电力电缆设计原理(电缆设计)

第一章绪论1.1电线电缆的分类电线电缆作用：用于传输电能、磁能信息以及实现电磁能转换的线材产品。㈠基本分类：1.裸电线：无绝缘，包括金属单线和架空线；2.电力电缆：在电力系统的主干线路中用以传输和分配大功率电能的电缆；3.电气装备用电线电缆：从电力系统的配电点把电能直接送到各种用电设备的电源连接线路用电线电缆及各种电器安装线。a．低压配电电线电缆b．信号和控制电缆c．仪器和设备连接线d．交通工具用电线电缆e．地质资源勘探和开发电线电缆f．直流高压电缆g．加热电缆（油田使用）（自限温电缆）h．特种电缆：耐高温、防水、核电站4.绕阻线（电磁线）：漆包线、绕包线5.通信电缆和通信光缆：用于电能传输和分配的电缆（1）电流形式：交流电缆、直流电缆（2）电压等级交流中低压≤35KV高压＜330KV超高压＜1000KV特高压≥1000KV直流高压＜200KV超高压＜800KV特高压≥800KV㈡按绝缘材料分类橡皮绝缘电线电缆、塑料绝缘电缆（PVC、PE、PP、PTFE、XLPE）浸滞纸绝缘电力电缆、充油电缆、充气电缆（惰性气体）：六氟化硫㈢按安装位置分类架立电缆、架空电缆、地下电缆、水下电缆（跨河、跨江、海底电缆）架立电缆与架空电缆相比，架空电缆安全性高，占用空间小㈣按导电性能分类：普通电缆、低温和超导电缆1．2电线电缆基本组成部分及材料1.线芯作用：传导电流要求：导电能力要好；易加工；价格适中；机械性能好。⑴主要材料：铜、铝铜：电阻率ρ=0.017241×10-6Ω·m，电阻温度系数α=0.00393/℃，导电性仅此于银铝：电阻率ρ=0.026×10-6Ω·m，电阻温度系数α=0.00403/℃，导电性在银、铜、金之后，位居第四。电阻温度系数：表示温度每升高1℃，电阻的增加倍数。1.质量相同时的体积2.电导值相同时的截面3.负载相同时的截面4.电阻值相同时的质量⑵主要结构a.单线：导线截面较小的为单线，截面I一般10mm2以上16mm2以下的电缆；截面较大的优先考虑绞合线芯，截面I一般10mm2以上25mm2以下的电缆；结构有：圆线、双金属圆线、有镀层圆线、中空圆线扁线、双金属扁线、中空扁线弓形单线、Z型单线、扇形单线、梯形单线、多边形单线、双形单线12343.31.61.50.511234CuAlAlAlAlb.绞合线芯：柔软、弯曲性好绞合形状：圆形、扇形、椭圆形c.扇形线芯：电缆的导电线芯截面在35mm2以上的多采用多芯扇形芯结构特点：结构紧凑，减小电缆外形尺寸，节省材料，结构稳定d.铜芯铝绞线：自承重电线电缆（架空线）e.分割线芯：减小集肤效应，临近效应；每块扇形外层均包绝缘膜，由于等电位不会击穿。集肤效应：指工作时，电缆表面电流很大，而中间很小。临近效应：指两端靠近电缆工作时，靠近部分电流大于远离部分。分为两种：一种是非紧压型；一种是紧压型。紧压型特点：结构紧凑，线芯表面光滑，减小多导丝效应，节省材料。f.中空线芯：主要用于充电电缆。2.绝缘材料作用：承受电压要求：电性能好，损耗小，耐电晕性好，化学稳定性好，耐低温性好，耐热性，易加工，寿命长，价格合理种类：a.橡胶、丁苯橡胶塑、天然橡胶、PVC、PEb．塑料c．纸、油d．气体、SF6第二章电力电缆结构110KV以上输电线路；35KV及以下配电线路2.1浸油纸绝缘电力电缆电缆纸：纤维素（C6H10O5）n、电缆油、松香典型结构：单芯：线芯、内半导电层（材料：金属化纸、半导电纸）、绝缘、外半导电层、铝套、内衬层、铠装、外护层半导电层作用：a．均化电场，绝缘内外平整，使突起屏蔽于半导电层之内；b．避免线芯局部放电，内半导电层与线芯等电位，使二者之间的气隙不受此场力的作用。内衬层：非金属材料作用：防腐防潮；衬垫防止两层金属之间摩擦。外护套：a．防腐防潮（保护铠装）；b．机械保护；c．单绝缘电力电缆（贫乏浸渍纸绝缘），用于10KV以下；d．不滴流电力电缆：带绝缘，在线芯成缆之后，在相绝缘外绕包一层绝缘带。（见P8图2-3）为什么要加带绝缘？因相绝缘厚度是按相间平板电场分布计算的，即2倍的相绝缘承受线电压，则对金属层间仅有一个相绝缘承受相电压，而每个相绝缘只能承受23倍相电压，故要加带绝缘。径向型电缆：只存在径向电场，单芯及分相屏蔽（铅包）多芯电缆。非径向型电缆：①存在径向和与其垂直的切向电场，降低电缆击穿强度。（分相铅包的目的是得到径向型电缆）②电缆弯曲时，带绝缘将变形，易产生气隙，降低其电气性能。2.2橡皮绝缘电力电缆橡皮绝缘弹性好，具有低的透水性，较好的化学稳定性和电气性能，最早绝缘电线是用马来树胶做绝缘的。常用于电缆绝缘的橡胶种类：（1）天然橡胶（2）丁苯橡胶（丁二烯、苯乙烯聚合）（3）丁基橡胶（异丁烯、异戊二烯共聚物）（4）氯丁橡胶以上几种橡胶由于含不饱和双键，故耐臭氧性、耐老化性较弱，击穿场强较低，主要用于6KV及以下电压等级。（5）乙丙橡胶（乙烯、丙烯共聚物）不含双键，故故耐臭氧性、耐老化性极大提高，为了改善其硫化性能，加入第三单体（双环成二烯），得到三元乙丙橡胶，可用于高压绝缘。电缆典型结构：1.单芯2.二芯：可平行排列或制成扁平电缆3.三芯、四芯：结构基本同浸渍纸绝缘电力电缆，6000V以上加半导电屏蔽层。成缆后加护套，作用是不受光、潮气、化学侵蚀和机械损伤材料：为PVC、氯丁橡胶、铅等。金属材料比塑料（非金属材料）防水性好。（如：铅套、铝套）2.3聚氯乙烯绝缘电力电缆PVC塑料由PVC树脂添加增塑剂、润滑剂、防老剂、抗氧化剂等，其价格低，生产效率高，化学稳定性好，但由于其为极性材料，介质损耗大，击穿场强低，故只能用于较低电压绝缘。（6KV以下）。此材料绝缘电力电缆价格低，较浸渍纸绝缘电力电缆生产、敷设方便。电缆的典型结构：单芯：线芯、绝缘、护套二芯：线芯、绝缘、填充、无纺绕包带、护套（PVC或PE）线芯、绝缘、填充、无纺绕包带、内护套（内衬层）、铠装（涂漆钢带或镀锌钢带）、外护套三芯：线芯（圆形或扇形）、绝缘、填充、无纺绕包带、护套（PVC或PE）线芯、绝缘、填充、无纺绕包带、内护套（内衬层）、铠装（涂漆钢带或镀锌钢带）、外护套四芯：结构同上线芯：四个扇形、三个扇形+一个圆形、四个圆形五芯：结构同上线芯：同截面的五个圆形、三个同截面+二个同截面、四个同截面+一个同截面电缆型号：①类别、用途：N农用C―船用K控制P―信号②绝缘：V―PVC绝缘Z―纸绝缘Y―PE绝缘YJ―交联聚乙烯FYJ―辐照交联聚乙烯③线芯：L―铝T―铜可省略④内护层（衬层、护套）：VPVCY―PEQ―铅H―橡套F―氯丁橡皮L―铝⑤铠装：0―无铠装1―连锁钢带铠装2―双钢带铠装3―细圆钢丝铠装4―粗圆钢丝铠装⑥外护套：0―无护套1―纤维护套2―PVC护套3―PE护套⑦特征：CY―充油D―不滴流F―分相护套P―屏蔽Z―直流ZR―阻燃TZR―特种阻燃WZR―无卤阻燃例：YJLV23-21/353×150（GB12706.3-91）表示铝芯聚乙烯绝缘双钢带铠装聚乙烯护套电力电缆，额定电压为21/35（表示相电压/线电压），三芯，标称截面150mm2的电力电缆。2.4聚乙烯、交联聚乙烯绝缘电力电缆优点：具有良好物理―机械、介电和工艺性能。交联聚乙烯具有空间网状结构，耐热性、耐环境、应力开裂性等提高，近年来广泛用于低、中、高压电缆绝缘。（预计上两种绝缘电缆在中低压领域最终完全取代浸渍纸和聚氯乙烯绝缘电缆）存在四种PE交联方法：两种物理交联：辐照交联、紫外光交联两种化学交联：过氧化物交联、硅烷交联交联聚乙烯电缆优点：电性能好传输容量大，长期工作温度可达90℃重量轻可垂直、高落差敷设耐化学稳定性好安装、维护方便（1）中、低压电缆的典型结构：线芯、绝缘内屏蔽（交联聚乙烯绝缘）、半导外屏蔽、铜带屏蔽、护套三芯结构：铜或铝导线、内半导电屏蔽、交联聚乙烯绝缘、聚烯烃外半导电屏蔽、铜带屏蔽、聚丙烯绳或PVC填充条、无纺布包带、聚氯乙烯或聚乙烯绝缘、涂漆钢带或镀锌钢带、聚氯乙烯或聚乙烯外护套35KV三芯胶料聚乙烯绝缘水低电缆结构（见P7图2-2）半导电屏蔽作用：①均化电场，绝缘内外平整，使突起屏蔽于半导电层之内；②限制电场③避免线芯局部放电，内半导电层与线芯等电位，使二者之间的气隙不受此场力的作用。金属屏蔽作用：①统包或分相绕包②传导泄露电流，充电电流和故障电流（主要用于中高压电缆）③降低外来电磁场的干扰④保证电场径向分布（2）高压电缆结构（220~275KV）P18结构是老结构新结构是：导体、导体屏蔽、XLPE绝缘、绝缘屏蔽、缓冲层（半导电材料）、皱纹铝层、外护套、半导电涂层（石墨）皱纹铝套作用：径向阻水，同金属屏蔽波纹铝护套内加钢丝层是在出现故障时导电流提交联聚乙烯绝缘电缆绝缘性能的措施：①挤内外屏蔽层②采用超净绝缘料③多层共挤④干式交联工艺（无水）高压下交联聚乙烯绝缘的树枝化老化：根据树枝化放电的形态和生成机理，可分为电树枝和水树枝：（1）电树枝①分枝少而清晰，呈树枝状②电树枝产生的根源：绝缘层内部的气隙、杂质和屏蔽层的缺陷；气隙可能产生于电缆的制造过程，机械应力，气隙中的放电导致了树枝的形成和发展③杂质和屏蔽层缺陷的存在导致局部的电场集中，因而导致树枝化的形成和发展④在高电场作用下，电极发射的电子进入介质并与介质分子碰撞，引起介质破坏，导致树枝的引发（2）水树枝主干树枝较粗，分枝多且密集，树枝管有的大体不连续，内凝聚有水分水树枝主要是由于水分浸入绝缘层在电场作用下形成。引发树枝的空隙含有水分，较低电压下即可发生。电树枝、水树枝的产生与发展是电缆的击穿场强下降，寿命缩短，抑制树枝化放电的形成，主要方法如下：1.采用半导电屏蔽，消除导致电场集中的缺隙2.净化原料，采用多层共挤技术和干式交联工艺，进行封闭式生产，防止杂质的引入和水分污染3.减小气隙数目和尺寸4.加入电压稳定剂，减少电子注入的能量2.5充油、冲气、超导电缆2.5.1充油电缆特点：用补充浸渍剂的办法消除因负荷变化而在油纸绝缘层中形成气隙，以提高电缆的工作场强。分类（根据护层结构）自容式充油电缆：铅或铅护套钢管充油电缆：整根屏蔽电缆拖入一无缝钢管内（1）自容式充油电缆阻止式连接头盒：使电缆油流互不相通，以限制电缆净压力和故障影响区。电缆的典型结构：单芯：中空线芯a．具有螺旋支撑b.由型线构成c.分割导体油道位于线芯的优点：即使补充电场强度最大处的绝缘层，提高电气性能，集肤效应小。（金属对电缆油老化有催化作用，铜的催化作用显著，而锡、铝较小，因此铜和铜带需要镀锡）螺旋支撑结构柔软性好，型线结构稳定性好，分割线芯结构可消除集肤、临近效应。型线表面刻有沟槽，以保证油道与绝缘相通。护套采用铅、铝或合金。（2）钢管充油电缆特点：①无中心油道②内屏蔽用半导电纸，外屏蔽用打孔铜带③打孔铜带屏蔽层外缠2~3根半圆形青铜丝，增加强度，防止损伤屏蔽层、绝缘层，便于浸渍剂流动2.5.2冲气电缆主要用于超高压、大容量传输电能，绝缘为SF6压缩气体。线芯：铜或铝绝缘支撑：氧化铝或双酚环氧树脂，单芯园板式，三芯柱式。单芯：非铁磁性材料，不锈钢或铝，防止产生感应电势三芯：无缝钢管或铝管2.5.3低温及超导电缆低温电缆：高纯度铜和铝的电阻在低温下大幅度降低。在液氢（20K）或液氮（77K）下，损耗降低，散热能力提高，传输容量增加。绝缘层：液氢或液氮浸滞非极性合成纤维纸（如聚乙烯合成纸）、真空液氢、液氮结构：1.导线2.绝缘3.护层4.液氢5.电磁屏蔽压力管6.真空热绝缘7.防蚀钢管真空绝缘：1.液氮2.导线3.真空绝缘4.屏蔽管5.热绝缘6.防蚀钢管超导现象：某些金属和金属化合物在某一温度下直流电阻率几乎等于零的现象。超导临界温度：导体呈现超导现象的最高温度。超导电缆：工作在导体线芯超导临界温度以下的电缆（液氦4.2.K）线芯材料：基体（铜、铝）超导体：钛铌合金（NbTi）及铌三锡化合物（Ni3Sn）绝缘层：液氮、真空、浸滞液氦的塑料薄膜或纤维。第三章电力电缆的主要电气参数电力电缆的主要电气参数：导电线芯的有效电阻绝缘电阻电感器电容电缆的电气参数决定电缆的传输性能电缆的传输容量由它的