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1、1电力电缆第一节 电力电缆结构一、基本结构型式电力电缆经常用作发电厂、变电所以及工矿企业的动力引人（或引出）线，当需跨江河、铁路等时也常用它；随着城市用电剧增，又希望少占地，很多国家还将电力电缆用作城市的输配电线路以及工矿企业内部的主干线路。以电力电缆与架空线路（裸线）相比，其优点是受外界气候等的影响小、安全、可靠、隐蔽、耐用；但由于电缆结构和生产工艺都比较复杂，所以成本较高，其应用不如架空线路那样广泛。为了保证电缆的运行及寿命，不仅要求电缆具有优良的绝缘性能，而且要考虑电缆的热性能及敷设方式等，这样对电缆的导电线芯、绝缘及护层等都提出了相应的要求。1导电线芯电缆的导电线芯（载流芯）应采用具有
2、高电导率的金属材料，目前主要是用铜或铝。铜易焊接、导电性能和机械强度也都比铝好些。但铝的资源更丰富，价格低，而且质量小（如果铜线和铝线长度相同且电阻也相等时，铝线的质量仅铜线的一半左右） ，加工方便，如用于油浸电力电缆中，铝对油老化的催化作用也比较小。为了便于运输和敷设，电缆要可以弯曲。为此，电缆的导电线芯常用多根导线扭绞而成。2在单芯电缆或分相铅包电缆中，导电线芯常用圆形芯；而在多芯电缆中，为减小尺寸及质量，有时制成扇形芯。2电缆护层电缆护层的作用是为了防止水分、潮气等侵人绝缘层，塑料或橡皮绝缘电缆常常就在外面再包以塑料或橡皮层来作护套，而油浸纸绝缘电缆常用铅包或铝包的护套。铅护套柔软、不透
3、水、耐腐蚀，但是机械强度低，而且铅为稀缺的有色金属，正逐渐被铝护套等所替代。铝的密度（2. 7）比铅（11. 34）小得多，所以铝护套轻而结实，但制造时压铝的温度比较高，另外如果铝中含有杂质，在运行中可能由于电化学作用等而将护套逐渐电解破坏。当需要承受较大的机械负荷时，常采用钢带或钢丝恺装。而在恺装层与金属护套间垫有内衬垫层，它是由沥青复合物、聚氯乙烯及浸渍纸带或浸渍电缆麻等所组成。如果电缆需要敷设在可能被腐蚀的场所，在恺甲外面也应包以由这些保护材料所组成的外护层。针对铝包钢带恺装电缆质量仍较大、敷设弯曲半径大的缺点，也有的地方改在三芯扇形芯的铝护套外加上防腐护层及聚氯乙烯外护套，不再加恺装，
4、使质量比恺装电缆约少1/3，且运行情况良好。3绝缘介质在较低电压时，如 35kV 及以下，国内广泛采用的是粘性浸渍的油纸绝缘、橡皮绝缘、塑料（聚氯乙烯、聚乙烯等）绝缘。电3缆常用的几种绝缘材料的性能如表 9-1 所示。更高电压时，大多改用充油电缆、钢管油压电缆、充气电缆等。橡皮绝缘或丁基、乙丙合成橡胶绝缘电缆，弹性好，柔软可挠，特别适宜用于 35kV 及以下的移动式供电设备上。塑料绝缘电力电缆也没有敷设落差的限制，且加工方便，维护简便。其中聚氯乙烯电缆常用到 6-10kV，它价格低廉、耐酸耐碱，但介质损耗大、允许工作温度较低（60-70以下） 、耐老化性能差。因此更高电压的塑料电缆，不少国家都
5、采用交联聚乙烯，由于经过交联，线状分子结构变成了网状，这样既保留了聚乙烯原有的优良电气性能，又提高了机械强度和耐热性能。丁丙橡胶的耐热性与交联聚乙烯相近，而耐局部放电的性能比交联聚乙烯还好些，可是损耗较大。所以两者各有优点，110 或220kV 级的聚乙烯及丁丙橡胶绝缘的电力电缆国外都有采用。4电缆接头盒（1）终端接头盒电缆两端都应有终端接头盒，通过它与变压器或架空线相连接。户外终端接头盒都应有密封的瓷套（或环氧树脂套等）以防止潮气进人。正常情况下，单芯的（或分相铅包的）电缆本体中几乎只有垂直于纸层的径向场强，对此油纸绝缘的电气强度是很高的。可是在电缆终端处，其电场就复杂得多，如图 9-1 所
6、示，在金属护层终端处附近不仅电场异常集中，而且有很强的轴向分量。如不采取相应的措施，在较低的电压下，就会在这4护层边缘处发生电晕甚至滑闪放电，这时仅仅靠增加沿面距离并不会带来显著效果。为要提高放电电压，必须设法改善电场分布，所采用的原则与高压套管中改善电场分布的原则相同。（2）连接接头盒当电缆线路较长时，必须在现场用连接接头盒将多根电缆连接起来。连接盒里的电场也不像电缆本体中那样全为径向分布，而且是在现场制作的，条件较差。因此，将载流芯连接后，还需包缠增绕绝缘层，并在两端加上应力锥，使沿此锥面各点的轴向场强均匀化。充油电缆的连接盒除上述的普遍连接盒外，还有绝缘连接盒和塞止式连接盒。当需要沿线路
7、长度上对电缆护层进行交叉换位时即采用绝缘连接盒，它能使相连的两段电缆的外壳间用环氧树枝片或瓷片沿轴向互相绝缘开来，需要高落差敷设时，为了减少对下终端的静油压力，也可采用塞止式连接盒，使相连的两段电缆间的油路不相连通。图 91 电缆终端处在剥去铅套后电场通量线的分布示意图1铅套；2电缆绝缘；3导电线芯第二节 主要试验一、交联电缆交流耐压试验1概述5橡塑绝缘电力电缆是指聚氯乙烯绝缘、交联聚乙烯绝缘和乙丙橡绝缘皮电力电缆。其中的交联聚乙烯电力电缆，由于其电气性能和耐热性能都很好，传输容量较大，结构轻便，易于弯曲，附件接头简单，安装敷设方便，不受高度落差的限制，特别是没有漏油和引起火灾的危险，因此受到
8、用户广泛欢迎，并不断向高压、超高压领域发展，呈现出逐步替代纸绝缘电缆的趋势。交联聚乙烯电力电缆的断面构造示意图如图 92。它和大家熟悉的油浸纸统包电缆的区别除了相间主绝缘是聚乙烯塑料以及线芯形状是圆形之外，还有两层半导体胶涂层。在芯线的外表面涂有第一层半导体胶，它可以克服电晕及游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡。在相间绝缘外表面涂有第二层半导体胶，同时挤包了一层 0.1 mm 厚的薄铜带，它们组成了良好的相间屏蔽层，之几乎不能发生相间故障。图 92 交联聚乙烯电力电缆断面构造示意图1绝缘层；2线芯；3半导体胶层；4铜带屏蔽层；5填料；6塑料内衬；7恺装层；8塑料外护层6由于橡塑绝缘电缆与
9、油纸绝缘电缆材质、结构不同，直流试验电压对绝缘寿命的影响也不同，因此不宜采用与油纸绝缘电缆完全相同的项目和方法进行试验。直流耐压试验存在的主要问题：电力电缆在运行中，主绝缘要承受长期的额定电压，还要承受大气过电压、操作过电压、谐振过电压、工频过电压。因此电力电缆安装竣工后，投入运行前必需考核耐受电压水平，只有在规定的试验电压和持续时间下，绝缘不放电、不击穿，才能保证投入后的安全运行。由于电缆线路的电容很大，若采用工频电压试验，必须有大容量的工频试验变压器，现场很难实现；所以传统的耐压试验方法是采用直流耐压试验。因为电缆的绝缘电阻很大（一般在10G 以上） ，所以在作直流耐压是充电电流极小，具备
10、试验设备容量小、重量轻、可移动性好等优点；但直流耐压试验方法对于 XLPE 交联电缆，无论从理论还是实践上却存在很多缺点。主要体现在：1）试验等效性差：高压试验技术的一个通用原则是试品上施加的试验电压场强应模拟高压电器的运行工况。高压试验得出的通过的结论要代表高压电器中薄弱点是否对今后的运行带来危害。这就意味着试验中的故障机理应与电器运行中的机理应该相同的物理过程。以武高所、西交大、上海供电局所做的研究7数据为例，如表 9-1表 9-1 击穿电压试验等效性比较结果等效性 K=UX/Uac试验电压类型（UX）缺陷类型直流工频0.1Hz振荡波针尖缺陷4.311.51.5切痕缺陷2.812.61.1
11、金具尖端缺陷3.912.21.6进潮和水树枝缺陷2.611.21.4从上表可以看出：针对不同缺陷，直流耐压的击穿电压的分散性非常大，从 2.64.3 倍不等。因此无法做为判断电缆绝缘好坏的依据。2）直流和交流下的电场分布不同：直流电压下，电缆绝缘的电场分布取决于材料的体积电阻率，而交流电压下的电场分布取决于各介质的介电常数，特别是在电缆终端头、接头盒等电缆附件中的直流电场强度的分布和交流电场强度的分布完全不同，而且直流电压下绝缘老化的机理和交流电压下的老化机理不相同。因此，直流耐压试验不能模拟 XLPE 电缆的运行工况。3）放电难以完全：XLPE 电缆在直流电压下会产生“记忆”效应，存储积累性
12、残余电荷。一旦有了由于直流耐压试验引起的“记忆性” ，需要很长时间才能将这种直流偏压释放。电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行，直流偏压便会叠加在工频电压峰值上，使得电缆上电压值远远超过其额定电压，8从而有可能导致电缆绝缘击穿。4）会造成击穿的连锁反应：直流耐压时，会有电子注入到聚合物质内部，形成空间电荷，使该处的电场强度降低，从而易于发生击穿，XLPE 电缆的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空间电荷。但如果在试验时电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿，会造成电缆芯线上产生波振荡，在已积聚空间电荷的地点，由于振荡电压极性迅速改变为异极性，使该处电场强度显著增大，可能损坏绝缘，造成多点击
13、穿。5）对水树枝的发展影响巨大：XLPE 电缆致命的一个弱点是绝缘易产生水树枝，一旦产生水树枝，在直流电压下会迅速转变为电树枝，并形成放电，加速了绝缘老化，以致于运行后在工频电压下形成击穿。而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐压值，并能保持异端时间。实践也证明，直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷，如电缆附件内，绝缘若有机械损伤或应力锥放错等缺陷。在交流电压下绝缘最易发生击穿的地点，在直流电压下往往不能击穿。直流电压下绝缘击穿处往往发生在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的地点。国际大电网会议第 21 研究委员会 CIGRE SC21 WG21-09 工作组报告高压挤包绝缘
14、电缆竣工验收试验建议导则和 IEC SC 20A 的新工作项目提案文件额定电压 150kV（Um=170kV）以上至 500kV（Um=525kV） 挤包绝缘电缆及附件试验不推荐采用9直流耐压试验作为交联聚乙烯电缆的竣工试验而改用交流耐压试验。2、耐压试验装置既然直流耐压试验不能模拟 XLPE 电缆的运行场强状态，不能达到我们所期望的检验效果，自然就应该转向用交流耐压试验来考核交联电缆的敷设和附件的安装质量，但是采用工频或接近工频的交流耐压试验作为挤包绝缘电缆线路竣工试验存在的最大困难是长线路需要很大容量的试验设备。目前主要采用0.1Hz 作为试验电源和变频串联谐振试验电源。（1）用 0.1H
15、z 作为试验电源，理论上可以将试验变压器的容量降低到 1/500，试验变压器的重量可大大降低，可以较容易地移动到现场进行试验，目前此种方法主要应用于中低电缆的试验，又试验条件的真实性毕竟不如近工频交流电压（30300Hz） ，由于电压等级偏低，还不能用于 110kV 及以上的高压电缆试验。（2）变频串联谐振试验电源，主要通过改变试验电源的输出频率，使回路中固定电感量的电抗器 L 与被试品 CX 发生谐振（谐振频率 30300Hz） ，使被试品承受合适的高电压，还具有以下优点：调频、调幅电源采用电力电子设备控制，且省去用于调压的调压器，使系统体积小、重量轻，适合于现场使用；产品磁路无需调节、噪音
16、小、结构简单；品质因素高（一般70150） ，电源输出为正弦波，谐振时波形失真度极小；试品10试验电流受系统谐振条件的制约，因此当试品击穿或发生短路时，系统的谐振条件被破坏，试验电压迅速降低，短路电流很小，只有试品电流的十分之一以下，因此即使试品被击穿也不会对试验装置和试品造成危害；电抗器为固定电感，不需要调节机构，便于运输到现场安装；电抗器虽为固定电感，但通过串、并联，还是可以改变的，这样使大大增加了试品的容量范围，对于电缆试品来说可达到 400 倍之多。经过试验方法的对比，我省普遍采用变频串联谐振交流耐压试验装置。(3)、电缆变频串联谐振交流耐压试验原理电缆交流耐压试验装置通常有三种形式：工频串联谐振电源、变频串联谐振电源、0.1Hz 电源。以下就我省使用最多的变频串联谐振交流耐压试验装置进行介绍。变频串联谐振交流耐压试验装置由变频电源、励磁变、避雷器、串联电抗器、调谐电容或电缆自身电容和用于高压测量的电容分压器组成。如图 9-3 所示，对应的等值电路如图 9-411图 9-3 电
