浅析500kV交联聚乙烯单芯电缆冲击放电原因

摘要大型水电站机组正式投运前或是大修后，主变压器必须进行冲击试验，以检验变压器的绝缘强度和机械强度。在冲击试验中，连接主变压器与开关站的三相500kV交联聚乙烯（XLPE）单芯电缆常常会发生冲击放电现象。本文结合实际案例，浅显分析500kV电缆冲击放电的原因并提出解决方案。

关键字 550kV 交联聚乙烯电缆 冲击放电

中图分类号：TM246 文献标识码：A

1前言

近年来，随着我国大力开发水电事业，云南、四川等西南水电基地的建设步伐不断加快，多个大型水电项目已经或即将投产发电。这些大型水电站均采用地下厂房的设计方式，单机容量在600MW-800MW之间，机组出口电压经主变压器升至500kV等级后，通过地面开关站对外输送电能。作为连接地下厂房和地面开关站的重要电气设备，500kV交联聚乙烯单芯电缆得到了大力应用。

2550kV交联聚乙烯单芯电缆简介

交联聚乙烯电缆是采用将聚乙烯材料分子链从线型结构转变为主体三维网状结构后作为绝缘的一种挤包绝缘电缆，具有结构简单、重量轻、耐热好、负载能力强、不熔化、耐化学腐蚀、机械强度高等诸多特性。500kV电压等级的电力电缆中，交联聚乙烯电缆由于上述优异性能，广泛用于大型水电站项目。

500kV交联聚乙烯单芯电缆基本结构为：导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、金属护层、金属套、外护套等。

导体为单芯铜导线，要求其表面光洁平滑，不应有裂纹、毛刺、锐边、凸起以及断裂的单线。

导体屏蔽层由半导电包带和挤包的半导电体化合物层组成，它处于导体和主绝缘层之间，主要起改善导体和主绝缘层之间电场分布的作用，它与主绝缘层有良好的粘合，与被屏蔽的导体等电位。导体屏蔽层应是连续、光滑的，并具有恒定的厚度，从而保证电缆的使用寿命和可靠性。

绝缘层由一层挤包绝缘组成，材料为特超净交联聚乙烯（XLPE）材料。导体屏蔽层、绝缘层和绝缘屏蔽层三层都是一次挤压形成，以保证绝缘均匀，没有空隙、突起物和水分。

绝缘屏蔽层由一层挤包半导电化合物和一层半导电带绕包组成，它处于绝缘层和金属护层之间，主要起改善主绝缘层和金属护层之间电场分布的作用，它与被屏蔽的主绝缘层有良好的粘合，与金属护层等电位，从而避免在主绝缘层与金属护层之间发生局部放电。

金属护层为半导电阻水膨胀带结构，由绞绕的铝线外包30%螺旋搭接的铝带组成，铝带与外护套粘连。金属护层起到保护电缆绝缘不受各种机械和化学伤害的作用，保证电缆径向防水。

金属套为平滑铝护套，能使电缆绝缘免受机械和化学的各种伤害，还能起到电缆径向防水，承受短路电流的作用。

外护套由挤压的无卤阻燃材料（HFFR）制成，防火阻燃的同时还具有防鼠啮和霉菌伤害的作用。此外，外护套还能起到使电缆芯在安装和运行时免受机械应力的伤害，以及防止有害物质腐蚀金属套等作用。

3电缆冲击放电浅析

案例：四川某4×600MW大型水电站，采用500kv交联聚乙烯单芯电缆连接地下厂房内主变压器与地面开关站GIS设备。该电站首台机组启动试验进行至主变冲击试验时，在500kV断路器合闸瞬间，在厂房电缆平洞内听到清脆的放电声音。在之后的4次冲击试验中，设备责任班组派专人在黑暗环境下对电缆进行观察，在电缆的两端（长约700m）均可见放电火光并伴有清脆的放电声响。

该电站500kV交联聚乙烯单芯电缆均匀放置在金属夹具上加紧，使用橡胶垫夹在电缆外护套与夹具之间做防护，金属夹具每隔一段距离通过接地铜线接地。

单芯电缆金属套一端直接接地，另一端经护层保护器接地，用以避免因环流而造成的电能大量损耗和绝缘加速老化。每台机组三相电缆回路配有两根两端接地、与主电缆并行的接地回流导线，每根回流线均有足够的截面积通过单相接地电流。

主变冲击试验过后，设备责任班组对电缆及附属设备进行了较为全面的检查，检查设备后并未发现异常现象，三相电缆护层保护器所接放电计数器数值也均无变化。此外，检查过程中发现电缆外护套采用的无卤阻燃材料每单位距离下存在电阻值。

经过分析，可以得出下述叙述：500kV交联聚乙烯单芯电缆的导体与具有电阻性质的采用的无卤阻燃材料制成的外护套，可以看成是一个变压器的初级绕组。当导体通过电流时就会有磁力线交链外护套，使它的两端出现感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比。主变压器冲击试验时，在断路器合闸的瞬间，一次回路中会产生励磁涌流，其值可达6~8倍额定电流。此时，外护套上会感应出很高的感应电压，对距离其最近的接地夹具放电，从而出现案例中描述的现象。

4处理方案

由此前的分析可知，外护套接地与否是解决电缆冲击放电的关键。接地后的电缆外护套与电缆夹具保持等电位，可以有效防止冲击放电的发生。

电缆接地的处理方案，需要解决两个问题：一是如何在保证外护套接地良好的同时不影响电缆局部的散热；二是长距离电缆要做几处接地才能完全消除放电现象。

做到接地良好，就是要保证外护套与接地装置充分接触，但这样做的同时很可能会影响散热，导致电缆局部过热。为此，可以选用细密网格状的铜片，将其包裹在电缆外护套上，用橡胶槌进行敲打，使电缆外护套嵌入网格中（必要时可以加热软化外护套），两端再用抱箍紧固，最后通过专用接地线将其与接地抽头连接起来，规范走线后即可投入使用。

考虑到电缆线路越长，感应电压越高，因而对于较长的电缆，宜每隔30-50米设置一个接地点，否则很难从跟本上解决冲击放电的问题。该水电站对尚在安装的#2机组500kV电缆首尾两端做了接地处理后，在之后的机组启动试验中，邻近外护套接地点的区域无冲击放电发生，但在距离较远的区域内，放电现象仍然存在。该电站须择机进行补装接地装置的专项工程。

5结束语

500kV交联聚乙烯单芯电缆作为电站内重要的电气设备，其冲击放电现象应该得到足够的重视和及时的处理。当然，考虑到各电站的现场实际环境不同，避免电缆外护套冲击放电现象的发生必然会有其他合理的处理方案，本文只是提供一种电缆外护套分段接地的处理思路。

参考文献：

[1] 何善庆.500kV电缆的开发应用与形式选择[J].电力电缆，2001（3）.

[2] 应启良.500kV交联聚乙烯绝缘电缆绝缘结构研究[J].电力电缆，2003（4）.