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XLPE高压直流电缆附件安装关键工艺研究实践
摘要：XLPE高压直流电缆附件是目前国际、国内技术含量最高、技术难度最大的电缆附件，其安装关键工艺控制对保证高压直流电缆附件的安装运行尤其重要。对高压直流电缆接头安装的关键点提出了施工时采用简易移动净化室、降低连接管的温度、提高接地封闭可靠性等措施，并运用于上海电缆研究所±320kV直流电缆、±210kV直流电缆型式试验、预鉴定试验回路的安装。上述试验回路均已全部通过了试验，从而证明了该工艺措施对于提高超高压电缆附件的安装质量作用明显。
关键词：高压直流电缆；附件；安装；工艺控制；简易移动净化室；连接管；接地
High Voter DC Cable Accessory Installation
Abstract: The XLPE High Voter DC cable accessory was the most difficult to install among all kinds of cable accessories wherever in our country or in the world.The control of key technics are especially important for ensuring High Voter DC cable accessory safety running. Put forward several kinds of measures for the key installation process during the procedure of cable joint instruction such as adopting simple mobile cleaning room, reducing the temperature of link tube and enhancing the reliability of grounding-sealing，these measures have been used in circuit installation in type test and pre- qualification test for ±320kV DC cable and ±210kV DC cable, and all circuit have passed the tests, the application of these measures are proved to be more effective for improving the installation quality of super-high Voter DC cable accessory.
Key word: high Voter DC cable ;accessory; install; technic control; simple mobile cleaning room; link tube; grounding
1前言
近年来，随着国民经济的迅猛发展，电力供应呈现出用电需求增大、城市规模扩大和应用环境复杂化的新特点，较之高压交流输电，高压直流输电有着线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小、特别适用于长距离点对点大功率输电等显著优点，其应用规模将得到大幅度增长【1】。高压大容量柔性直流输电技术是未来电力电子技术的重要发展方向，世界各国都高度重视这一新兴技术的发展。然而，高压直流电缆在输电中的可靠性和经济性问题则制约着高压大容量柔性直流输电技术发展。
XLPE高压直流电缆在国内是最近几年才开始发展起来新型输电技术，可借鉴资料不多，工程运用案例更少，需要解决的技术问题很多。涉及电场控制、热场分布、界面处理、散热、老化等多方面原因，在电力系统中显得尤为薄弱，尤其是面临着由于空间电荷和非线性温度特性引起的绝缘的可靠性和新型材料的开发问题以及高压直流电缆附件安装施工的工艺技术问题。
国内该领域内专家、学者、工程技术人员分别从不同角度对该问题进行了研究：根据电缆输电原理，温度是影响直流电缆附件运行状态的重要参数。与交流不同,高压直流电缆中间接头绝缘层温度的变化影响着电场分布和空间电荷的积累,李昭红、阳林、田野等通过建立高压直流XLPE绝缘电缆中间接头的简化模型,利用有限元软件进行仿真研究了不同线芯电流和电缆接头外表面温度分别对接头导线芯温度、XLPE主绝缘和硅橡胶(SIR)增强绝缘层温度分布以及绝缘层内外表面温差的影响进行了研究【2】；顾金、王俏华、尹毅等进行了高压直流XLPE电力电缆预制式接头的设计研究【3】；孙钦佩进行了硅橡胶电导特性对XLPE绝缘直流电缆附件内电场分布的影响研究【4】；尚康良、曹均正、赵志斌等进行320kV XLPE高压直流电缆接头附件仿真分析和结构优化设计研究，通过合理设计应力锥和高压屏蔽管结构,降低了应力锥根部和高压屏蔽管端部电场强度,抑制了绝缘交界面切向方向的电场强度【5】。在高压直流电缆附件研究技术领域，专家、学者、工程技术人员从温度影响、附件结构设计、新型材料应用、仿真分析和结构优化等方面不断解决并完善影响高压直流电缆可靠、稳定的关键技术问题，并带来了相应知识领域的技术进步；然而笔者认为，除了在产品材料、性能、质量上不断寻求突破之外，高压直流电缆附件的现场安装控制也是影响高压直流电缆可靠、稳定的关键环节。珠海长园电力公司结合现场工作实践，进行了高压直流电缆附件现场施工环节的关键工艺控制研究实践，产生了良好效果，填补了业内该环节的研究空白。
2现场环境、施工工艺控制重要性
随着现代科技的不断发展，材料技术、生产工艺水平不断提高，产品本身质量问题造成故障的概率越来越小，然而电缆附件事故依然频繁发生。据不完全统计，施工原因导致电缆附件故障的概率超过了80%，因此，笔者认为，现场安装质量已直接影响到电缆附件的故障率，降低电缆附件故障率从而提高供电可靠性的非常关键的因素在于电缆附件安装质量控制。
高压直流电缆附件安装质量控制对于高压直流输电的安全可靠性又显得至关重要。高压直流电缆附件的现场施工包括以下工序：中间接头施工、导体压接、接头接地密封。高压直流电缆附件安装质量受以下因素影响。
（1）施工环境。施工环境温度、湿度和洁净度均会对导致电缆和电缆附件的安装质量造成影响。相对于高压交流电缆系统而言，高压直流电缆系统对电缆和附件界面的要求非常高，因为不良的界面会产生空间电荷，待电荷集聚到一定程度就会放电，导致电缆和附件的击穿。导致电缆和电缆附件的界面不良的原因很多，主要是电缆表面附着微量水分、小杂质、电缆打磨不平整，有微小凹坑等，这些因素均可能引起电荷集聚、导致水树枝和局部放电的产生，引发电缆故障。
（2）导体压接时温度。高压直流电缆主绝缘的电场强度会随着温度变化出现很大波动，电缆导体温度从20℃上升到70℃，XLPE电导率将上升几千倍，因此，在压接过程中，尽可能降低连接管的接触电阻，控制导体温度不异常升高，对保证安装质量有重要意义。
（3）电缆接头接地可靠性。当电缆导体温度达到额定70℃左右时，高压直流电缆系统的最大电场会集中到电缆绝缘屏蔽处，如接地不良，电缆绝缘屏蔽处电位会异常升高，引发局部放电而导致电缆故障。因此必须保证电缆接头可靠接地。对于所有要求接地的部位均应采用焊接接地，对于接地线的截面选择应该不小于金属护套的等效截面，避免因为接地问题导致的发热。
3现场环境、施工工艺控制措施
3.1现场环境控制
（1）简易移动净化室的设计。为保证施工时电缆和电缆附件的界面良好，电缆附件安装的环境控制主要针对环境温度、湿度和洁净度进行改善。本着以上思想，长园电力公司设计制作了简易移动净化室（如图1所示）。简易移动净化室原理：利用净化处理设备将净化室内的空气吸入环境处理设备，空气在通过各小型设备的过程中，再将吸入的空气分别进行除尘、调温、降湿等处理，再将处理好的空气吹入洁净棚内。净化处理设备不断地对洁净棚内的空气进行循环处理，使得净化室内的空气不断得到净化，最终达到工作环境的要求。环境净化处理设备在工作期间，随时监控温度、湿度、洁净度的变化，随时掌握净化室内环境变化对工作的影响。
（2）简易移动净化室关键参数。简易移动净化室关键参数如下:①尺寸：根据现场长宽高可调，适合于环境复杂多变的电缆沟、不同规格的电缆隧道。通常可参考尺寸长4m，宽2m，高2m。②材料配制，铝合金框架，防静电布料和专用帐篷、专用输气口，除尘控制器，温湿度调节器等；③净化级别：内部净化级别可达10000-100000级；符合制作高压电缆连接制作工艺的洁净度要求；④棚内工作区域温度控制在21~28℃，相对湿度控制在70%以下。
图1简易移动净化室示 意
3.2导体压接及密封施工工艺控制
（1） 导体压接技术。高压直流电缆系统的电场控制，会随着温度变化出现很大波动，而交流电缆对温度变化，其电场变化很小。因为交流电缆的电导率是由介电常数控制的，介电常数对温度变化，其变化值很小，而直流电缆的的电场是由电导率控制，XLPE电导率随温度变化很大。据试验测量，XLPE电导率从20℃到70℃，其电导率上升几千倍。会引起电场很大的变化。对电缆附件的运行造成很大技术难度。采取的方法之一，就是想方设法降低导体的温度，特别是连接管的温度。降低连接管的温度可采取以下措施：①压接前对电缆导体进行氧化层的去处并清洁；②采用T2铜且镀银处理，并适当增加连接导体的厚度，增加连接导体本身的载流量；③适当增加连接导体的长度，增加连接导体与电缆导体的接触面积。减低接触电阻，减低发热；④采用适配合适的压模，运用合适的压力，保证连接导体与电缆导体的有效连接；⑤压接过程中保持电缆的平直。保证电缆和附件圆周压力的一致。
（2）接头接地、密封措施。高压直流电缆系统的电场控制，会随着温度变化出现很大波动，在常温时其最大电场是在电缆导体附近，而在温度提高，达到额定温度70℃左右时，其最大电场会集中到电缆绝缘屏蔽处。因此电缆接头接地显得非常重要。电缆接头接地是通过接头铜套接地，除了与交流电缆铜套相同的工艺外，还必须采取一些特殊的措施：①控制高压直流电缆焊接温度、时间、程序，保证可靠接地。高压直流电缆一般运用在长距离海底电缆，其金属护套一般采用铅管，而交流电缆目前采用最多是皱纹铝管。铅管的熔点大约328℃，而铝的熔点在660℃，因此，其焊接温度、焊接时间、焊接程序有很大不同。应采用合适的温度、合适的时间、合适的焊接面积，保证接地可靠；②焊接时，确保接头铜套位置居中。直流电缆金属铅管一般与电缆绝缘屏蔽层距离很近，因此焊接时应确保接头铜套居中放置，防止偏心带来的受力不均而损伤电缆；③接头的防水密封尽可能增加散热。总的原则是具备一定的防水、防潮措施：铜套与直流电缆接头主体之间应用散热型密封胶填充，添加一定的导热材料，具备优良的散热功能。以降低电缆绝缘、接头主体绝缘的温度，保证电缆和附件的电场不会意外升高，保证系统长期稳定运行；铜套外边包覆一层永久PE层，焊接处、接地线连接处采用密封胶带和热缩管密封。不建议采用增加玻璃钢外壳再灌装防水密封胶的方式。
5技术应用效果
采用这些特定安装工艺、安装设施，长园电力公司在上海电缆研究所进行了一组±320kV的型式试验回路、一组±210kV直流电缆型式试验回路、一组±210kV预鉴定试验回路等3个高压直流试验回路的运用。目前这些试验回路均已全部通过了试验；通过模拟各种现场环境，各种电缆规格的安装验证，实验项目及内容如表1所示。实践结果证明长园电力公司所总结的直流电缆附件关键安装工艺是有效可行的。
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