電力電纜專題講座

1、電力電纜專題講座一、 概述二、 電力電纜的分類三、 交聯(lián)聚乙烯電纜四、 電纜的載流量五、 電纜附件六、 電纜的老化七、 電纜故障測距一、電力電纜在電力系統(tǒng)中的作用110kV及以上：輸電系統(tǒng)35kV及以下：配電系統(tǒng)（1） 架空線路裸線（鋼芯鋁絞線），鐵塔，避雷線，接地，絕緣子，（2） 電纜線路導(dǎo)體，絕緣層，保護(hù)覆蓋層；受氣候影響小，安全耐用， 基本結(jié)構(gòu)：（1） 導(dǎo)電線芯（銅和鋁線長度、電阻相等時(shí)，鋁線重量為銅線的一半左右）多股導(dǎo)線扭絞而成便于運(yùn)輸和輻射，需要彎曲（2） 電纜護(hù)層目的：為防止水分等侵入絕緣層。材料：鉛包（柔軟，耐腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度低，稀缺金屬）或鋁包護(hù)套。加強(qiáng)：鋼帶或鋼絲鎧裝，裝在金屬

2、護(hù)套外。防腐場所：鎧裝外裝外護(hù)層（3） 絕緣介質(zhì)35kV及以下，常用粘性浸漬的油紙絕緣、橡皮絕緣、塑料（聚氯乙烯、聚乙烯）絕緣；更高電壓，多用充油、鋼管油壓或充氣電纜。二、電力電纜的分類紙絕緣電纜1、粘性絕緣電纜2、充油電纜（1）自容式充油電纜（2） 鋼管充油電纜（3） 充氣電纜（三）電力電纜的許用場強(qiáng)1、電場分布2、許用場強(qiáng)的選取二、 電纜附件（一） 電纜終端電場分布（二） 連接接頭盒的典型結(jié)構(gòu)1、 油浸紙絕緣電纜 電壓較低的粘性浸質(zhì)紙絕緣電纜導(dǎo)電線芯是通過連接套、采用焊接(錫焊)或壓接的方法將線芯連接。對高壓的充油電纜，線芯的連接不僅要保證電氣連通，而且要保證油流的暢通無阻。一般方法是在線

3、芯中心泊道中墊以鋼管，線芯外套以連接套，采用冷焊壓接將線芯連接起來，而不允許用焊接或鍛接，以防止對油的污染和造成老化。靠近連接端的電纜絕緣(工廠絕緣)一般切削成階梯或錐形面(反應(yīng)力錐)，然后包纏填充絕緣至與電纜絕線外徑相同，再在其外包繞增繞絕緣。增繞絕緣兩端形成應(yīng)力錐而。應(yīng)力錐面和反應(yīng)力錐面均按使其表面的切向場強(qiáng)為一常數(shù)(或小于一常數(shù))設(shè)計(jì)的。兩根相接的電纜的屏蔽用經(jīng)過應(yīng)力錐及增統(tǒng)絕線表面上包紹的導(dǎo)體(如鉛絲)完全連接起來形成等位而。整個(gè)裝置與壓力供油箱連通，保證油的供給和循環(huán)粘性浸漬紙絕線電纜的連接盒內(nèi)應(yīng)淄滿電纜膠。圖83為充油電纜普通連接接頭盒。 為了減小金屬護(hù)套損耗，長電纜線路各相電纜的

4、金屑護(hù)套需交叉換位互聯(lián)接地這時(shí)電纜的連接須用絕織接頭盒。其內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)尺寸和普通接頭相同，但增繞絕緣外纏繞的半導(dǎo)體紙和金屬接地層都要在接頭中間斷開、不能連續(xù)。接頭的外殼銅管中間部分用環(huán)氧樹脂絕緣片或瓷質(zhì)絕緣墊片隔開，使電纜的金屬屏蔽層(金屬護(hù)套)在軸向絕線。 為了防止電纜故陳漏油擴(kuò)大到整個(gè)電纜線路，并分陰電纜線路油壓，使各段電纜內(nèi)部壓力不超過允許值及減少暫態(tài)油壓的變化，往往采用塞止式連接盒。其只作電纜的電氣連接，將被連接的電纜油道隔開，使泊流互不相通。其結(jié)構(gòu)分單室式和雙室式兩種。它們是用個(gè)(單室)和兩個(gè)(雙室)環(huán)氧樹脂套管(或瓷套管)將被連接的兩根電纜的油流分開。如圖84為一雙室式塞止式連接盒結(jié)

5、構(gòu)田。2橡塑絕緣電纜連接盒 橡塑絕緣電力電統(tǒng)一般沒有金屬護(hù)套和浸漬劑故只需用普通連接盒將電纜各制造長度連接起來。過去按照制造工藝分為繞包帶型，模塑型和壓力澆鑄型等類型。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，目前橡塑絕緣電纜的附件裝置主要以預(yù)制式為主。對35kv及以下的電纜，導(dǎo)電線芯連接以后，在原有工廠絕緣的上面套一熱縮材料制成的應(yīng)力管，然后再做其他部分的連接處理。熱縮應(yīng)力管，是由聚乙烯料加入一定的配合劑，經(jīng)輻照交聯(lián)后制成。這種管材具有“記憶”效應(yīng)，即按預(yù)定尺寸制成后經(jīng)冷擴(kuò)工藝過程，然后安裝在接頭處，再予以加熱瞥材臺(tái)自動(dòng)收縮到原先的尺才，應(yīng)力管便牢牢地套在工廠絕緣上。對于高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電線的連接盒，目前主

6、要是在金屑屏蔽層邊緣的電場集中處安裝以預(yù)制成型的應(yīng)力錐。應(yīng)力錐的類型和結(jié)構(gòu)尺寸如圖85。五、電纜的故障測距（一）電纜故障原因（1）絕緣破壞：特別是塑料絕緣電力電纜，由于樹枝狀放電，降解破壞。絕緣在長期電場作用下，就臺(tái)發(fā)生樹枝化放電，使絕緣降解破壞，造成員穿擊穿。由于絕緣層的介質(zhì)損耗和錢芯護(hù)層損耗，可能造成電紉過熱，進(jìn)而加速了絕緣層老化。電纜密封不嚴(yán)，絕緣層進(jìn)入水分而變城，電纜過負(fù)荷或散熱不良，安裝于電纜密集地區(qū)、電線溝及電纜隧道等通風(fēng)不良處的電纜，穿在干燥管中的電纜以及與熱力管道接近的電纜，都會(huì)因過熱而使絕線加速損壞。（2） 機(jī)械損傷：1)直接受外力作用造成的破壞。2)敷設(shè)過程造成損壞。3)自

7、然力造成損壞。（3） 護(hù)層腐蝕。（4） 過電壓（電應(yīng)力）。（5） 材料缺陷。（6） 中間接頭和終端頭的設(shè)計(jì)和制作工藝問題 中間接頭和終端頭的設(shè)計(jì)不周密，選用材料不當(dāng)，電場分布考慮不合理，機(jī)械強(qiáng)度和裕度不夠等是設(shè)計(jì)的主要弊病。另外中間接頭和終端頭的制作工藝要求不嚴(yán)，不技工藝規(guī)程的要求進(jìn)行，使電纜頭的故障增多，例如封鉛不嚴(yán)，導(dǎo)線連接不牢，芯線彎曲過度，使用的絕緣材料有潮氣，絕緣劑未溜滿造成盒內(nèi)有空氣隙等。（二）故障分類(1)低阻接地或短路故陷(2)高阻接地或短路故陷(3)斷線故障 電纜各芯絕線良好，但有一芯或數(shù)芯導(dǎo)體不連續(xù)o (4)斷線并接地故障 電纜有一芯或數(shù)芯導(dǎo)體不連續(xù)，而且經(jīng)電阻接地。 (5

8、)閃絡(luò)性故陳 這類故障大多在預(yù)防性耐壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生，并多出現(xiàn)于電纜中間接頭或終端頭內(nèi)。發(fā)生這類故降時(shí)，故障現(xiàn)象不一定相同。有時(shí)在接近所要求的試驗(yàn)電壓時(shí)擊穿，然后又恢復(fù)有時(shí)會(huì)連續(xù)擊穿但頻率不穩(wěn)定，間隔時(shí)間數(shù)秒至數(shù)分鐘不等。（三） 故障測距方法低壓脈沖法高壓脈沖法沖擊閃絡(luò)法交聯(lián)聚乙烯電纜的特性由聚乙烯(PE)加入交聯(lián)劑擠出成形后，經(jīng)過化學(xué)或物理方法交聯(lián)成交聯(lián)聚乙烯。聚乙烯絕緣雖具有優(yōu)良的電氣性能，但屑于熱塑性材料，即省熱可塑性，當(dāng)電纜通過較大的電流時(shí)，絕緣就會(huì)熔融變形，這是由聚乙烯的分子結(jié)構(gòu)所決定的。聚乙烯的分子結(jié)構(gòu)是呈宣鏈狀而交聯(lián)聚乙烯是聚乙烯分子問交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善了聚乙烯的耐熱變形性能

9、、耐老化性能和機(jī)械性能(如固l1所示)。 聚乙烯交聯(lián)的物理方法是輻射法，用高能電子射線照射，去除聚乙烯分子中的氫原子，使碳一碳鏈合，分子間進(jìn)行交聯(lián)。這種方法加工性能和經(jīng)濟(jì)性都不如化學(xué)交聯(lián)。聚乙烯的化學(xué)交聯(lián)是在聚乙烯中加入少量的有機(jī)過氧化物，常用的是過氧化二異丙苯，借助于過氧化物受熱分解，產(chǎn)生游離基，游離基能與聚乙烯中的氫原子結(jié)合、失去氫原子的聚乙烯分子間就聯(lián)合起來，變成交聯(lián)聚乙烯(如圖12所示)。交聯(lián)聚乙烯電纜與油紙電纜相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造周期短，工作溫度高，無油，敷設(shè)高差不限，運(yùn)行可靠，質(zhì)員輕，安裝、維護(hù)簡單和輸電損耗小等優(yōu)點(diǎn)。由十耐熱性和機(jī)械性陀好，傳暢容量大，不僅適用于中低壓，而且還

10、可以應(yīng)用到高壓和超高壓系統(tǒng)中。表11列出了交聯(lián)聚乙烯絕緣與其它絕緣的性能比較，也充分地證明了交聯(lián)聚乙烯絕緣是一種優(yōu)良的絕緣材料。所以交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜不僅在中低壓范圍內(nèi)能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油紙絕緣電纜，而且在高壓或超高樂等級上可與自容式充油電纜相競爭。交聯(lián)聚乙烯電纜的老化一、電氣方面 (一)游離放電者化 這是在絕絳層與屏蔽層的空隙產(chǎn)生游離放電，而使絕緣受到侵蝕所造成的絕緣老化現(xiàn)象。不過在正常相電壓下，游離放電一般不會(huì)發(fā)生，而僅在電纜內(nèi)部有缺陷時(shí)才合成為問題。(二樹老化所謂樹，主要有電樹、水樹兩種。電樹是在局部高電場(絕緣與內(nèi)半導(dǎo)電層的界面等)作用下，某些缺陷在絕緣層中呈現(xiàn)樹枝狀伸展，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

11、水樹的形成與敷設(shè)環(huán)境有關(guān)，在有水分和電場共存的狀態(tài)下，可分為從導(dǎo)體的內(nèi)半導(dǎo)電層上產(chǎn)生的內(nèi)導(dǎo)水樹、從絕緣的外半導(dǎo)電層產(chǎn)生的外導(dǎo)水樹、從絕緣層中空隙等產(chǎn)生的蝴壤結(jié)形水樹3類。特別是從內(nèi)半導(dǎo)電層上產(chǎn)生的內(nèi)導(dǎo)水樹，將使電纜購絕緣強(qiáng)度大幅度地降低。 二、化學(xué)方面 化學(xué)老化是由于敷設(shè)環(huán)境所引起的，如把電纜敷設(shè)在臺(tái)有石油化學(xué)物質(zhì)的地下而造成聚氯乙烯護(hù)套產(chǎn)生膨脹。有一種稱為硫化的老化現(xiàn)象，對電纜絕緣影響最大。由于硫化物(硫化氫等)透過護(hù)套及絕緣層與電纜的銅導(dǎo)體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫化銅和氧化銅等物質(zhì)，這些物質(zhì)在絕緣層中從內(nèi)導(dǎo)一例向護(hù)套一例呈樹枝狀伸展，如同水樹一樣，這種老化現(xiàn)象統(tǒng)稱為化學(xué)樹。此外，還有物理物理老

12、化、機(jī)械老化以及生物侵蝕造成的老化。一、水樹的形成與發(fā)展 如前節(jié)所述，水樹就是交聯(lián)聚乙烯電纜在進(jìn)水的情況下，出于電場的作用，使絕緣體內(nèi)形成樹枝的現(xiàn)象。迄今為止，這方面還在繼續(xù)進(jìn)行大量的研究工作，目前已弄清楚納現(xiàn)象有： (1)在水和電場同時(shí)存在的條件下發(fā)生水樹。 (2)水樹是由直徑為數(shù)微米的水填滿的空隙群所組成的。 (3)即使在比較低的電場下也能發(fā)生水樹。 (4)絕緣中的雜質(zhì)、半導(dǎo)電層的缺陷、空隙等高電場處，是水樹引發(fā)的起點(diǎn)。 (5)水樹在直流電壓作用下難于產(chǎn)生，但在交流電壓作用下較易產(chǎn)生，高頻電壓也能促進(jìn)水樹的發(fā)生。 (6)在高溫水中(例如導(dǎo)體浸水)水樹較易發(fā)生而且也容易延伸。 (7)水樹在形

13、成過程中，由于放電而觀察不到脈沖現(xiàn)象。 (8)發(fā)生水樹的部位，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。國內(nèi)西安交通大學(xué)和武漢高壓研究所對交聯(lián)攝乙烯電線樹老化初步研究結(jié)果，也認(rèn)定樹老化是導(dǎo)致絕緣最后發(fā)生擊穿的主要原因。通過大量人工加速老化試驗(yàn)表明，與國外研究結(jié)果基本相同t可將樹枝分成3類：第一類稱為電樹枝其特點(diǎn)是樹枝放電是從材料不連續(xù)點(diǎn)或界面引發(fā)出來的，樹枝管連續(xù)，內(nèi)空而沒有水分，管壁上有交聯(lián)聚乙烯因放電而分解產(chǎn)生的碳粒痕跡，分技少而清晰，如圖58(a)所示。第二類稱為電化枝校，它的產(chǎn)生原因基本上與電樹枝相同，只國內(nèi)西安交通大學(xué)和武漢高壓研究所對交聯(lián)攝乙烯電線樹老化初步研究結(jié)果，也認(rèn)定樹老化是導(dǎo)致絕緣最后發(fā)生擊穿的主要

14、原因。通過大量人工加速老化試驗(yàn)表明，與國外研究結(jié)果基本相同t可將樹枝分成3類：第一類稱為電樹枝其特點(diǎn)是樹枝放電是從材料不連續(xù)點(diǎn)或界面引發(fā)出來的，樹枝管連續(xù)，內(nèi)空而沒有水分，管壁上有交聯(lián)聚乙烯因放電而分解產(chǎn)生的碳粒痕跡，分技少而清晰，如圖58(a)所示。第二類稱為電化枝校，它的產(chǎn)生原因基本上與電樹枝相同，只不過在空隙中滲進(jìn)了其他化學(xué)溶液，當(dāng)導(dǎo)體材料起化學(xué)反應(yīng)，其生成物(如亞硫酸錫、硫化物溶掖等)在電場作用下蔓延伸入絕緣層形成樹枝狀物，稱為電化樹枝。這種樹枝呈棕褐色，它在比形成電樹枝低很多的場強(qiáng)下即可產(chǎn)生，如圖58(b)所示。第三類稱為水樹枝，它是由水分侵入交聯(lián)絕繞層中，在電場作用下形成的樹枝狀物

15、。它的特點(diǎn)是引發(fā)樹枝的空晾中有水分，也是在比引發(fā)電樹枝低得多的電場強(qiáng)度下即可發(fā)生。樹枝管有的大體不連續(xù)，內(nèi)聚凝有水分，主干樹枝較鈕，分枝多而且密集，如圖58(c)所示。第一節(jié) 油浸紙絕緣電力電纜油浸紙絕緣電纜自1890年問世以來，已有一百多年的悠久歷史，其系列與規(guī)格最完善已廣泛應(yīng)用于330kV及以下電壓等級的輸配電線路中，并已研制出500一70Gkv的超高壓電纜。這種電纜的特點(diǎn)是：耐電強(qiáng)度高，介電性能穩(wěn)定；壽命較長；熱穩(wěn)定性好；載流量大；材料資源豐富；價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是；不適于高落差敷設(shè)；制造工藝較為復(fù)雜；生產(chǎn)周期長；電纜頭制作技術(shù)比較復(fù)雜等。10kV及以下：三芯統(tǒng)包型10kV及以上：屏蔽型或分

16、相鉛包型兩者tH比，分相屏蔽型電纜結(jié)構(gòu)緊湊外徑小，可節(jié)省金屬護(hù)套利外擴(kuò)層材料。分相鉛(鋁)包電纜電氣性能穩(wěn)定，世外徑大重量較大G這兩種徑向型電纜在結(jié)構(gòu)上各將特點(diǎn)，與非徑向的統(tǒng)包型電纜比較，雖然價(jià)格較貴，但具有兩個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：其一是，電纜線芯用園電場均勻，沒有絕緣表面的切向應(yīng)J，絕緣性能較好。適用于較高電壓竿級的電線；其二是，單相故障不易轉(zhuǎn)化為相間故障，使畢修更快、史方便。 二、塑料電纜的屏蔽技術(shù) 塑料電纜的電氣性能與其絕緣結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。影響塑料電力電纜運(yùn)行壽命的樹枝放電和局部放電都與屏蔽結(jié)構(gòu)、屏蔽性能的好壞有直接的關(guān)系。所以說，屏蔽結(jié)構(gòu)與屏蔽性能的奸壞直接影響高壓塑料電力電纜的運(yùn)行壽命： 塑料

17、絕緣電力電纜的屏蔽包括內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽、防發(fā)射屏蔽、外半導(dǎo)電屏蔽祁絕緣外舍屬薄帶屏蔽，現(xiàn)分述如下。 (一)內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層 電力電纜絕緣層內(nèi)側(cè)(即導(dǎo)電線芯表面用是：(1)消除導(dǎo)電線芯表面的氣隙，提高耐局部放電、樹枝放電的能力、(2)均勻?qū)щ娋€芯表面電場，減少因?qū)?5效府所增加的導(dǎo)體表面最大場強(qiáng)。低導(dǎo)絲表面電場強(qiáng)度的20一30。 (3)抑制樹枝的引發(fā)。當(dāng)導(dǎo)體表面金屬毛刺直接刺人絕緣層時(shí)肘會(huì)引發(fā)電樹枝。內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽特有效地減弱毛刺附近的電場強(qiáng)度提高耐樹枝放電的特性。尖刺高場強(qiáng)的場致發(fā)減少場致發(fā)射，從而 (4)熱屏蔽作用。當(dāng)電纜溫度突然升高(線芯發(fā)熱)時(shí)，有了半導(dǎo)電腥的隔離，高溫不會(huì)立即沖擊到絕緣層，在定

18、程度上降低丁絕緣的溫升，保護(hù)主絕緣，蚊有熱屏障作用。從“IEc20A29，t文件中對策乙烯電纜的規(guī)定可以看出，用合適的半導(dǎo)電材料屏蔽后，其最大額定短路溫度可出130 C提高到150 C。 般地，半導(dǎo)電屏蔽材料的電阻率為：rJ10，n Ym。 (二)防發(fā)射屏蔽層 塑料電纜向高壓等級發(fā)展，面臨著局部高場強(qiáng)區(qū)域場致發(fā)射電子，引發(fā)電樹枝而絕緣擊穿的重大技術(shù)問題。國內(nèi)外不少電纜技術(shù)專家正致力于高壓塑料電纜絕緣結(jié)構(gòu)中界面引發(fā)電樹枝性能的研究。防發(fā)射屏蔽是這種研究中的一項(xiàng)專利技術(shù)，是目前研究復(fù)合介質(zhì)抑制界面電樹枝在電纜中應(yīng)用的一項(xiàng)重要成果。這對于110kV以上高厭塑料電力電線具有1分重要的意義。 防發(fā)射屏蔽

19、層能有效地防止絕緣層中電場畸變導(dǎo)致電子的發(fā)射，控制電樹枝的引發(fā)。 電纜絕緣層中電場分布的均勻性與絕緣材料的介質(zhì)常數(shù)s、絕緣結(jié)構(gòu)巾介電常數(shù)的分布情況有很大關(guān)系。特別是高壓塑料電力電纜出現(xiàn)了不可缺少的內(nèi)、外半導(dǎo)電屏蔽層后，父帶來了新的問題如果半導(dǎo)電界面不平整，半導(dǎo)電層有尖凸物、半導(dǎo)電層有凹陷、五分階式絕緣(接頭部位多采用分階絕緣)、復(fù)合絕緣界面有缺陷，都將嚴(yán)重惡化絕緣層中電場的均勻性“水樹枝的種類很多，對電纜的危害也很大。但是，水樹枝具有消失和重現(xiàn)的特點(diǎn)。有的水樹枝受熱、干燥、抽真空等會(huì)消失形態(tài)，浸入熱水中又會(huì)重現(xiàn)，水樹枝消失時(shí)表明管道發(fā)生閉合，材料細(xì)微龜裂后又回彈，但未使結(jié)構(gòu)分解。在實(shí)際電細(xì)中，干法制造的交聯(lián)聚乙烯電纜構(gòu)B少發(fā)現(xiàn)水樹枝，而濕法制造的交聯(lián)聚乙烯電纜中卻常常見到水樹枝。幾種常見的水樹枝如圖1·24所示。對電纜型號的選擇，府在滿足電纜敷設(shè)場合技術(shù)要求的前提下，兼顧我國電纜工業(yè)發(fā)展的技術(shù)政策，即：線芯以鋁代銅、絕緣層以棕翅代油浸紙、金屬護(hù)套以鋁代鉛以及征外護(hù)層上發(fā)展棕塑護(hù)套或組合護(hù)套等。綜合以上諸多用素，電力電纜選擇的一般