淺析風電35kV電纜終端的運行特點和選擇要素

35kV 電纜附件包括電纜終端和中間接頭，雖然僅占風電場電纜線路或者整個風電投資的一小部分，但由于運行環(huán)境條件苛刻，安裝施工工藝要求較高，不易進行日常檢修維護等原因，往往成為電纜線路，甚至整個風力發(fā)電系統(tǒng)的重要運行安全隱患。本文對風電場 35kV 電纜終端的特殊運行條件進行分析，針對風電場在運行環(huán)境和電氣裕度方面的特點，并結(jié)合第三代冷縮終端技術，提出了風電 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、易于布置以及對風場環(huán)境影響小等特點，在我國大多數(shù)風電場的35kV集電系統(tǒng)中得到廣泛地應用。而35kV電纜附件，包括電纜終端和中間接頭，雖然僅占風電場電纜線路或者整個風電投資的一小部分，但由于運行環(huán)境條件苛刻，安裝施工工藝要求較高，不易進行日常檢修維護等原因，往往成為電纜線路，甚至整個風力發(fā)電系統(tǒng)的重要運行安全隱患。
 
據(jù)相關統(tǒng)計，自從 2011 年以來，西北等地區(qū)發(fā)生了多起風力發(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。
 
本文將針對風電場對 35kV 電纜附件的特殊運行要求，結(jié)合 3M QTIII 第三代冷縮電纜終端的設計特點，從選擇要素和運行維護兩方面為保障風電電纜附件的安全運行提出相關建議。

|  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)設計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
運行時的環(huán)境條件和要求
中間接頭需要考慮防水、保護等
 
相關國內(nèi)國際標準中也提出了對于 35kV 等級電纜附件的型式試驗要求，其中主要的電氣性能試驗參數(shù)如表1所示。
表1 35kV 等級電纜附件的型式試驗要求

雖然目前國內(nèi)風電用 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，但實際運行情況卻不甚理想，其主要原因是風電場無論在電氣裕度方面和運行環(huán)境方面都對 35kV 電纜附件有較為獨特和苛刻的要求。

|  風力發(fā)電系統(tǒng)對 35kV 電纜附件的特殊要求

（一）惡劣的運行環(huán)境
大部分風力發(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)風電系統(tǒng)對電纜附件的運行和安裝條件都更加苛刻，表現(xiàn)在如下方面：
 
重風沙或重鹽霧：風沙、鹽霧的侵襲和累計是降低電纜終端外絕緣性能，導致外閃絡的重要原因。特別對于西北地區(qū)及東部沿海，更應考慮此方面的問題。
 
高海拔和高日照強度：電纜附件安裝后需保證長期的安全運行壽命（不低于 30 年），故處于高海拔及高日照條件下的風電場，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，以保證長期運行。

環(huán)境日溫差和年溫差較大：風電場運行條件惡劣，特別是北方地區(qū)的風場晝夜溫差及季節(jié)溫差較大，電纜本體熱脹冷縮的“呼吸”效應明顯。
 
高潮濕和重淋雨：濕氣和水分一旦進入到電纜附件內(nèi)部將直接導致其擊穿故障，影響安全運行壽命。但東南沿海等地區(qū)風電場濕熱天氣嚴重，持續(xù)時間長，并經(jīng)常受到臺風暴雨侵襲，對電纜附件的防水密封要求相應提升。
 
長期受到大風影響：風電場一般都建設于長期大風天氣的區(qū)域，戶外電纜終端持續(xù)受到風吹，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行。
 
安裝條件惡劣，工期短：風電項目一般建設周期較短，35kV 電纜附件的安裝時間要求更緊，安裝條件惡劣，故安裝方便、適應性好的 35kV 附件更適于風電場應用。
 
（二）較高的電氣性能裕度
35kV 電纜附件是風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，不僅帶來風機停機以及發(fā)電量的損失，更嚴重的是可能導致系統(tǒng)低電壓，甚至大規(guī)模的脫網(wǎng)事故。同時，相比于一般電網(wǎng)，風電場 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：風力發(fā)電場的集電系統(tǒng)大量使用 35kV 電纜，由于風力的間歇性和隨機性，風電場斷路器頻繁開合在 35kV 集電網(wǎng)絡內(nèi)部產(chǎn)生較高的暫態(tài)過電壓。故風電場使用的 35kV 電纜附件應具有較高的耐受過電壓電氣裕度，以保證風場集電系統(tǒng)的安全可靠性。
 
電流不穩(wěn)定，沖擊明顯：風場運行中的 35kV 電纜附件隨著風機的起停，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：風電場運行環(huán)境開闊，特別是山地風電場，其 35kV 集電系統(tǒng)更容易受到雷擊影響，如西南某山地風場由于雷擊所導致的 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 5 次。故風電 35kV 電纜附件承受雷電沖擊過電壓的能力應高于一般電網(wǎng)要求。

|  風電 35kV 電纜附件的選擇要素

針對上述風電場在運行環(huán)境和電氣裕度方面的特殊要求，在選擇 35kV 電纜附件時，應從結(jié)構(gòu)類型、電場控制、外絕緣材料、密封性能等要素進行考慮和評估。
 
（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、預制和冷縮式電纜附件成為主要應用的類型。

在我國風電場建設的初期，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，長期運行后可能出現(xiàn)分層或錯位，導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)境運行要求，故在目前的風電項目中已經(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)模制成一個整體或若干個部件，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，從而導致內(nèi)部沿面放電等現(xiàn)象，同時在風電場大風條件下可能出現(xiàn)滑動移位，影響安全運行，故也較少應用于風電 35kV 系統(tǒng)中。

冷縮電纜附件結(jié)合了熱縮式與預制式兩者的優(yōu)勢，也克服了不足之處。它是指將一個模制或擠塑成形的橡膠體，通過預擴張技術將其撐開，套在一個抽取的芯繩上，安裝時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，從而達到優(yōu)異的電氣性能和可靠的絕緣密封，目前是風電場主要應用的結(jié)構(gòu)類型。

冷縮技術自從 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，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特的設計和改進：電應力控制系統(tǒng)：除改進了原有的高介電常數(shù)應控管外，還在屏蔽口電場集中處增加了內(nèi)置式應控泥結(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現(xiàn)可靠密封；外絕緣：添加獨特配方以提高抗爬電性能和耐候性能；支撐芯繩：尾部的擴徑設計方便接地部分的密封。
 
采用第三代冷縮技術的電纜附件可進一步改善電場分布、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，是適應于風電場特殊運行條件和要求的 35kV 電纜附件類型。
 
（二）電場強度（電應力）控制方式
電纜的屏蔽層斷開后，其斷口處附近的電場強度呈現(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，控制電應力集中：高介電常數(shù)材料法；幾何應力錐法。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 應力錐法（左）與高介電常數(shù)材料法

可以看出，采用幾何應力錐法的終端電場強度主要分散在應力錐的范圍內(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降低，可達到較高的沖擊電壓水平。

另一方面，由于風電場應用的電纜終端長期受到大風影響，可能出現(xiàn)輕微的移位。應力錐方式需保證錐體處于電纜半導電層的切斷口，輕微移位或安裝偏差即可導致電場控制失效。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，更加適應風電場長期大風條件下持續(xù)晃動的運行特點。

此外，QTIII 第三代冷縮終端創(chuàng)新地采用了內(nèi)置式電應力控制泥結(jié)構(gòu)，預擴張時將介電常數(shù)為 25（典型值）的膠泥預制在冷縮終端內(nèi)部，當終端收縮到電纜上時，依靠終端外層巨大的回縮壓力，應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，并且達到控制屏蔽斷口電應力集中的效果。

采用了新型電應力控制系統(tǒng)的第三代冷縮技術進一步改善了終端內(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)界面的電場強度分布情況，可看出 QTIII 第三代終端最大場強約為 550V/mm，遠低于前一代終端不涂抹硅脂時的最大場強。


圖5 終端內(nèi)界面電場強度分布曲線

同時第三代 35kV 電纜終端沖擊電壓水平可達到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
基于風電場重鹽霧、重風沙、高海拔、高日照強度的運行特殊性，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)得到了充分的驗證，目前也作為冷縮電纜附件的主要外絕緣材料。為適應在風電惡劣環(huán)境條件下的長期運行，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。一個主要的改進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 終端適應于風電惡劣運行環(huán)境下的長期耐候性能，采用固體污穢試驗、疏水性恢復試驗以及重鹽霧老化試驗等一系列嚴格的測試并取得了相應的數(shù)據(jù)結(jié)果。

固體污穢試驗。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)噴淋水霧的實驗艙內(nèi)，并施加 1.5 倍的額定電壓終端，每隔 300 小時重新涂刷固體污穢一遍。試驗直到終端出現(xiàn)閃絡爬電為止。
 
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)等地的終端運行條件。

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

疏水性恢復試驗。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，當水滴在材料表面上的接觸角大于 90°時，這種材料被認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

試驗表明，當疏水性外絕緣材料長期運行于極嚴重的污染條件下時，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，其恢復原有疏水性的時間，對其進行了疏水性恢復試驗。圖 7 為QTIII 第三代終端的疏水性恢復試驗的結(jié)果，可看出，當重污染條件改善后，終端外絕緣的接觸角在 4 小時左右即從 20°升至 90°以上，疏水性得到恢復，這大大優(yōu)于前一代終端 12 小時左右的疏水恢復時間。


圖7 接觸角（疏水性）恢復曲線

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

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

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，在風電場較大日溫差和年溫差的長期運行后，可能出現(xiàn)分離情況。而第三代冷縮技術的 QTIII 35kV電纜終端在頂部預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。以下試驗是為了測試 QTIII 頂部膠泥的密封性能而設計的：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)時間 6 小時，要求無任何氣泡泄漏（3M試驗方法，參照 IEEE-48）。QTIII 終端順利通過此嚴格的保氣密封試驗。
 
同時，為了測試電纜終端在嚴重潮濕條件下運行穩(wěn)定性，對其按照法國電力公司 EDF HN41-E01 標準進行了重潮濕環(huán)境下的溫度循環(huán)試驗。通過一個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，整個試驗時間為 350 小時，QTIII 第三代冷縮終端順利地通過了試驗。這個試驗對于驗證電纜終端在濕熱惡劣環(huán)境下的運行性能提供了相應依據(jù)。

|  結(jié)論

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

對于風電用 35kV 電纜附件，在滿足普通電網(wǎng)的技術要求基礎上，應充分考慮到風電場惡劣的運行環(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、密封性能等方面進行選擇。

采用第三代冷縮技術的 3M QTIII 型 35kV 冷縮采用新型的電場強度控制系統(tǒng)、獨特的端部密封結(jié)構(gòu)以及改良配方的外絕緣材料，進一步改善了內(nèi)外表面的電場分布，簡化安裝工藝，并提升了在惡劣環(huán)境下的安全運行性能，可滿足風力發(fā)電的特殊運行環(huán)境及較高電氣裕度要求。

風電 35kV 電纜附件的運行要求、選擇要素及第三代冷縮技術的總結(jié)（見表 2）。

表2 風電35kV 電纜附件的選擇

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