按工频Emaxac=16kV/mm来确定；若截面为1200mm2以下时按冲击Emaximp=85kV/mm来确定；大截面则按工频最小Emaxac=7kV/mm来制约绝缘厚度。
另外，由于XLPE电缆绝缘弱点（如杂质等）具有随机分布性，因此，电缆绝缘击穿实际不一定始于Emax，因而认为以Emean表征更为合理。
日本、德国、英国、韩国等就采取此方式。
此外，试验显示，Emax随d/D（d、D为电缆绝缘的内、外径）比值变化而变化，随电缆截面增大而趋于减小，但Emean却不随d/D比值变化而异，故在XLPE电缆的绝缘厚度为待定对象时，择取Emean较简明合适。
1.1.2 以包含薄绝缘层试样等测试方式确定击穿场强[2]
日本研制500kVXLPE电缆时，在改善绝缘弱点（杂质、半导电层突起等）的生产工艺及其质量监控方面比以往275kVXLPE电缆的制造有了明显的进步。
进行绝缘设计时，曾按500kVXLPE电缆工艺条件制备了一批比预期绝缘厚度（25～30mm）薄些（6、9、15mm）的试样。
（1）以绝缘层较薄的样品进行测试取得反映绝缘特性的基础数据。
以绝缘厚度为6mm的样品40个在室温下测试其击穿场强值整理出按F（x%）的韦伯分布曲线。
得到最低击穿场强ELac=57kV/mm、mac=1.4、Eoac=15kV/mm，ELimp=112kV/mm、mimp=1.8、Eoimp=35kV/mm（电缆样品条件d、D分别为16.7mm、28.7mm）；并根据式（3）、（4），按样品长为10m的条件算出V，可求得kac=5.273×10-9/mm3、kimp=3.885×10-9/mm3。
又对绝缘厚度分别为6、9、15mm的3类样品分别测试其击穿场强值，察明△i影响Emean的变化情况，结果归纳出测试值的关系式有：
ELac（△i）=78△i-0.18 （5）
ELimp（△i）=155△i-0.18（6）
（2）按500kVXLPE电缆实际尺寸（△i为27～30mm，截面为2500mm2，d、D分别为61.2、120.2mm，长为20m）算出此时的V值。
由式（3）、（4）可推算出此时的Eoac=1.1kV/mm、Eoimp=4.7kV/mm。
当△i为27mm时，由式（5）、（6）有ELac=43.1kV/mm、ELimp=85.6kV/mm；若取△i为30mm时，ELac=42.2kV/mm、ELimp=84kV/mm。
实际择取ELac=40kV/mm、ELimp=80kV/mm，见表1中所列。
（3）对500kVXLPE试制电缆的设计电场强度进行验证试验。
施加电压应不小于式
（1）、
（2）分子项Uac=550K1K2K3/=970kV；Uimp=1425k1k2k3=1960kV。
实际上，△i按击穿概率63.2%相当的电压。
运用上述
（2）中所示数据，由式（3）算出Fac（63.2%）=44.2kV/mm，施加的工频电压应为1195（44.2×27）kV；Fimp（63.2%）=90.3kV/mm，施加的冲击电压应为2440（90.3×27）kV。
由试验结果,击穿概率均小于63.2%获验证。
1.2 其他参数确定方式
1.2.1 老化系数
（1）工频老化系数K1。
XLPE电缆长期运行的老化特性通常以下列关系式表达
Ent=常数 （7）
式中，E为击穿电压；t为击穿时间；n为寿命指数。
电缆的工频老化系数K1可按电缆有效使用寿命（年）与施加EL的时间（1h）之比并引入n求得
（8）
60年代，国际大电网会议（CIGRE）有Kreuger、Oudin先后就XLPE电缆基于抽样存在微孔的长期试验，提出n应取9较安全[2,4]。
若按使用寿命为30年，则K1=4。
日本等国家以往多按此方法设计[1]。
90年代初，日本的研究进展对n值进行了重新评估，认为长期运行中电缆处于较低场强范围，可允许n值达到20左右；随着工艺进步，已不存在影响绝缘特性的微孔；还查明XLPE绝缘交联时残存的微小水分（约100μL/L）不影响老化特性。
通过约1年的施加电压下老化特性试验，证实n＞15可行。
因此，对500kVXLPE电缆的设计开始采取n=15[2,4]。
超高压XLPE电缆设计中，韩国、英国现也取n=15，但英国对含有电缆附件的情况取n=12。
而德国在已取n=12基础上，对500kVXLPE电缆确定n=17，并依照使用寿命为40年计算[3]。
（2）冲击老化系数k1。
考虑到雷电过电压重复作用引起的老化，一般取k1=1.1。
但日本在进行500kVXLPE电缆设计时，既分析了以往计入一些影响k1的因素不需考虑，又进行了反复冲击以及工频叠加冲击等试验，得出完全不需计入冲击老化系数的结论即取k1=1。
1.2.2 温度系数K2、k2
考虑电缆运行温度比室温高，而绝缘击穿电压在高温下比常温时低，通常计入温度系数K2一般不小于1.1，k2一般不小于1.25。
日本曾对6mm厚XLPE绝缘电缆在室温与高温下测试其工频击穿电压值的差异性，得到90℃与室温，K2达1.17；230℃与室温，K2为1.2。
因此，500kVXLPE电缆设计取K2=1.2[2]。
日本90年代报导XLPE电缆室温与90℃下击穿电压差别，所显示的温度系数与绝缘厚度有关系。
如△i为6～7mm时，K2=1.05；△i为19～27mm时，K2=1.12。
又△i分别为2.5、9、13mm时，K2相应为1.33、1.17、1.29[4]。
因此，现行K2、k2的择取值或许并非最恰当，适当提高些将有利于安全。
1.2.3 裕度系数
一般多取1.1。
德国对新开发的500kVXLPE电缆取K3=1.15，或许有其偏安全的考虑。
1.3 电缆绝缘设计关于可靠性的考虑[3]
除上述绝缘设计按初期击穿场强的击穿概率为零的方法外，法国在式（3）中计入电缆长度（体积）这一要素，即按实际电缆事故概率值是否合乎预期要求来判断。
他载于法国150～500kV交联聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯绝缘电缆标准HN33-S-55中。
表2 日本22～77kVXLPE电缆绝缘厚度年度变化[4]
2 XLPE电缆绝缘减薄的技术发展
2.1 日本XLPE电缆绝缘减薄进程概况
XLPE电缆问世以后，通过长期实践和深化认识，随着不断改进制造技术与工艺、改善构造方式的努力，多年来日本XLPE电缆经历了分阶段减薄绝缘厚度的发展变化，变化情况见表2、表3。
由表2、表3可见：
（1）各电压等级XLPE电缆都在不同程度上体现有绝缘层减薄的变化经历。
一段时期减薄前后二种绝缘厚度产品的并存，意味着在这一时期有部分厂家、部分电缆的绝缘层先行减薄了。
表3 日本154～500kVXLPE电缆绝缘厚度制造年度变化[4]
（2）促成绝缘减薄的主要因素是提高绝缘的最低击穿场强水平。
他依赖于制造工艺技术的改进状况，或基本制造条件（如干法交联、三层共挤）未变，但当改善绝缘弱点提高到较严格的质量目标监控水平时，就有助于绝缘减薄跨出新的一步。
如杂质由50μm限制至20μm，工频击穿场强可相应由50kV/mm增至64kV/mm。
2.2 其他有助减薄绝缘的途径[5]
针对XLPE电缆绝缘与半导电层之间界面的绝缘弱点改善程度尚未达到理想状态的现状，如界面近傍的聚乙烯可能存在相对低质量或有较大的自由体积；其界面的粗糙或凸起使其局部形成高电场。
近年来提出了一种改善界面的界面扩散法，他是在半导电层中添加特殊成分的填料，使其在挤出过程中扩散到聚乙烯层中。
试验证实了这样可提高电缆绝缘的击穿强度，如原来9mm厚绝缘层用于66kV等级，按界面扩散法工艺制作后就可适用至154kV等级。
此工艺不影响绝缘层的介质损耗正切等电气性能。
这一试验研究成果应用于制造实践还有待时日，或许今后XLPE电缆绝缘厚度还有再进一步减薄的可能。
3 110kV及以上XLPE电缆绝缘厚度现状述评
国内外110kV及以上XLPE电缆绝缘厚度概况见表4。
由表4可见，我国110、220kV电缆绝缘厚度比世界上有些国家同类电压等级的厚。
现就如何认识和对待该问题提出分析与建议。
表4 各国110～500kVXLPE电缆绝缘厚度[3] mm
额定电压UN/kV
雷电冲击耐压/kV
110～123
550
132～145
650
220～245
1050
380～420（500）
1425
美国、加拿大
20.3（UN=115）
21.6（UN=138）
23.4，（加）25.7
英国、意大利
（英）20→14（开发中）
25（试验）
法 国
14（UN=90）
22～23
27～30
德 国
9（试验）
15（试验）
27～29.5
荷 兰
27.5（试验）
瑞 士
13～17
14～17
20～26
29～35
丹 麦
19
俄罗斯
12
澳大利亚
27（UN=200～275）
韩 国
23（UN=154）
日 本
17
23（UN=275）
27（UN=500）
中 国
16～19*
24～27**
*按GB11017—89，缆芯截面为240、300、400、500、630、800mm2及以上时，绝缘厚度相应为19、18.5、17.5、17、16.5、16mm。
**按CSBTS/TC213-01-1999，缆芯截面为400和500、630、800、1000mm2及以上时，绝缘厚度相应为27、26、25、24mm。
（1）我国在制订的统一电缆标准中规定了绝缘厚度，这对各厂初期产品的规范化具有积极意义，且其指标制订当时不失先进性。
如对比美国爱迪生照明公司联合会（AEIC）制订电缆技术条件同类标准[6]，110kVXLPE电缆绝缘厚度我国比美国薄，没有其保守。
（2）XLPE电缆绝缘厚度往往受雷电冲击耐压水平（BIL）制约，同一额定电压级的BIL在我国与其他国家并非都等同。
如我国220kV与日本275kV的BIL一样，意味着同一额定电压的BIL我国较高，相应绝缘较厚，选用国外产品应注意。
（3）从动态发展观点看，电缆绝缘厚度并非一成不变。
有持此观点的国内专业人士指出，按我国国家标准规定的110kVXLPE电缆绝缘厚度可以在绝缘安全裕度范围内适当地减薄[7]。
鉴于我国标准修订的时间往往间隔过长，常滞后于技术发展水平。
如果机械性地以现行标准制约电缆绝缘厚度，客观上不利于国内电缆制造企业参与市场公平竞争；反过来，缺乏市场从而难获效益的企业，由于实现制造工艺技术进步的资金难以为继，将更无条件改变技术落后的局面。
（4）客观形势的发展需要绝缘层尽可能薄的电缆。
电缆绝缘层减薄不仅可降低电缆造价，同时还可提高载流能力、增加每盘电缆的容许长度并减少接头，从而带来提高运行可靠性、减少工程投资等综合效益，为此，①在工程订货技术条件制订时，对国内外电缆均应遵循IEC60840等标准，同时，除了要强调满足我国系统的BIL水平外，不必硬性规定国产电缆绝缘厚度，宜以较变通措词不限制厂家率先实施工艺改进、减薄绝缘厚度的积极性。
如此，将有助推动技术进步，实现良性循环的局面。
②借鉴日本减薄绝缘厚度技术发展经验，鼓励有条件的企业通过制造工艺革新以改善绝缘性能；开展必要的试验，提出减薄绝缘的分析论证，并用通过预鉴定试验方式佐证。
如110kV等级电缆，除按20次热循环试验的国标要求外，也可考虑适当延长但应短于220kV的预鉴定试验时间（如90个周期）。
总之，在XLPE电缆绝缘厚度不以标准限定的同时，明确以含有试验分析的验证方式来要求较妥善。
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