电力电缆及附件基础知识

第一章电力电缆的基本结构一、电力电缆的基本类型1、按绝缘材料分类：1.1油浸纸绝缘电缆：黏性油浸纸绝缘电缆，不滴流油浸纸绝缘电缆；1.2挤包绝缘电力电缆：交联聚乙烯绝缘电缆，聚氯乙烯、聚乙烯（PVC）绝缘电缆，橡胶绝缘电缆；2、按电压等级分类1kV及以下低压电缆、6-35kV中压电缆（6kV、10kV、20kV、35kV）、66-220kV高压电缆(66kV、110kV、138kV、220kV)、500kV及以上超高压电缆。二、电缆结构组成及作用本处以交联聚乙烯绝缘电缆为例。1、导体（分紧压与非紧压型）导体是提供负荷电流的通路。由于电流通过导体时因导体存在电阻而会产生热，因此要根据输送电流量选择合适的导体，其直流电阻应符合规定值，以满足电缆运行时的热稳定要求。导体是电缆工作时的高压电极，而且其表面电场强度最大，如果局部有毛刺则该处的电场强度会更大。紧压型线芯作用：a、使外表面光滑，避免引起电场集中；b、防止挤塑半导电屏蔽层时半导电料进入线芯；c、可有效地防止水分顺线芯进入。品牌：长缆电工科技股份有限公司询价：黄经理138735805002、内半导电屏蔽层内半导电屏蔽层是中高压电缆采用的一项改善金属电极表面电场分布的重要技术措施。a、屏蔽层代替导体形成了光滑圆整的表面，大大改善了导体表面电场分布，具有均匀电场和降底导体表面场强的作用；b、提高了电缆局部放电的起始放电电压，减少局放的可能性；c、抑制电树枝生长；d、热屏障作用。3、绝缘层绝缘是将高压电极与地电极可靠隔离的关键结构。a、承受工作电压及各种过电压长期作用，因此其耐电强度与长期稳定性能是保证整个电缆完成输电任务的最重要部分；b、能耐受发热导体的热作用而保持应有的耐电强度。电缆技术的进步主要是由绝缘技术的进步所决定，从生产到运行，绝大部分试验测量项目都是针对监测绝缘的各种性能为目的的。作为近年来广泛使用的交联聚乙烯绝缘（XLPE），它的主要优点是：a、优良的电气性能：耐电强度高（工频击穿强度20～30kV/mm，介损小（tgδ≤0.0005）,介电常数小（2.3～2.5）；（注：空气的工频击穿强度为1.7—2.1kV/mm，也是局部放电起始场强）b、耐热性能好（连续工作温度90℃），因而载流量较大；c、不受落差限制。因而，交联聚乙烯绝缘电缆对于超高压长距离输电非常有利。但交联聚乙烯绝缘（XLPE）也有明显的缺点：a、受杂质和气隙及水份的影响很大，在这些缺陷处易产生局部电场集中，发生局部放电，造成不可恢复的永久性损坏；b、热膨胀系数大，热机械应力效应严重。所以，交联电缆的生产特别强调纯净，尤其是高压超高压电缆的质量更是由材料的纯净度决定的。对于交联电缆附件，除了结构设计正确合理外，最重要的问题也是清洁问题，尤其是附件所涉及绝缘界面往往是电场易变的地方，一但有杂质、气隙等，其绝缘性能会显著下降。4、绝缘屏蔽层（也称外半导电层）：保证能与绝缘层紧密接触，克服了绝缘层与金属屏蔽层无法紧密接触而产生气隙的弱点，能把气隙屏蔽在工作场强之外，在附件制作中也普遍采用这一技术。5、金属屏蔽层：a、形成工作电场的低压电极，当局部有毛刺时也会形成电场强度很大的情况，因此也要力图使金属表面尽量做到光滑完整无毛刺；b、提供电容电流及故障电流的通路，因此也有一定的截面要求。6、内护层（仅中低压电缆）主要起密封保护作用7、金属铠装层（仅中低压电缆，高压电缆中即为金属屏蔽层）主要起机械保护作用，使电缆能承受一定的外力作用。8、外护层起密封保护作用，针对各种环境使用条件设计有相应的护层结构，如防火、防腐蚀、防生物等，可根据各种需要选择。第二章电缆附件一、电缆附件的分类1、按安装位置分类：终端：户外、户内接头：直通接头、绝缘接头、分支接头2、按安装方式和使用材料分：绕包式发浇注式展热缩式趋预制式势冷缩式二、电缆附件的电应力控制电应力控制是电力电缆附件设计中极重要的部分，是对电力电缆附件里电场分布和电场强度进行控制，使电场分布和电场强度处于最佳状态，从而保证电力电缆及附件运行的可靠性和使用寿命。为了分析电缆附件电场情况，通常用电力线及等位线（等电位线）来形象化的表示电场分布状况。（1）电力线与等位线直角相交（正交）；（2）用电力线分析电场时，集中的部位电场强度高；（3）用等位线分析电场时，曲率半径愈小的地方场强越高。对终端来说：电缆畸变最严重处为外屏蔽断开处；对接头来说：除外屏蔽断开处，还有电力电缆绝缘末端切断处。为了改善电力电缆绝缘屏蔽层切断处的电应力分布，一般采用:a.几何型电应力控制法：采用应力锥缓解电场应力集中。b.参数型电应力控制法：采用高介电常数材料或非线性电阻材料缓解电场应力集中。1、几何型电应力控制方法(应力锥):几何型电应力控制方法就是改变电场集中处的几何形状，降低该处的场强。1.1、终端电场分布1.2、接头电场分布应力锥的曲线曲率，及屏蔽套的两端口曲率半径直接影响到电场分布。2、参数型电应力控制方法:其原理是采用合适的电气参数的材料复合在电力电缆末端屏蔽切断处的绝缘表面上，以改变绝缘表面的电位分布，从而达到改善电场的目的。目前应力控制材料的产品已有热缩应力管、冷缩应力管、应力控制带等等，一般这些应力控制材料的介电常数ε都大于20，体积电阻率为108～1012Ω·cm。（a）没有应力控制管（b）装有应力控制管应力控制材料的应用，要兼顾应力控制和体积电阻两项技术要求。虽然在理论上介电常数是越高越好，但是介电常数过大引起的电容电流也会产生热量，促使应力控制材料老化。同时应力控制材料作为一种高分子材料，老化后的应力控制材料的体积电阻率会发生很大的变化，体积电阻率变大，应力控制材料成了绝缘材料，起不到改善电场的作用，体积电阻率变小，应力控制材料成了导电材料，使电缆出现故障。这就是应用应力控制材料改善电场的热缩式电缆附件为什么只能用于中压电力电缆线路和热缩式电缆附件经常出现故障的原因所在，同样采用冷缩应力管和应力控制带的电缆附件也有类似问题。三、电缆附件的界面特性XLPE绝缘电缆，由于其绝缘材料的特殊性能，使这种电缆的绝缘强度很高，在一般情况下，本体主绝缘击穿的可能性很小，同时配合交联聚乙烯的电缆附件，不论是什么形式（如热缩、预制、冷缩等）都是用很好的绝缘材料制成，附件本身的绝缘不成问题，所以关键要解决电缆绝缘本体和附件之间的界面问题。尽管我们设计附件时采用了适当的裕度，保证一般电缆使用中不会出现问题，但由于电缆制造工艺的千差万变，使得同一截面的电缆绝缘外径相差非常大，例如：8.7/１０kV240mm2XLPE电缆标称绝缘外径应为φ21.5mm，而目前大多数电缆为φ19.2mm，这就带来了预制电缆附件的安装困难。四、终端外绝缘设计4.1终端外绝缘的材料电缆终端外绝缘材料主要分为两种：无机材料和有机材料；无机材料主要有瓷、玻璃等；有机材料主要有橡胶、环氧树脂、交联聚乙烯等。对材料有以下几点要求：优良的电气绝缘性能；优良的老化性能；优良的耐污秽性能；优良的增水性能。4.2终端外绝缘的结构终端外绝缘有三个要素必须计算，这就是干闪距离、湿闪距离和泄漏距离（爬距）。这三个参数对外绝缘将产生不同的影响。对于一种附件，只有取三个参数计算出的最大绝缘距离，才能保证整个运行时的安全。干闪距离：干燥状态下，因升高电压而产生放电的途径；湿闪距离：淋雨状态下，因升高电压而产生放电的途径；泄漏距离（爬电距离）：从高压端到接地端之间沿绝缘表面拉伸的长度或距离；4.2.1干闪距离干闪距离是指上金属电极至下金属电极间的最短直线距离。例如，我国电缆运行规程规定：10kV户内电缆终端金具与地和其它相的最小距离不得小于125mm，这就是指最小干闪距离，因为在户内不存在污闪和湿闪问题。现在很多10kV附件，虽然主绝缘露出长度都小于这一数值，但由于在安装工艺中，将接线端子和接地线的一部分金属绝缘起来，从而延长了主绝缘，使得总长度仍然大于125mm，对于户外10kV附件，一般干闪距离应大于250mm。如图所示，终端外绝缘长度L=a+c+d或L=0.32（U干–14）,式中U干为干放电电压，kV。4.2.2湿闪距离湿闪距离是指当雨水以45°角淋在附件上时，附件上仍存在的干区长度，如右上图所示，a+b等的组合。湿闪电压一般为干闪的70％~80％。当正常运行时，在电压一定的情况下，一般附件设计主要以湿闪为依据，如果能满足湿闪要求，干闪基本可以说没有问题，当然这不包括其它金属物接近附件引起的闪络。如上图中所示：湿闪距离=n×b(cm)式中n为裙边数。4.2.3泄漏距离泄漏距离又称爬电距离、污闪距离，是指附件外绝缘从上金具至下接地部位全部绝缘表面距离。这是由于污秽是均匀附着于附件绝缘表面上的，当有潮湿空气将其湿润时，就发生导电现象，以至闪络。电力工业部划分了污秽等级，由于我国环境污染严重，因此附件污闪距离一般取四级污秽等级为好，也就是取3.1cm/kV；对于户内一般取三级，即2.5cm/kV。例如，10kV户外污闪距离一般应大于31mm/kV×12kV=372mm。110kV户外污闪距离一般应大于31mm/kV×126kV=3906mm。泄漏比距=泄漏距离/额定电压（cm/kV）五、安全净距安全净距是指无论在正常最高工作电压或出现内部、外部过电压时，不致使空气间隙击穿的最小距离。室内、室外配电装置的安全净距注：表中110、220KV的安全净距是中性点直接接地系统的规定值六、电力电缆附件标准与试验6.1电缆附件的设计与生产应遵循相关的国际标准、国家标准及行业标准。a.中低压附件标准：IEC60502，GB12706，JB8144（原GB11033）b.高压附件标准：IEC60840，IEC60859，IEC62067，GB11017，GB18890c.金具标准：GB14315运行电压（KV）0.4610203560110220室内相～相201001251803005509002000带电部位～地8501800室外相～相7020020030040065010002000带电部位～地90018006.2主要试验：分型式试验、抽样试验、出厂试验和交接试验等a.1min工频：检验附件的内在质量水平；b.局部放电：检验附件材料内部是否存在气泡；c.循环试验：考核附件材料老化水平；d.冲击试验：考核耐受过电压的能力；e.直流耐压：考核经以上试验后的绝缘水平；f.盐雾试验（潮湿试验）：检验附件外绝缘耐污秽水平g.密封试验：考核附件的防水防潮水平；h.机械性能试验：考核附件承受外力，内部热胀压力及电动力的能力七、几种典型的高压电缆附件结构介绍7.1110kV瓷套式户外终端结构特点：1、瓷套式户外终端主要由接线柱、应力锥、应力锥罩、瓷套和尾管等零部件组成。2、瓷套采用高强度的无机材料电瓷制成，外形为大小伞裙结构、呈锥形，具有很好的防污闪特性、耐气候性、抗漏痕、电蚀能力和憎水性能。3、瓷套内填充绝缘剂，并采用进口密封圈，更增强了绝缘性能和密封性能。4、应力锥采用进口的橡胶材料注橡成型，并采用弹簧锥托顶紧，克服了应力锥由于材料老化带来的弹性松弛、应力锥与电缆绝缘间界面压力不够等弊端，提高应力锥的使用寿命。7.2110kV复合套管户外终端结构特点：1、具有瓷套式终端的全部优点，但其外绝缘由瓷套改为复合套管。2、复合套管由一个环氧玻璃纤维管外部覆盖耐气候的绝缘硅橡胶雨裙，两端由通过阳极氧化处理的铝合金法兰封住。具有优良的机械特性，可避免发生爆炸时对周围设备的损坏，具有优良的防爆性能。3、重量轻，复合套管重量不足瓷套重量的20%，便于装卸运输，方便安装操作。4、硅橡胶伞裙具有优良的耐污性、抗紫外线及良好的抗老化性能。另外由于硅橡胶具有良好的憎水性，即使表面污染相当严重，也很难发生污闪。7.3110kVGIS终端（可分为插拔式和装配式两种）结构特点：1、GIS终端的基本结构与户外终端相似。由于GIS是在全封闭环境下运行，可以免受大气条件和污秽的影响，加上SF6气体的良好绝缘特性，所以GIS终端的外绝缘采用环氧树脂套管，其尺寸比户外终端