电缆附件基础知识讲义(肖总)

电缆附件基础知识讲义长沙电缆附件有限公司技术总监肖上林一、电缆及附件基本知识1、电力电缆结构特性：A、油浸纸绝缘电缆与XLPE绝缘电缆结构区别1）油浸纸绝缘统包型电缆三芯油浸纸绝缘电力电缆结构图1—扇形导体；2—导体屏蔽；3—油浸纸绝4—填充物；5—统包油浸纸绝缘；6—绝缘屏蔽；7—铅（或铝）护套；8—垫层；9—钢丝铠装；10—聚氯乙烯外护套2）油浸纸绝缘分相铅包（铝包）型电缆分相铅包电力电缆结构图1—导体；2—导体屏蔽；3—油纸绝缘层；4—绝缘屏蔽；5—铅护套；6—内垫层及填料；7—铠装层；8—外被层；3）110kVXLPE绝缘电缆110kVXLPE绝缘电缆结构图B、XLPE绝缘电缆结构组成及作用1)导体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。注意安装时选择合适的内孔金具及压模，注意铜芯与铝芯电缆压模不同。金具壁厚面积/线芯截面积Cu≥1Al≥1.5金具板部平面面积电流密度Al0.32A/mm2Cu0.44A/mm22)导电屏蔽层ρν=104Ω•cm作用：a、屏蔽层具有均匀电场和降底线芯表面场强的作用；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、抑制树枝生长；d、热屏障作用。3)绝缘层作用：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保持应有的耐电强度。作为近年来广泛使用的交联电缆的绝缘，是由单一介质交联聚乙烯（XLPE）构成，它的主要优点是：a、优良的电气性能：耐电强度高（长期工频击穿强度20—30kV/mm，冲击击穿强度40—65kV/mm），介损小（工频时tgδ=0.0002—0.001）,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，对于超高压长距离输电非常有利。但它也有明显的缺点：a、耐局部放电性能差，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。(1)、绝缘材料：交联聚乙烯与聚乙烯性能对比：性能项目聚乙烯交联聚乙烯体积电阻率/（Ω•cm）3×10155×1014介质损耗角正切0.00020.0006相对介电常数2.112.11击穿强度/(kV•mm)43.637.8抗张强度/Pa130×105176×105在10％盐酸70℃浸7天后78×10582×105在苯溶液70℃浸7天后溶33×105伸长率600％526％性能项目聚乙烯交联聚乙烯在10％盐酸70℃浸7天后37％83％在苯溶液70℃浸7天后碎94％在50℃二甲苯中应力开裂时间/h1—57500耐热老化性能在110℃以上完全熔融在150℃下浸14天，机械性能基本不变耐热变形性能在110℃加5N负荷，完全压出，变形率达95％在120℃下加5N负荷变形达30％—40％聚乙烯经过交联后大大地提高了聚乙烯的机械、耐热抗蠕变以及抗环境开裂性能。各种绝缘材料的物理性能：材料名称常用符号抗拉强度（kg•cm2）伸张度(%)密度(g•cm3)抗磨性抗切割性聚氯乙烯PVC1682601.2-1.5差差聚乙烯PE983000.92差差交联聚乙烯XLPE2101201.2适中适中聚四氟乙烯TFE2101502.15适中适中氟化乙30丙烯FEP2101502.15差差材料名称常用符号抗拉强度(kg•cm2)伸张度(%)密度(g•cm3)抗磨性抗切割性ETFETefzel(ETFE)4201501.7好好氯丁（二烯）橡胶Kynar4973001.76好好硅胶Silicone56-126100-8001.15-1.38适中差氯丁橡胶Neoprene10.5-28060-7001.23好好丁基橡胶Butyl49-105500-7000.92适中适中EPDMEPDM84-1193000.86-0.87适中适中橡胶碳氧化合物Viton1683501.4-1.95适中适中聚氨酯Urethane350-560100-6001.24-1.26好好聚酰亚安Nylon280-490300-6001.1好好薄膜Kapton12607071.42优优聚酯薄膜Mylar9101851.39优优Polvakene140-490200-3001.76好好各种绝缘材料的电性能：材料名称常用符号绝缘强度（kV•cm-1）介电常数损耗系数体积电阻率（Ω.cm）聚氯乙烯PVC165-70.022.1014聚乙烯PE192.30.0051016交联聚乙烯XLPE282.30.0051018聚四氟乙烯TFE192.10.00031018氟化乙30丙烯FEP202.10.0031018氯丁（二烯）橡胶Kynar67.70.022×1014硅胶Silicone23-283-3.60.0032×1015氯丁橡胶Neoprene4590.031011丁基橡胶Butyl242.30.0031017EPDMEPDM242.30.0031017橡胶碳氧化合物Viton204.20.142×1013聚氨酯Urethane18-206.7-7.50.0552×1011聚酰亚安Nylon154-100.024.5×1013材料名称常用符号绝缘强度（kV•cm-1）介电常数损耗系数体积电阻率（Ω.cm）薄膜Kapton1063.50.0031018聚酯薄膜Mylar1023.10.156×1016Polvakene743.50.0286×1013(2)、绝缘层厚度：64/110kVXLPE电缆绝缘层厚度（GB11017—89）：导体截面/mm2标称绝缘层厚度/mm24019.030018.540017.550017.063016.580016.0100016.0120016.0(3)气隙和杂质对绝缘的影响：几个国家厂商对绝缘中气隙尺寸要求及生产水平：厂商及品种气隙尺寸/μm内层中外层上海电缆厂干法工艺33上海电缆厂湿法工艺数微米10-30德国110kV电缆320日本住友电工干法≈5日本住友电工湿法30-50日本高电压试验专业委员会电缆高压试验分委员会（RPST）规定11—77kV电缆80美国联合爱迪生照明公司交联聚乙烯电缆规范76，且＞50的在16.4cm3中不超过30个我国交联电缆小组拟订电缆80（4）绝缘屏蔽层：作用：保证能与绝缘紧密接触，克服了绝缘与金属无法紧密接触而产生气隙的弱点，而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：作用：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，因此也要力图使导体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。单芯电缆线路接地系统的处理单芯电缆的导线与金属屏蔽的关系，可看作一个变压器的初级绕组。当电缆的导线通过交流电流时，其周围产生的一部分磁力线将与屏蔽层铰链，使屏蔽层产生感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比，电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，屏蔽上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。如果屏蔽两端同时接地使屏蔽线路形成闭合通路，屏蔽中将产生环形电流，电缆正常运行时，屏蔽上的环流与导体的负荷电流基本上为同一数量级，将产生很大的环流损耗，使电缆发热，影响电缆的载流量，减短电缆的使用寿命。因此，电缆屏蔽应可靠合理的接地，电线外护套应有良好的绝缘。电缆金属护套感应电压与其接地方式有关。三芯电缆因自身具有良好的磁屏蔽，可在线路两个终端处将金属护套直接接地。而由三根单芯电缆组成的交流电缆线路，当导体中有电流通过时，与其平行的金属护套中将产生感应电压，如果像三芯电缆一样，两端金属护套都直接接地，金属护套中感应电压将形成以大地为回路的循环电流，这就在金属护套中产生电能损耗，并影响电缆线路输送容量。单芯电缆线路实行金属护套一点接地方式，可避免在金属护套中形成循环电流。实行一点接地后，为了人身和设备安全，在电缆金属护套（或屏蔽层）上，任一点非接地处的正常感应电压必须符合下列规定：1）在没有设置防止人员任意接触金属护套的安全措施情况下，正常满负荷时电缆金属护套的感应电压不得超过50V。2）在设置防止人员任意接触金属护套的安全措施情况下，正常满负荷时电缆金属护套感应电压不超过100V。以下是单芯电缆线路的几种接地方式：1、屏蔽一端直接接地，另一端通过护层保护接地：当线路长度大约在500~700m及以下时，屏蔽层可采用一端直接接地(电缆终端位置接地)，另一端通过护层保护器接地。当电缆导体上通过接地故障电流时，回流线上的感应电压将形成以大地为回路的逆向接地电流，从而抵销了导体中通过的大部分故障电流的磁通，使得邻近通信、信号电缆上感应电压明显降低。同时，一部分短路电流通过回流线流回系统中性点，即回流线为电缆金属护套起了分流作用。回流线的截面应按系统单相接地故障电流大小和持续时间来选择，一般取240-400mm2铜芯塑料绝缘线。回流线排列布置方式，应使电缆正常运行时在回流线上产生的损耗为最小。为此，应将回流线敷设在电缆线路的边相与中相之间，并在中点处换位。回流线和边相、中相之间的距离，应符合“三七开”比例。如下图所示：回流线布置示意图S1=1.7S；S2=0.3S；S3=0.7S。S为边相和中相的中心距离。1-电缆2-终端3-电缆金属屏蔽(护套)接地线4-护层保护器5-接地保护箱6-回流线7-接地箱2、屏蔽中点接地当线路长度大约在1000~1400m时，须采用中点接地方式。在线路的中间位置，将屏蔽直接接地，电缆两端的终端头的屏蔽通过护层保护器接地。中间接地点一般需安装一个直通接头(见下图)中点接地方式也可采用第二种方式，即在线路中点安装一个绝缘接头，绝缘接头将电缆屏蔽断开，屏蔽两端分别通过护层保护器接地，两电缆终端屏蔽直接接地。(见下图)电缆线路很长时(大约在1000~1400m以上)，可以采用屏蔽层交叉互联。这种方法是将线路分成长度相等的三小段或三的倍数段，每小段之间装设绝缘接头，绝缘接头处三相屏蔽之间用同轴电缆，经交叉互联箱进行换位连接，交叉互联箱装设有一组护层保护器，线路上每两组绝缘接头夹一组直通接头。(见下图)图11、电缆本体；2、终端；3、接地箱；4、接地线；5、屏蔽（与电缆护套外石墨层连接）；6、保护器；7、互联母排;8、绝缘接头图2图3图46）、护层：作用：是保护绝缘和整个电缆正常可靠工作的重要保证，针对各种环境使用条件设计有相应的护层结构，主要是机械保护（纵向、经向的外力作用）防水、防火、防腐蚀、防生物等，可以根据需要进行各种组合。二、电缆附件的结构原理1、电缆接头及终端的电场分布与结构特性：A、电力线及等位线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。B、电缆末端（电缆终端）电场分布图电缆终端电场分布图外半导体屏蔽端口电场分布1—线芯；2—电缆绝缘；1—绝缘；2—导体；3—轴向磁力线；3—铅护套4—外半导体屏蔽层；5—径向磁力线当电缆的绝缘屏蔽层切开之后，在外屏蔽端口将产生电应力集中现象，电场突然变化，并且电缆终端处电场分布畸变要比接头中的