電力電纜的基礎知識

1、電力電纜的基礎知識電力電纜的分類一. 按絕緣材料的不同可分為（常用）：1、 油浸紙絕緣電纜（PILC） 2、交聯聚乙烯電纜（XLPE）3、 聚乙烯電纜（PE） 4、聚氯乙烯電纜（PVC）5、 橡膠電纜（EPR）二. 按電壓等級來分：可分為低、中壓電力電纜（35kV及以下），高壓電力電纜（110kV、220kV）和超高壓電力電纜（500kV）。電力電纜的結構有五種典型結構，其結構示意圖如圖1所示：圖1-a. 單芯電纜I 圖1-b、單芯電纜II 圖1-c 三芯電纜I 圖1-d 三芯電纜II 圖1-e 三芯電纜III電纜結構示意圖圖1中，導體芯線和絕緣層是必須的電纜組成部分，導體芯線的材料通常為銅芯

2、和多股鋁芯，絕緣材料如上所述有四大類。圖1-a所示的單芯電纜是油浸紙絕緣介質電纜的典型結構，金屬屏蔽層為鉛包，外護層由鋼帶和塑料材料等組成；圖1-b中所示的單芯電纜，通常是塑料交聯聚乙烯（XLPE）絕緣介質電纜的典型結構，比圖1-a中的結構多了內外半導電層和石墨層，而金屬屏蔽層一般為銅帶，金屬護套可能是鋼帶（絲）、鋁、銅或不銹鋼等材質；圖1-c所示的三芯電纜是油浸紙絕緣介質電纜的典型結構，與圖1-a所示的單芯電纜結構基本相同；圖1-d所示的三芯電纜，多為塑料聚乙烯（PVC）絕緣介質和橡皮絕緣介質電纜，一般為6kV以下低等級電纜典型結構，這樣的結構也有四芯電纜情況。2 / 21圖1-e所示的三芯

3、電纜，多為XLPE絕緣介質電纜的結構與圖1-a所示的單芯電纜基本相同。 分析五種電纜的典型構造，歸總進來，電纜主要由五部分組成：導體芯線、絕緣層、半導電層、金屬屏蔽層、外護套層。電力電纜故障的基本知識電力電纜故障分類 由于電力電纜的種類較多，結構組成不盡一致，加上人們的工作屬性和人們的目的要求不同等原因，使得電纜故障的分類方法較多，這里歸納以下幾種情況：一. 按電纜的組成材料分類（物理特性）分析電力電纜的結構組成，我們可以得出電纜主要由兩大部分組成：金屬導體：如導體芯線、金屬屏蔽層、金屬外護套等；絕緣體：如主絕緣層（油浸紙、聚氯乙烯（XLPE）、聚乙烯（PVC）、橡膠（PE）；非金屬外護層（P

4、E、PVC），因此電纜故障也分為兩大類：1、導體故障（開路故障）：顧名思義，導體故障是電纜中的金屬導體所出現的故障，這里主要指芯線導體（如銅線、鋁線）和金屬屏蔽層（如鉛包、銅帶）故障。以導體芯線為例，如圖2所示：圖2在圖2中，電纜芯線的正常電阻值應為： RAA= L/S（）=RO 式中L為電纜長度，S為芯線截面面積， 為導體電阻率，因此當電纜成型后，其電阻值RO是一個定值（一般為毫歐級）。所以，只有當RAA RO才認為導體有問題，在實際中有兩種情況，即兩種類型故障：1.1 斷線故障：即RAA=，也就是說電纜的芯線或金屬屏蔽層在某一處或多處斷開，如實際中，電纜被人為挖斷、電纜被燒斷、在電纜接頭處

5、，電纜芯線或電纜的兩邊屏蔽層根本沒有連接上、XLPE電纜在生產過程中屏蔽層不連續(xù)等。1.2 似斷非斷故障：即RAA RO ，如電纜的芯線或金屬屏蔽層某處似連非連、接頭部分芯線或屏蔽線處理不好等。這種故障一般人們不易發(fā)現，但實際中是確實存在的。對于以上兩種情況的導體故障我們統稱為開路故障。因此，開路故障的確切定義為： 電纜的導體損傷導致導體斷開或似斷非斷的情況。導體包括電纜的芯線和金屬屏蔽層。斷線故障是開路故障的一個特例。2、絕緣故障 電纜中的絕緣層，不管是主絕緣層還是外護套絕緣層(主要對110kV及以上等級電纜)，它和導體芯線一樣，是電纜必不可少的重要組成部分，但相比之下要比導體材料脆弱的多。

6、因此，在實際中，電纜的絕大多數故障都是由絕緣層不好引起的。電力電纜絕緣層損傷一般會出現兩種故障：泄漏性故障和閃絡性故障。等效電路如圖3所示：圖32.1 泄漏性故障 在物理上，絕緣材料也叫電介質，分析電介質主要考慮它的三個特性：電介質的電導（漏導）特性、電介質的擊穿特性和電介質的損耗特性。這里主要考慮前兩個特性。 電介質的電導：理論上，絕緣材料即電介質是不導電的,其等效電阻為，即當給電介質兩端施加直流電壓，不管是電壓多高，電介質中沒有電流流過，根據歐姆定律知：Ig=U/RJ=0。但實際上， 電介質是存在電阻的，流過電介質的電流（泄漏電流用Ig表示）一般與外加電壓成正比關系。具體到電力電纜，其幾何

7、尺寸和電介質的電阻系數是一定的，所以，在額定電壓下的泄漏電流Ig應該不大于某一確定的值Igm。但如果電介質的電導特性變壞即RJ變小，泄漏電流Ig變大，說明電介質存在故障。對電纜來說，這種電纜的絕緣層電導特性變壞的故障我們稱之為泄漏性故障。2.2 閃絡性故障電介質的擊穿：所有的電介質都不例外，當給電介質上施加電壓后，電介質中會流過微小的泄漏電流Ig，其值隨所施電壓的增大基本線性增大，而當所施電壓超過某一數值Us時，泄漏電流Ig突然增大，電介質完全失去固有的絕緣特性而變成導體，這種現象稱之為電介質的擊穿，把電壓值Us稱之為電介質的擊穿電壓.有些絕緣介質擊穿后，當降低外加電壓后，絕緣性能自行恢復，有

8、些則電導特性變壞，泄漏電流明顯增大。具體到電力電纜，若電纜的額定電壓為Um，當給電纜加電壓時，在電壓加到某一數值Us時，在UsUm條件下，電纜絕緣擊穿，說明電纜存在故障，當降壓后絕緣自行恢復,這種故障稱之為電纜的閃絡性故障。而降壓后絕緣性能不可恢復的情況則為上述的泄漏性故障。 其中泄漏性故障可等效為一個電阻Rg，一般遠小于RJ，Rg數值有高有低，Rg高時稱為泄漏性高阻故障，Rg低時稱為泄漏性低阻故障，簡稱低阻故障（具體定義見后分析），當Rg=0時，稱之為短路故障（俗稱死接地）。實際中可通過表、M表或給電纜加直流電壓等方法來判知。 閃絡性故障可等效為一個小間隙，當給電纜加直流電壓，若UUs時，其

9、電阻值為RJ，若UmUUs時，絕緣電阻為零。在實際中一般通過M表判斷不出閃絡性故障的存在，只有通過給電纜加直流電壓才能發(fā)現。二. 按電纜的結構特性分類 分析電力電纜的結構組成，我們同時也知道電力電纜有最多三種結構形成：單芯電纜、三芯電纜、四芯電纜（主要是低壓電纜，其結構組成與圖1-d相同），因此有以下故障類型：1. 單相接地故障 電纜的其中一相對地絕緣層電導特性變壞，形成泄漏性故障，即此相對地絕緣層形成了固定的電阻通道，其電阻值或大或小或為零，這種故障其電纜導體是良好的。2. 單相故障 電纜的其中一相對地絕緣層電導特性變壞或擊穿特性變低，形成泄漏性或閃絡性故障。這種故障情況其電纜導體芯線和相間

10、絕緣是良好的。3. 相間故障 電纜中的兩相間或三（四）相間絕緣層電導特性變壞或擊穿特性變低，形成泄漏性或閃絡性故障。這種故障情況其電纜導體芯線和相對地絕緣是良好的。4. 相間并對地故障 電纜的兩相之間并對地或三相之間并對地形成泄漏性或閃絡性故障。5. 開路故障 電纜的一芯或多芯導體或者金屬屏蔽層完全斷線或似斷非斷的情況，我們稱之為開路故障。6. 混合性故障 電纜中同時存在兩種以上故障的情況而稱之為混合性故障。三. 按電纜故障發(fā)生的原因分類 分析電纜故障發(fā)生的原因，情況很多，而直接的原因總歸起來有三種情況，也即有三種故障類型：1. 運行故障 電力電纜在運行過程中發(fā)生故障，此類故障通常以單相或多相

11、并對地泄漏性故障較多。2. 預試故障 電力電纜在做預防性試驗時發(fā)生故障。由于規(guī)程上規(guī)定在現場電纜只做直流耐壓試驗。因此以往此類故障以閃絡性故障居多，也有泄漏性故障。如果以后現場電纜要做交流耐壓試驗，那么電纜故障的情況將會有所變化。3. 外力破壞形成故障 電力電纜由于人為破壞或自然因素破壞而形成的各種類型故障。四. 按電纜故障發(fā)生的部位分類 分析電纜的結構組成和整體線路情況，我們可把電纜故障按照下列形式分類：1. 主絕緣故障 電纜的導體芯線與地或金屬屏蔽層之間絕緣受損形成各種性質故障。一般來講，35KV及以下等級電纜，其絕大多數故障屬于此類故障。2. 護套故障 一般指電纜的金屬護套（層）或絕緣護

12、套受損形成的故障，實際中能夠發(fā)現的是金屬護套對大地之間絕緣護套的故障。此類故障以泄漏性故障居多。護套故障只有在66KV及以上高電壓等級電纜才涉及到。3. 本體故障 完整的輸電電纜由電纜本體和電纜接頭兩大部分組成。因此電纜的故障肯定發(fā)生在電纜本體和電纜接頭。電纜的本體可出現不同性質的故障。通常因產品質量和外因損壞為主要原因。4. 接頭故障 應用電纜供電，不論電纜長短，肯定存在終始端兩個接頭。對于長距離供電電纜或者當電纜出現故障修復后，電纜也肯定有連接頭，即中間接頭。通常電纜故障的相當一部分為接頭故障，其表現性質各不相同。但通常以多相并對地泄漏性高阻故障居多數。五. 按故障外表特性或人的直覺性分類

13、： 從電纜故障發(fā)生的外特性來分析，通常有兩種類型故障：1. 外露性故障 很顯然，通過人的眼睛觀察，可以直接發(fā)現故障點，如:電纜的外護層或絕緣層等有明顯的損壞現象。這種故障多數為單相或多相對地泄漏性故障。2. 封閉性故障 與外露性故障相比較，電纜的外表完整無缺，電纜的外護層及屏蔽無明顯的損壞痕跡，這也可以稱之為電纜的內傷。在過去，封閉性故障往往和閃絡性故障相聯系，更確切的講是一種故障兩種稱謂。因為過去油浸紙介質電纜比較多。閃絡性故障多以在做預試時發(fā)現，而電纜做預試的過程很短，電壓不足以把電纜外護層及鉛包損壞，因此而為封閉性。由于近幾年XLEP電纜的增多，它的物理特性與油浸紙電纜有所不同，往往泄漏

14、性甚至短路，其故障點仍然封閉。因此，我們不能把閃絡性故障和封閉性故障混為一談。六. 按電纜的耐壓等級分類 電力電纜按其耐壓等級分類，一般有以下幾種常規(guī)類型：1kV、3kV、6kV、10kV、35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV電纜，但分析各種等級電纜結構組成，就其共性而言，一般分為三大類：1. 低壓電纜故障 在這里我們把6kV以下的各種電力電纜故障叫做低壓電纜故障。實際中，低壓電纜故障以相對地（或金屬護套）、相間或相間并對地泄漏性故障為多數，開路故障也較常見。從外特性看，低壓電纜故障多表現為外露型故障。2. 中壓電纜故障 以6kV、10kV及35kV等級電纜為代表

15、的中壓電纜，在實際中使用的最多。因此中壓電纜故障是人們最關切的。此類電纜通常只考慮導體芯線，金屬屏蔽層，主絕緣層三種材料中發(fā)生的故障，經常出現以下幾種類型故障：開路故障、相對地、相間或相間并對地泄漏性故障、閃絡性故障。3. 高壓電纜故障 我們把35kV級以上的各種電纜稱為高壓電纜。近幾年高壓電纜在我國各地得到了較多的使用，分析其結構組成和總結各地使用情況，此類電纜故障通常有兩大類故障：3.1 導體芯線與主絕緣層所發(fā)生的故障：其故障類型及性質和中壓電纜故障情況相同。3.2 金屬護套與非金屬護套所發(fā)生的故障：其故障性質多以金屬護套對大地泄漏性故障較多。七. 按電纜損壞程度分類電力電纜出現故障后，其

16、損壞的嚴重程度差別比較大，我們這里從查找故障的角度出發(fā)進行分類：1. 單點故障 電力電纜出現故障是在電纜中的某一個點上，不管是單相對地，相間并對地,還是混合型故障。實際中電纜故障多數為單點故障。2. 多點故障 相對于單點故障，多點故障指的是同條電纜中有多個距測量端（終始端頭）不同距離的故障點。在實際中也常見到。3. 大面積或長距離故障 相對于電纜的點故障，大面積故障通常指的是電纜中的某一段絕緣層損壞，如常見的電纜中大面積受潮故障。4. 質量問題 這一點本來不屬于電纜故障分類范疇，但實際上在我國常常發(fā)現有些用戶電纜在使用很短一段時間后，出現整個電纜的主絕緣層電介強度下降，泄漏電流很大，表現為泄漏

17、性故障的情況。用戶在現場有時很難判別是故障點還是質量問題。八. 按故障的測量方法分類 電力電纜故障的測量方法比較多，這里我們以最常用的兩種電纜故障測量方法為依據對故障進行分類。1. 按電橋測量法分類 電橋法測電纜故障大家都比較熟悉，通常有三種電橋測量方法：低壓電橋法、高壓電橋法、電容電橋法，因此而把電纜故障分為三種類型故障：1.1 低阻故障：對應于低壓電橋法，凡能用低壓電橋法測量的一類相間或相對地故障，通常當相間或相對地電阻值小于10k時才能用此方法測量。因此而把電纜相間或相對地故障電阻小于10k的故障稱之為低阻故障。但阻值大于數百k，高壓電橋法測量是無能為力的。1.2 高阻故障：相對于低阻故

18、障，當電纜相間或相對地故障電纜值大于10k稱之為高阻故障，也對應于高壓電橋法。1.3 開路故障：對應于電容電橋法，一般指電纜的導體芯線出現斷線的情況。因此而看出，由于電橋法本身的測量原理決定了電橋法測電纜故障的局限性，所以，以電橋法對電纜故障分類帶有很大的局限性。2. 按行波反射理論分類 目前，電力電纜故障使用最多的粗測方法就是行波反射法，也叫脈沖反射法。由于脈沖反射法有兩種基本方法：低壓脈沖法和高壓脈沖法（通常所說的“閃絡法”），這樣便將電纜故障分為以下幾種類型故障。2.1 開路故障：包括導體芯線和金屬屏蔽層以及金屬外護套等斷線和似斷非斷故障。一般可采用低壓脈法沖進行測試。2.2 低阻故障：

19、若電纜的相間或相對地出現泄漏性故障，當其電阻值Rg小于某一數值RD而能用低壓脈沖法測量的一類故障。與電橋法的低阻故障不同，由于有以下幾個因素存在使得RD沒有一個確切的數值。 原因一：由于低壓脈沖法中的低壓二字很不確切，測量脈沖的幅值多少為低沒有嚴格的規(guī)定。一般來講，脈沖幅度越高，RD越大，反之亦然。也與儀器提供的脈沖寬度有關，脈寬越寬RD就越大，反之就越小。 原因二：RD的大小與提供的測量儀器靈敏度有關，一般來講，儀器的靈敏度越高RD就越大，反之RD就小。 原因三，與被測電纜結構或衰減程度有關，由于儀器提供的是高頻脈沖信號，在實際中，電信號通過輸電線路都會產生損耗，即有衰減現象，信號頻率越高衰

20、減越大，傳輸越遠衰減越大。由于電纜的粗細不同，所用絕緣材料不同及電纜的結構不同等，其衰減程度也不一樣。如10kV油浸紙和10kV XLPE電纜由于有非常好的金屬屏蔽層，信號衰減就很小，而同樣粗的1kV低壓電纜，由于沒有好的金屬屏蔽層，信號衰減非常大。因此，同樣的故障電阻值，在10kV電纜中就能測試出來故障反射，而1kV電纜就測不出。 原因四，與故障點和測量儀器的相對距離有關，由于電信號的衰減程度與輸電線纜的長度有關，所以，同一條電纜中的同一個故障點，儀器在距故障點較近的一端測量就可以測得出來，在距故障點較遠的另一端就測不出來。 原因五，與測量儀器與被測電纜的匹配情況有關。一些地方和相關資料上把

21、泄漏電阻Rg小于被測電纜的特性阻抗Zc稱之為低阻故障，這是個錯誤的概念，至少是片面的。電纜的特性阻抗指的是電纜傳輸微波信號或高頻脈沖信號時所表現的一種參數，只與電纜的幾何尺寸和絕緣介質有關，是個常量，一般在十幾列幾十歐姆。由理論與實踐證明，只有當電纜的泄漏故障在電纜的終端頭上而阻值小于電纜的特性阻抗的情況才叫低阻故障，實際中出現的概率很少。2.3 高阻故障：相對于低阻故障，凡不能用所提供儀器的低壓脈沖法測量的電纜絕緣損傷故障都叫做電纜的高阻故障。此類故障通常采用“高壓脈沖反射法”即“閃絡法”進行故障點測量，包括泄漏性高阻和閃絡性高阻兩種故障。九. 電纜故障成因 電力電纜出現故障，其形成原因比較

22、多，這里歸納如下幾種情況：1. 電纜生產質量問題 在我國，常用的中低壓電纜其生產技術是非常成熟的，因此電纜的產品質量問題不存在設計及工藝問題，主要是生產管理和市場管理問題。如一10kV運行的XLPE電纜，出現故障才發(fā)現電纜中的銅屏蔽層不連續(xù)，甚至嚴重到了有一段電纜沒有銅屏蔽層。由于市場競爭激烈，出現一些生產的XLPE成品電纜競沒有半導電層，導體芯線易扭斷等難已想象的質量問題。2. 電纜施工質量問題 電纜在安裝施工過程中，沒有嚴格按照有關電纜的安裝要求施工，如電纜的扭曲，打折等。3. 電纜接頭的制做問題 電纜的接頭附件質量問題是一個方面，主要還是接頭的制做質量問題。如XLPE電纜接頭，有些單位連

23、屏蔽層都不加，有的雖然有屏蔽層，但接頭兩邊連接不好等。因此在一些單位，電纜故障中100%為接頭處故障。4. 電纜的管理問題 如一些單位讓電纜長期過負荷運行，電纜路徑與熱力管道交叉，長期工作在有腐蝕性的環(huán)境中（如浸在有腐蝕性的酸或堿性水中）等，這些都有可能造成電纜的絕緣老化，形成各種故障。又如電纜受外力破壞，直接形成各種故障和造成故障隱患等。一. 電力電纜故障的判別方法 如上較詳細地分析了電力電纜的故障分類，在本節(jié)，我們從用戶管理的角度講述電力電纜故障的判別方法。以供參考：分析故障類型，總結如下：1. 開路故障對于單芯電纜，在終端將芯線與金屬屏蔽層短接，在始端用表，(三用表)測量A到屏蔽層的電阻

24、值，RA應稍大于 RO = L/S（）,一般應滿足 RA2RO 條件。若RA= , 為開路故障；若RA 2R0為似斷非斷故障。a 單芯電纜 b三芯電纜 對于三芯電纜，若電纜有金屬屏蔽層，在終端將三相與金屬屏蔽層短接，用表在始端分別測量三相到屏蔽層以及三相間的電阻值，三相電阻應基本平衡且應滿足RA.B.C2R0條件.若RAC、RBC、RAC任意兩組數據與RA、RB、RB任意一組數據中的電阻值為或較大時，可判斷為開路故障。若電纜無金屬屏蔽層，可不測量相對地電阻應測量相間電阻。應注意在判別時盡可能不要用M表。另外一種判別方法就是應用低壓脈沖法測量。通過用脈沖法測量電纜的相對長度及脈沖反射波形來判斷電纜是否存