淺析風(fēng)電35kV電纜終端的運(yùn)行特點(diǎn)和選擇要素

35kV 電纜附件包括電纜終端和中間接頭，雖然僅占風(fēng)電場電纜線路或者整個(gè)風(fēng)電投資的一小部分，但由于運(yùn)行環(huán)境條件苛刻，安裝施工工藝要求較高，不易進(jìn)行日常檢修維護(hù)等原因，往往成為電纜線路，甚至整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要運(yùn)行安全隱患。本文對風(fēng)電場 35kV 電纜終端的特殊運(yùn)行條件進(jìn)行分析，針對風(fēng)電場在運(yùn)行環(huán)境和電氣裕度方面的特點(diǎn)，并結(jié)合第三代冷縮終端技術(shù)，提出了風(fēng)電 35kV 電纜終端在結(jié)構(gòu)類型、電場控制、外絕緣材料、密封性能等方面的選擇要素建議。

|  引言

相比于架空線路，電纜具有安全性高、易于布置以及對風(fēng)場環(huán)境影響小等特點(diǎn)，在我國大多數(shù)風(fēng)電場的35kV集電系統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。而35kV電纜附件，包括電纜終端和中間接頭，雖然僅占風(fēng)電場電纜線路或者整個(gè)風(fēng)電投資的一小部分，但由于運(yùn)行環(huán)境條件苛刻，安裝施工工藝要求較高，不易進(jìn)行日常檢修維護(hù)等原因，往往成為電纜線路，甚至整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要運(yùn)行安全隱患。
 
據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，自從 2011 年以來，西北等地區(qū)發(fā)生了多起風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模脫網(wǎng)事故，大部分誘因均為35kV 電纜終端的短路擊穿問題。
 
本文將針對風(fēng)電場對 35kV 電纜附件的特殊運(yùn)行要求，結(jié)合 3M QTIII 第三代冷縮電纜終端的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從選擇要素和運(yùn)行維護(hù)兩方面為保障風(fēng)電電纜附件的安全運(yùn)行提出相關(guān)建議。

|  一般 35kV 電纜附件的選擇因素和要求

對于一般電力系統(tǒng)電纜附件的選擇需要考慮以下因素：
系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的絕緣水平及絕緣配合
電纜的額定工作電壓 U0（電纜的相電壓）
系統(tǒng)要求的雷電沖擊水平
電纜的結(jié)構(gòu)及主絕緣外徑
運(yùn)行時(shí)的環(huán)境條件和要求
中間接頭需要考慮防水、保護(hù)等
 
相關(guān)國內(nèi)國際標(biāo)準(zhǔn)中也提出了對于 35kV 等級電纜附件的型式試驗(yàn)要求，其中主要的電氣性能試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。
表1 35kV 等級電纜附件的型式試驗(yàn)要求

雖然目前國內(nèi)風(fēng)電用 35kV 電纜附件一般都能按照表1中 GB/T 12706.4 的要求通過型式試驗(yàn)，但實(shí)際運(yùn)行情況卻不甚理想，其主要原因是風(fēng)電場無論在電氣裕度方面和運(yùn)行環(huán)境方面都對 35kV 電纜附件有較為獨(dú)特和苛刻的要求。

|  風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對 35kV 電纜附件的特殊要求

（一）惡劣的運(yùn)行環(huán)境
大部分風(fēng)力發(fā)電場都位于人口密度較低的沿海、山地或戈壁等地區(qū)，相比于城鄉(xiāng)一般 35kV 的電網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)對電纜附件的運(yùn)行和安裝條件都更加苛刻，表現(xiàn)在如下方面：
 
重風(fēng)沙或重鹽霧：風(fēng)沙、鹽霧的侵襲和累計(jì)是降低電纜終端外絕緣性能，導(dǎo)致外閃絡(luò)的重要原因。特別對于西北地區(qū)及東部沿海，更應(yīng)考慮此方面的問題。
 
高海拔和高日照強(qiáng)度：電纜附件安裝后需保證長期的安全運(yùn)行壽命（不低于 30 年），故處于高海拔及高日照條件下的風(fēng)電場，電纜終端絕緣材料需具有抗紫外老化能力及足夠的爬電距離，以保證長期運(yùn)行。

環(huán)境日溫差和年溫差較大：風(fēng)電場運(yùn)行條件惡劣，特別是北方地區(qū)的風(fēng)場晝夜溫差及季節(jié)溫差較大，電纜本體熱脹冷縮的“呼吸”效應(yīng)明顯。
 
高潮濕和重淋雨：濕氣和水分一旦進(jìn)入到電纜附件內(nèi)部將直接導(dǎo)致其擊穿故障，影響安全運(yùn)行壽命。但東南沿海等地區(qū)風(fēng)電場濕熱天氣嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間長，并經(jīng)常受到臺風(fēng)暴雨侵襲，對電纜附件的防水密封要求相應(yīng)提升。
 
長期受到大風(fēng)影響：風(fēng)電場一般都建設(shè)于長期大風(fēng)天氣的區(qū)域，戶外電纜終端持續(xù)受到風(fēng)吹，出現(xiàn)震動或晃動，需保證其不移位，或輕度移位后仍能安全運(yùn)行。
 
安裝條件惡劣，工期短：風(fēng)電項(xiàng)目一般建設(shè)周期較短，35kV 電纜附件的安裝時(shí)間要求更緊，安裝條件惡劣，故安裝方便、適應(yīng)性好的 35kV 附件更適于風(fēng)電場應(yīng)用。
 
（二）較高的電氣性能裕度
35kV 電纜附件是風(fēng)電場匯集傳輸電能的重要環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)短路擊穿或故障時(shí)，不僅帶來風(fēng)機(jī)停機(jī)以及發(fā)電量的損失，更嚴(yán)重的是可能導(dǎo)致系統(tǒng)低電壓，甚至大規(guī)模的脫網(wǎng)事故。同時(shí)，相比于一般電網(wǎng)，風(fēng)電場 35kV 系統(tǒng)在電氣方面又具有如下一些特殊性：
 
電壓波動大，次數(shù)頻繁：風(fēng)力發(fā)電場的集電系統(tǒng)大量使用 35kV 電纜，由于風(fēng)力的間歇性和隨機(jī)性，風(fēng)電場斷路器頻繁開合在 35kV 集電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生較高的暫態(tài)過電壓。故風(fēng)電場使用的 35kV 電纜附件應(yīng)具有較高的耐受過電壓電氣裕度，以保證風(fēng)場集電系統(tǒng)的安全可靠性。
 
電流不穩(wěn)定，沖擊明顯：風(fēng)場運(yùn)行中的 35kV 電纜附件隨著風(fēng)機(jī)的起停，受到電流不穩(wěn)定的沖擊明顯，容易出現(xiàn)短期過熱情況。
 
易出現(xiàn)雷擊過電壓：風(fēng)電場運(yùn)行環(huán)境開闊，特別是山地風(fēng)電場，其 35kV 集電系統(tǒng)更容易受到雷擊影響，如西南某山地風(fēng)場由于雷擊所導(dǎo)致的 35kV 系統(tǒng)故障比例占到 68%，其中電纜終端故障擊穿次數(shù)多達(dá) 5 次。故風(fēng)電 35kV 電纜附件承受雷電沖擊過電壓的能力應(yīng)高于一般電網(wǎng)要求。

|  風(fēng)電 35kV 電纜附件的選擇要素

針對上述風(fēng)電場在運(yùn)行環(huán)境和電氣裕度方面的特殊要求，在選擇 35kV 電纜附件時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)類型、電場控制、外絕緣材料、密封性能等要素進(jìn)行考慮和評估。
 
（一）電纜附件結(jié)構(gòu)類型
隨著中壓電纜及附件技術(shù)的不斷發(fā)展，瓷套式、金屬盒式、澆注式等型式漸漸消失，熱縮、預(yù)制和冷縮式電纜附件成為主要應(yīng)用的類型。

在我國風(fēng)電場建設(shè)的初期，曾經(jīng)使用過熱縮式電纜附件，但熱縮附件收縮后對電纜主絕緣徑向抱緊力較小，長期運(yùn)行后可能出現(xiàn)分層或錯位，導(dǎo)致電氣性能明顯降低；而且一般的熱縮材料為 EVA（乙烯－醋酸乙烯聚物），在長期高紫外線環(huán)境下材料可能老化和裂化，并產(chǎn)生碳化爬電通道（見圖 1），無法滿足惡劣環(huán)境運(yùn)行要求，故在目前的風(fēng)電項(xiàng)目中已經(jīng)較少使用。

圖1 熱縮電纜終端表面的爬電現(xiàn)象
 
預(yù)制式電纜附件是將外絕緣層、電場控制部分等在工廠內(nèi)模制成一個(gè)整體或若干個(gè)部件，現(xiàn)場推入到電纜上完成安裝。其對電纜主絕緣徑向壓力較小，界面可能存在空隙，從而導(dǎo)致內(nèi)部沿面放電等現(xiàn)象，同時(shí)在風(fēng)電場大風(fēng)條件下可能出現(xiàn)滑動移位，影響安全運(yùn)行，故也較少應(yīng)用于風(fēng)電 35kV 系統(tǒng)中。

冷縮電纜附件結(jié)合了熱縮式與預(yù)制式兩者的優(yōu)勢，也克服了不足之處。它是指將一個(gè)模制或擠塑成形的橡膠體，通過預(yù)擴(kuò)張技術(shù)將其撐開，套在一個(gè)抽取的芯繩上，安裝時(shí)只需輕輕抽去支撐芯繩，橡膠體的“彈性記憶”特性就會促使其收縮壓緊在電纜絕緣表面，從而達(dá)到優(yōu)異的電氣性能和可靠的絕緣密封，目前是風(fēng)電場主要應(yīng)用的結(jié)構(gòu)類型。

冷縮技術(shù)自從 1973 年發(fā)明以來，經(jīng)過 40 多年的變革與創(chuàng)新，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第三代冷縮技術(shù)，如圖 2 為第三代冷縮電纜終端（3M QTIII）的典型結(jié)構(gòu)。


圖2 第三代冷縮終端 QTIII 的典型結(jié)構(gòu)

相比于普通冷縮電纜終端，QTIII 第三代冷縮終端在以下方面采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì)和改進(jìn)：電應(yīng)力控制系統(tǒng)：除改進(jìn)了原有的高介電常數(shù)應(yīng)控管外，還在屏蔽口電場集中處增加了內(nèi)置式應(yīng)控泥結(jié)構(gòu)；頂部密封泥：創(chuàng)新的內(nèi)置式硅橡膠密封泥，通過冷縮終端的巨大徑向壓力實(shí)現(xiàn)可靠密封；外絕緣：添加獨(dú)特配方以提高抗爬電性能和耐候性能；支撐芯繩：尾部的擴(kuò)徑設(shè)計(jì)方便接地部分的密封。
 
采用第三代冷縮技術(shù)的電纜附件可進(jìn)一步改善電場分布、提升電氣性能裕度、降低安裝工藝依賴性以及提高長期惡劣條件下的耐候性，是適應(yīng)于風(fēng)電場特殊運(yùn)行條件和要求的 35kV 電纜附件類型。
 
（二）電場強(qiáng)度（電應(yīng)力）控制方式
電纜的屏蔽層斷開后，其斷口處附近的電場強(qiáng)度呈現(xiàn)不均勻分布的集中情況（見圖 3）。

圖3 電場集中于電纜屏蔽斷口附近

一般采用以下兩種方式改善此處的電場分布，控制電應(yīng)力集中：高介電常數(shù)材料法；幾何應(yīng)力錐法。圖 4 是同等條件下采用兩種不同方式的電纜終端電場分布示意圖。


圖4 應(yīng)力錐法（左）與高介電常數(shù)材料法

可以看出，采用幾何應(yīng)力錐法的終端電場強(qiáng)度主要分散在應(yīng)力錐的范圍內(nèi)，而高介電常數(shù)材料的終端外絕緣電場分布趨于更均勻 , 低壓端附近電場相應(yīng)降低，可達(dá)到較高的沖擊電壓水平。

另一方面，由于風(fēng)電場應(yīng)用的電纜終端長期受到大風(fēng)影響，可能出現(xiàn)輕微的移位。應(yīng)力錐方式需保證錐體處于電纜半導(dǎo)電層的切斷口，輕微移位或安裝偏差即可導(dǎo)致電場控制失效。而采用高介電常數(shù)材料的電纜終端內(nèi)部參數(shù)均勻，電場控制范圍較大，如 3M QTIII 第三代 35kV 電纜終端，其 2/3 的界面范圍內(nèi)均內(nèi)置了電場控制措施，更加適應(yīng)風(fēng)電場長期大風(fēng)條件下持續(xù)晃動的運(yùn)行特點(diǎn)。

此外，QTIII 第三代冷縮終端創(chuàng)新地采用了內(nèi)置式電應(yīng)力控制泥結(jié)構(gòu)，預(yù)擴(kuò)張時(shí)將介電常數(shù)為 25（典型值）的膠泥預(yù)制在冷縮終端內(nèi)部，當(dāng)終端收縮到電纜上時(shí)，依靠終端外層巨大的回縮壓力，應(yīng)控泥被充分地壓緊至電纜絕緣表面，有效地填充屏蔽斷口臺階和絕緣表面的氣隙缺陷，并且達(dá)到控制屏蔽斷口電應(yīng)力集中的效果。

采用了新型電應(yīng)力控制系統(tǒng)的第三代冷縮技術(shù)進(jìn)一步改善了終端內(nèi)界面和外表面的電場分布情況。圖5所示為幾種情況下終端內(nèi)界面的電場強(qiáng)度分布情況，可看出 QTIII 第三代終端最大場強(qiáng)約為 550V/mm，遠(yuǎn)低于前一代終端不涂抹硅脂時(shí)的最大場強(qiáng)。


圖5 終端內(nèi)界面電場強(qiáng)度分布曲線

同時(shí)第三代 35kV 電纜終端沖擊電壓水平可達(dá)到250kV，交流耐壓裕度大于 140kV，比一般電網(wǎng)要求提升約 20%，更能滿足風(fēng)電場較高電氣性能裕度的要求。
 
（三）終端外絕緣材料和耐候性能
基于風(fēng)電場重鹽霧、重風(fēng)沙、高海拔、高日照強(qiáng)度的運(yùn)行特殊性，對于其 35kV 戶外電纜終端的外絕緣材料選擇和評估尤為重要。
 
由于本身特有的疏水性，抗紫外線老化性以及抗爬電性能，硅橡膠作為外絕緣材料的優(yōu)勢已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)證，目前也作為冷縮電纜附件的主要外絕緣材料。為適應(yīng)在風(fēng)電惡劣環(huán)境條件下的長期運(yùn)行，QTIII 第三代終端所采用的硅橡膠外絕緣特別改良了材料配方。一個(gè)主要的改進(jìn)是在硅橡膠材料里添加了能夠提高抗爬電性能的氫氧化鋁（Alumina Trihydrate）填料，獨(dú)特的橡膠配方即使在長期老化的情況下，仍然能夠保證其物理性能和疏水性能不降低。
 
為評估 35kV 終端適應(yīng)于風(fēng)電惡劣運(yùn)行環(huán)境下的長期耐候性能，采用固體污穢試驗(yàn)、疏水性恢復(fù)試驗(yàn)以及重鹽霧老化試驗(yàn)等一系列嚴(yán)格的測試并取得了相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

固體污穢試驗(yàn)。將電纜終端表面涂刷專門配置的固體污穢，或浸入其中，之后將終端置于連續(xù)噴淋水霧的實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，并施加 1.5 倍的額定電壓終端，每隔 300 小時(shí)重新涂刷固體污穢一遍。試驗(yàn)直到終端出現(xiàn)閃絡(luò)爬電為止。
 
固體污穢由燧石（85%），粘土（9%），氯化鈉（3%），紙屑（3%）混合研磨 72 小時(shí)后添加同等體積的水后形成，用于模擬重污染環(huán)境下，例如海邊、重工業(yè)區(qū)等地的終端運(yùn)行條件。

QTIII 終端在 1.5 倍額定電壓下的固體污穢試驗(yàn)的耐受時(shí)間可達(dá) 3200 小時(shí)，這個(gè)測試對模擬風(fēng)電重風(fēng)沙和污穢條件下運(yùn)行環(huán)境提供了參考。

疏水性恢復(fù)試驗(yàn)。硅橡膠材料具有優(yōu)良的疏水特性，所以特別適合于作為電纜終端以及絕緣子的外絕緣使用。一般用接觸角來表示材料的疏水性能，當(dāng)水滴在材料表面上的接觸角大于 90°時(shí)，這種材料被認(rèn)為是一種疏水性材料，反之，則為親水性材料，如圖6所示。


圖6 材料表面接觸角對比

試驗(yàn)表明，當(dāng)疏水性外絕緣材料長期運(yùn)行于極嚴(yán)重的污染條件下時(shí)，其疏水性會降低，甚至可能喪失。為測試 QTIII 終端在重污染環(huán)境改善后，其恢復(fù)原有疏水性的時(shí)間，對其進(jìn)行了疏水性恢復(fù)試驗(yàn)。圖 7 為QTIII 第三代終端的疏水性恢復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果，可看出，當(dāng)重污染條件改善后，終端外絕緣的接觸角在 4 小時(shí)左右即從 20°升至 90°以上，疏水性得到恢復(fù)，這大大優(yōu)于前一代終端 12 小時(shí)左右的疏水恢復(fù)時(shí)間。


圖7 接觸角（疏水性）恢復(fù)曲線

重鹽霧老化試驗(yàn)。為了評測電纜終端在運(yùn)行電壓下耐受重鹽霧惡劣環(huán)境的性能，專門設(shè)計(jì)了終端鹽霧試驗(yàn)艙。密封試驗(yàn)艙高 1.8m，2.5m 見方，電纜終端垂直地置于直徑為 1m 的圓形試驗(yàn)架上，兩個(gè)噴嘴從 0.5m 處以 175Mpa 的壓力連續(xù)噴出電導(dǎo)率為 1000μS/cm 的鹽霧，終端通過頂部導(dǎo)線連續(xù)施加 2倍的額定電壓。

試驗(yàn)結(jié)果表明，QTIII 第三代終端在重鹽霧艙試驗(yàn)條件下，耐受超過 1000 小時(shí)仍無表面爬電或閃絡(luò)現(xiàn)象。
 
（四）防水密封結(jié)構(gòu)
為保證 35kV 戶外電纜終端在風(fēng)電場高潮濕及重淋雨條件下的長期安全運(yùn)行，其頂部的防水密封結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。

普通的防雨金屬接管由于其與硅橡膠的熱脹冷縮系數(shù)不同，在風(fēng)電場較大日溫差和年溫差的長期運(yùn)行后，可能出現(xiàn)分離情況。而第三代冷縮技術(shù)的 QTIII 35kV電纜終端在頂部預(yù)制了防水密封用的硅橡膠膠泥，并依靠終端的回縮壓力將其壓緊在金屬端子和電纜絕緣上，長期有效密封端子與絕緣口之間的空隙。以下試驗(yàn)是為了測試 QTIII 頂部膠泥的密封性能而設(shè)計(jì)的：將安裝好的 QTIII 終端倒置完全浸入水中，通過另一端電纜的線芯加氣壓，壓力為 50kPa，持續(xù)時(shí)間 6 小時(shí)，要求無任何氣泡泄漏（3M試驗(yàn)方法，參照 IEEE-48）。QTIII 終端順利通過此嚴(yán)格的保氣密封試驗(yàn)。
 
同時(shí)，為了測試電纜終端在嚴(yán)重潮濕條件下運(yùn)行穩(wěn)定性，對其按照法國電力公司 EDF HN41-E01 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重潮濕環(huán)境下的溫度循環(huán)試驗(yàn)。通過一個(gè)水蒸氣噴嘴將終端附近的溫度保持在 30℃ -45℃之間循的交流耐壓，整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間為 350 小時(shí)，QTIII 第三代冷縮終端順利地通過了試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)對于驗(yàn)證電纜終端在濕熱惡劣環(huán)境下的運(yùn)行性能提供了相應(yīng)依據(jù)。

|  結(jié)論

35kV 電纜附件雖然只占風(fēng)電場投資的很小部分，但一旦出現(xiàn)故障對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響巨大。

對于風(fēng)電用 35kV 電纜附件，在滿足普通電網(wǎng)的技術(shù)要求基礎(chǔ)上，應(yīng)充分考慮到風(fēng)電場惡劣的運(yùn)行環(huán)境及較高的電氣性能裕度要求，從結(jié)構(gòu)類型、電場控制外絕緣材料、密封性能等方面進(jìn)行選擇。

采用第三代冷縮技術(shù)的 3M QTIII 型 35kV 冷縮采用新型的電場強(qiáng)度控制系統(tǒng)、獨(dú)特的端部密封結(jié)構(gòu)以及改良配方的外絕緣材料，進(jìn)一步改善了內(nèi)外表面的電場分布，簡化安裝工藝，并提升了在惡劣環(huán)境下的安全運(yùn)行性能，可滿足風(fēng)力發(fā)電的特殊運(yùn)行環(huán)境及較高電氣裕度要求。

風(fēng)電 35kV 電纜附件的運(yùn)行要求、選擇要素及第三代冷縮技術(shù)的總結(jié)（見表 2）。

表2 風(fēng)電35kV 電纜附件的選擇

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