浅析风电35kV电缆终端的运行特点和选择要素

35kV 电缆附件包括电缆终端和中间接头，虽然仅占风电场电缆线路或者整个风电投资的一小部分，但由于运行环境条件苛刻，安装施工工艺要求较高，不易进行日常检修维护等原因，往往成为电缆线路，甚至整个风力发电系统的重要运行安全隐患。本文对风电场 35kV 电缆终端的特殊运行条件进行分析，针对风电场在运行环境和电气裕度方面的特点，并结合第三代冷缩终端技术，提出了风电 35kV 电缆终端在结构类型、电场控制、外绝缘材料、密封性能等方面的选择要素建议。

|  引言

相比于架空线路，电缆具有安全性高、易于布置以及对风场环境影响小等特点，在我国大多数风电场的35kV集电系统中得到广泛地应用。而35kV电缆附件，包括电缆终端和中间接头，虽然仅占风电场电缆线路或者整个风电投资的一小部分，但由于运行环境条件苛刻，安装施工工艺要求较高，不易进行日常检修维护等原因，往往成为电缆线路，甚至整个风力发电系统的重要运行安全隐患。
 
据相关统计，自从 2011 年以来，西北等地区发生了多起风力发电大规模脱网事故，大部分诱因均为35kV 电缆终端的短路击穿问题。
 
本文将针对风电场对 35kV 电缆附件的特殊运行要求，结合 3M QTIII 第三代冷缩电缆终端的设计特点，从选择要素和运行维护两方面为保障风电电缆附件的安全运行提出相关建议。

|  一般 35kV 电缆附件的选择因素和要求

对于一般电力系统电缆附件的选择需要考虑以下因素：
系统设计需要的绝缘水平及绝缘配合
电缆的额定工作电压 U0（电缆的相电压）
系统要求的雷电冲击水平
电缆的结构及主绝缘外径
运行时的环境条件和要求
中间接头需要考虑防水、保护等
 
相关国内国际标准中也提出了对于 35kV 等级电缆附件的型式试验要求，其中主要的电气性能试验参数如表1所示。
表1 35kV 等级电缆附件的型式试验要求

虽然目前国内风电用 35kV 电缆附件一般都能按照表1中 GB/T 12706.4 的要求通过型式试验，但实际运行情况却不甚理想，其主要原因是风电场无论在电气裕度方面和运行环境方面都对 35kV 电缆附件有较为独特和苛刻的要求。

|  风力发电系统对 35kV 电缆附件的特殊要求

（一）恶劣的运行环境
大部分风力发电场都位于人口密度较低的沿海、山地或戈壁等地区，相比于城乡一般 35kV 的电网系统风电系统对电缆附件的运行和安装条件都更加苛刻，表现在如下方面：
 
重风沙或重盐雾：风沙、盐雾的侵袭和累计是降低电缆终端外绝缘性能，导致外闪络的重要原因。特别对于西北地区及东部沿海，更应考虑此方面的问题。
 
高海拔和高日照强度：电缆附件安装后需保证长期的安全运行寿命（不低于 30 年），故处于高海拔及高日照条件下的风电场，电缆终端绝缘材料需具有抗紫外老化能力及足够的爬电距离，以保证长期运行。

环境日温差和年温差较大：风电场运行条件恶劣，特别是北方地区的风场昼夜温差及季节温差较大，电缆本体热胀冷缩的“呼吸”效应明显。
 
高潮湿和重淋雨：湿气和水分一旦进入到电缆附件内部将直接导致其击穿故障，影响安全运行寿命。但东南沿海等地区风电场湿热天气严重，持续时间长，并经常受到台风暴雨侵袭，对电缆附件的防水密封要求相应提升。
 
长期受到大风影响：风电场一般都建设于长期大风天气的区域，户外电缆终端持续受到风吹，出现震动或晃动，需保证其不移位，或轻度移位后仍能安全运行。
 
安装条件恶劣，工期短：风电项目一般建设周期较短，35kV 电缆附件的安装时间要求更紧，安装条件恶劣，故安装方便、适应性好的 35kV 附件更适于风电场应用。
 
（二）较高的电气性能裕度
35kV 电缆附件是风电场汇集传输电能的重要环节，一旦出现短路击穿或故障时，不仅带来风机停机以及发电量的损失，更严重的是可能导致系统低电压，甚至大规模的脱网事故。同时，相比于一般电网，风电场 35kV 系统在电气方面又具有如下一些特殊性：
 
电压波动大，次数频繁：风力发电场的集电系统大量使用 35kV 电缆，由于风力的间歇性和随机性，风电场断路器频繁开合在 35kV 集电网络内部产生较高的暂态过电压。故风电场使用的 35kV 电缆附件应具有较高的耐受过电压电气裕度，以保证风场集电系统的安全可靠性。
 
电流不稳定，冲击明显：风场运行中的 35kV 电缆附件随着风机的起停，受到电流不稳定的冲击明显，容易出现短期过热情况。
 
易出现雷击过电压：风电场运行环境开阔，特别是山地风电场，其 35kV 集电系统更容易受到雷击影响，如西南某山地风场由于雷击所导致的 35kV 系统故障比例占到 68%，其中电缆终端故障击穿次数多达 5 次。故风电 35kV 电缆附件承受雷电冲击过电压的能力应高于一般电网要求。

|  风电 35kV 电缆附件的选择要素

针对上述风电场在运行环境和电气裕度方面的特殊要求，在选择 35kV 电缆附件时，应从结构类型、电场控制、外绝缘材料、密封性能等要素进行考虑和评估。
 
（一）电缆附件结构类型
随着中压电缆及附件技术的不断发展，瓷套式、金属盒式、浇注式等型式渐渐消失，热缩、预制和冷缩式电缆附件成为主要应用的类型。

在我国风电场建设的初期，曾经使用过热缩式电缆附件，但热缩附件收缩后对电缆主绝缘径向抱紧力较小，长期运行后可能出现分层或错位，导致电气性能明显降低；而且一般的热缩材料为 EVA（乙烯－醋酸乙烯聚物），在长期高紫外线环境下材料可能老化和裂化，并产生碳化爬电通道（见图 1），无法满足恶劣环境运行要求，故在目前的风电项目中已经较少使用。

图1 热缩电缆终端表面的爬电现象
 
预制式电缆附件是将外绝缘层、电场控制部分等在工厂内模制成一个整体或若干个部件，现场推入到电缆上完成安装。其对电缆主绝缘径向压力较小，界面可能存在空隙，从而导致内部沿面放电等现象，同时在风电场大风条件下可能出现滑动移位，影响安全运行，故也较少应用于风电 35kV 系统中。

冷缩电缆附件结合了热缩式与预制式两者的优势，也克服了不足之处。它是指将一个模制或挤塑成形的橡胶体，通过预扩张技术将其撑开，套在一个抽取的芯绳上，安装时只需轻轻抽去支撑芯绳，橡胶体的“弹性记忆”特性就会促使其收缩压紧在电缆绝缘表面，从而达到优异的电气性能和可靠的绝缘密封，目前是风电场主要应用的结构类型。

冷缩技术自从 1973 年发明以来，经过 40 多年的变革与创新，现在已经发展到了第三代冷缩技术，如图 2 为第三代冷缩电缆终端（3M QTIII）的典型结构。


图2 第三代冷缩终端 QTIII 的典型结构

相比于普通冷缩电缆终端，QTIII 第三代冷缩终端在以下方面采用了独特的设计和改进：电应力控制系统：除改进了原有的高介电常数应控管外，还在屏蔽口电场集中处增加了内置式应控泥结构；顶部密封泥：创新的内置式硅橡胶密封泥，通过冷缩终端的巨大径向压力实现可靠密封；外绝缘：添加独特配方以提高抗爬电性能和耐候性能；支撑芯绳：尾部的扩径设计方便接地部分的密封。
 
采用第三代冷缩技术的电缆附件可进一步改善电场分布、提升电气性能裕度、降低安装工艺依赖性以及提高长期恶劣条件下的耐候性，是适应于风电场特殊运行条件和要求的 35kV 电缆附件类型。
 
（二）电场强度（电应力）控制方式
电缆的屏蔽层断开后，其断口处附近的电场强度呈现不均匀分布的集中情况（见图 3）。

图3 电场集中于电缆屏蔽断口附近

一般采用以下两种方式改善此处的电场分布，控制电应力集中：高介电常数材料法；几何应力锥法。图 4 是同等条件下采用两种不同方式的电缆终端电场分布示意图。


图4 应力锥法（左）与高介电常数材料法

可以看出，采用几何应力锥法的终端电场强度主要分散在应力锥的范围内，而高介电常数材料的终端外绝缘电场分布趋于更均匀 , 低压端附近电场相应降低，可达到较高的冲击电压水平。

另一方面，由于风电场应用的电缆终端长期受到大风影响，可能出现轻微的移位。应力锥方式需保证锥体处于电缆半导电层的切断口，轻微移位或安装偏差即可导致电场控制失效。而采用高介电常数材料的电缆终端内部参数均匀，电场控制范围较大，如 3M QTIII 第三代 35kV 电缆终端，其 2/3 的界面范围内均内置了电场控制措施，更加适应风电场长期大风条件下持续晃动的运行特点。

此外，QTIII 第三代冷缩终端创新地采用了内置式电应力控制泥结构，预扩张时将介电常数为 25（典型值）的胶泥预制在冷缩终端内部，当终端收缩到电缆上时，依靠终端外层巨大的回缩压力，应控泥被充分地压紧至电缆绝缘表面，有效地填充屏蔽断口台阶和绝缘表面的气隙缺陷，并且达到控制屏蔽断口电应力集中的效果。

采用了新型电应力控制系统的第三代冷缩技术进一步改善了终端内界面和外表面的电场分布情况。图5所示为几种情况下终端内界面的电场强度分布情况，可看出 QTIII 第三代终端最大场强约为 550V/mm，远低于前一代终端不涂抹硅脂时的最大场强。


图5 终端内界面电场强度分布曲线

同时第三代 35kV 电缆终端冲击电压水平可达到250kV，交流耐压裕度大于 140kV，比一般电网要求提升约 20%，更能满足风电场较高电气性能裕度的要求。
 
（三）终端外绝缘材料和耐候性能
基于风电场重盐雾、重风沙、高海拔、高日照强度的运行特殊性，对于其 35kV 户外电缆终端的外绝缘材料选择和评估尤为重要。
 
由于本身特有的疏水性，抗紫外线老化性以及抗爬电性能，硅橡胶作为外绝缘材料的优势已经得到了充分的验证，目前也作为冷缩电缆附件的主要外绝缘材料。为适应在风电恶劣环境条件下的长期运行，QTIII 第三代终端所采用的硅橡胶外绝缘特别改良了材料配方。一个主要的改进是在硅橡胶材料里添加了能够提高抗爬电性能的氢氧化铝（Alumina Trihydrate）填料，独特的橡胶配方即使在长期老化的情况下，仍然能够保证其物理性能和疏水性能不降低。
 
为评估 35kV 终端适应于风电恶劣运行环境下的长期耐候性能，采用固体污秽试验、疏水性恢复试验以及重盐雾老化试验等一系列严格的测试并取得了相应的数据结果。

固体污秽试验。将电缆终端表面涂刷专门配置的固体污秽，或浸入其中，之后将终端置于连续喷淋水雾的实验舱内，并施加 1.5 倍的额定电压终端，每隔 300 小时重新涂刷固体污秽一遍。试验直到终端出现闪络爬电为止。
 
固体污秽由燧石（85%），粘土（9%），氯化钠（3%），纸屑（3%）混合研磨 72 小时后添加同等体积的水后形成，用于模拟重污染环境下，例如海边、重工业区等地的终端运行条件。

QTIII 终端在 1.5 倍额定电压下的固体污秽试验的耐受时间可达 3200 小时，这个测试对模拟风电重风沙和污秽条件下运行环境提供了参考。

疏水性恢复试验。硅橡胶材料具有优良的疏水特性，所以特别适合于作为电缆终端以及绝缘子的外绝缘使用。一般用接触角来表示材料的疏水性能，当水滴在材料表面上的接触角大于 90°时，这种材料被认为是一种疏水性材料，反之，则为亲水性材料，如图6所示。


图6 材料表面接触角对比

试验表明，当疏水性外绝缘材料长期运行于极严重的污染条件下时，其疏水性会降低，甚至可能丧失。为测试 QTIII 终端在重污染环境改善后，其恢复原有疏水性的时间，对其进行了疏水性恢复试验。图 7 为QTIII 第三代终端的疏水性恢复试验的结果，可看出，当重污染条件改善后，终端外绝缘的接触角在 4 小时左右即从 20°升至 90°以上，疏水性得到恢复，这大大优于前一代终端 12 小时左右的疏水恢复时间。


图7 接触角（疏水性）恢复曲线

重盐雾老化试验。为了评测电缆终端在运行电压下耐受重盐雾恶劣环境的性能，专门设计了终端盐雾试验舱。密封试验舱高 1.8m，2.5m 见方，电缆终端垂直地置于直径为 1m 的圆形试验架上，两个喷嘴从 0.5m 处以 175Mpa 的压力连续喷出电导率为 1000μS/cm 的盐雾，终端通过顶部导线连续施加 2倍的额定电压。

试验结果表明，QTIII 第三代终端在重盐雾舱试验条件下，耐受超过 1000 小时仍无表面爬电或闪络现象。
 
（四）防水密封结构
为保证 35kV 户外电缆终端在风电场高潮湿及重淋雨条件下的长期安全运行，其顶部的防水密封结构非常关键。

普通的防雨金属接管由于其与硅橡胶的热胀冷缩系数不同，在风电场较大日温差和年温差的长期运行后，可能出现分离情况。而第三代冷缩技术的 QTIII 35kV电缆终端在顶部预制了防水密封用的硅橡胶胶泥，并依靠终端的回缩压力将其压紧在金属端子和电缆绝缘上，长期有效密封端子与绝缘口之间的空隙。以下试验是为了测试 QTIII 顶部胶泥的密封性能而设计的：将安装好的 QTIII 终端倒置完全浸入水中，通过另一端电缆的线芯加气压，压力为 50kPa，持续时间 6 小时，要求无任何气泡泄漏（3M试验方法，参照 IEEE-48）。QTIII 终端顺利通过此严格的保气密封试验。
 
同时，为了测试电缆终端在严重潮湿条件下运行稳定性，对其按照法国电力公司 EDF HN41-E01 标准进行了重潮湿环境下的温度循环试验。通过一个水蒸气喷嘴将终端附近的温度保持在 30℃ -45℃之间循的交流耐压，整个试验时间为 350 小时，QTIII 第三代冷缩终端顺利地通过了试验。这个试验对于验证电缆终端在湿热恶劣环境下的运行性能提供了相应依据。

|  结论

35kV 电缆附件虽然只占风电场投资的很小部分，但一旦出现故障对风力发电系统的影响巨大。

对于风电用 35kV 电缆附件，在满足普通电网的技术要求基础上，应充分考虑到风电场恶劣的运行环境及较高的电气性能裕度要求，从结构类型、电场控制外绝缘材料、密封性能等方面进行选择。

采用第三代冷缩技术的 3M QTIII 型 35kV 冷缩采用新型的电场强度控制系统、独特的端部密封结构以及改良配方的外绝缘材料，进一步改善了内外表面的电场分布，简化安装工艺，并提升了在恶劣环境下的安全运行性能，可满足风力发电的特殊运行环境及较高电气裕度要求。

风电 35kV 电缆附件的运行要求、选择要素及第三代冷缩技术的总结（见表 2）。

表2 风电35kV 电缆附件的选择

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