高压电与绝缘技术——电力电缆专题讲座.doc

电力电缆专题讲座一、 概述二、 电力电缆的分类三、 交联聚乙烯电缆四、 电缆的载流量五、 电缆附件六、 电缆的老化七、 电缆故障测距一、电力电缆在电力系统中的作用110kV及以上：输电系统35kV及以下：配电系统（1） 架空线路裸线（钢芯铝绞线），铁塔，避雷线，接地，绝缘子，（2） 电缆线路导体，绝缘层，保护覆盖层；受气候影响小，安全耐用， 基本结构：（1） 导电线芯（铜和铝线长度、电阻相等时，铝线重量为铜线的一半左右）多股导线扭绞而成便于运输和辐射，需要弯曲（2） 电缆护层目的：为防止水分等侵入绝缘层。材料：铅包（柔软，耐腐蚀，机械强度低，稀缺金属）或铝包护套。加强：钢带或钢丝铠装，装在金属护套外。防腐场所：铠装外装外护层（3） 绝缘介质35kV及以下，常用粘性浸渍的油纸绝缘、橡皮绝缘、塑料（聚氯乙烯、聚乙烯）绝缘；更高电压，多用充油、钢管油压或充气电缆。二、电力电缆的分类纸绝缘电缆1、粘性绝缘电缆2、充油电缆（1）自容式充油电缆（2） 钢管充油电缆（3） 充气电缆（三）电力电缆的许用场强1、电场分布2、许用场强的选取二、 电缆附件（一） 电缆终端电场分布（二） 连接接头盒的典型结构1、 油浸纸绝缘电缆 电压较低的粘性浸质纸绝缘电缆导电线芯是通过连接套、采用焊接(锡焊)或压接的方法将线芯连接。对高压的充油电缆，线芯的连接不仅要保证电气连通，而且要保证油流的畅通无阻。一般方法是在线芯中心泊道中垫以钢管，线芯外套以连接套，采用冷焊压接将线芯连接起来，而不允许用焊接或锻接，以防止对油的污染和造成老化。靠近连接端的电缆绝缘(工厂绝缘)一般切削成阶梯或锥形面(反应力锥)，然后包缠填充绝缘至与电缆绝线外径相同，再在其外包绕增绕绝缘。增绕绝缘两端形成应力锥而。应力锥面和反应力锥面均按使其表面的切向场强为一常数(或小于一常数)设计的。两根相接的电缆的屏蔽用经过应力锥及增统绝线表面上包绍的导体(如铅丝)完全连接起来形成等位而。整个装置与压力供油箱连通，保证油的供给和循环粘性浸渍纸绝线电缆的连接盒内应淄满电缆胶。图83为充油电缆普通连接接头盒。 为了减小金属护套损耗，长电缆线路各相电缆的金屑护套需交叉换位互联接地这时电缆的连接须用绝织接头盒。其内绝缘结构尺寸和普通接头相同，但增绕绝缘外缠绕的半导体纸和金属接地层都要在接头中间断开、不能连续。接头的外壳铜管中间部分用环氧树脂绝缘片或瓷质绝缘垫片隔开，使电缆的金属屏蔽层(金属护套)在轴向绝线。 为了防止电缆故陈漏油扩大到整个电缆线路，并分阴电缆线路油压，使各段电缆内部压力不超过允许值及减少暂态油压的变化，往往采用塞止式连接盒。其只作电缆的电气连接，将被连接的电缆油道隔开，使泊流互不相通。其结构分单室式和双室式两种。它们是用个(单室)和两个(双室)环氧树脂套管(或瓷套管)将被连接的两根电缆的油流分开。如图84为一双室式塞止式连接盒结构田。2橡塑绝缘电缆连接盒 橡塑绝缘电力电统一般没有金属护套和浸渍剂故只需用普通连接盒将电缆各制造长度连接起来。过去按照制造工艺分为绕包带型，模塑型和压力浇铸型等类型。随着工艺技术的发展，目前橡塑绝缘电缆的附件装置主要以预制式为主。对35kv及以下的电缆，导电线芯连接以后，在原有工厂绝缘的上面套一热缩材料制成的应力管，然后再做其他部分的连接处理。热缩应力管，是由聚乙烯料加入一定的配合剂，经辐照交联后制成。这种管材具有“记忆”效应，即按预定尺寸制成后经冷扩工艺过程，然后安装在接头处，再予以加热瞥材台自动收缩到原先的尺才，应力管便牢牢地套在工厂绝缘上。对于高压交联聚乙烯绝缘电力电线的连接盒，目前主要是在金屑屏蔽层边缘的电场集中处安装以预制成型的应力锥。应力锥的类型和结构尺寸如图85。五、电缆的故障测距（一）电缆故障原因（1）绝缘破坏：特别是塑料绝缘电力电缆，由于树枝状放电，降解破坏。绝缘在长期电场作用下，就台发生树枝化放电，使绝缘降解破坏，造成员穿击穿。由于绝缘层的介质损耗和钱芯护层损耗，可能造成电纫过热，进而加速了绝缘层老化。电缆密封不严，绝缘层进入水分而变城，电缆过负荷或散热不良，安装于电缆密集地区、电线沟及电缆隧道等通风不良处的电缆，穿在干燥管中的电缆以及与热力管道接近的电缆，都会因过热而使绝线加速损坏。（2） 机械损伤：1)直接受外力作用造成的破坏。2)敷设过程造成损坏。3)自然力造成损坏。（3） 护层腐蚀。（4） 过电压（电应力）。（5） 材料缺陷。（6） 中间接头和终端头的设计和制作工艺问题 中间接头和终端头的设计不周密，选用材料不当，电场分布考虑不合理，机械强度和裕度不够等是设计的主要弊病。另外中间接头和终端头的制作工艺要求不严，不技工艺规程的要求进行，使电缆头的故障增多，例如封铅不严，导线连接不牢，芯线弯曲过度，使用的绝缘材料有潮气，绝缘剂未溜满造成盒内有空气隙等。（二）故障分类(1)低阻接地或短路故陷(2)高阻接地或短路故陷(3)断线故障 电缆各芯绝线良好，但有一芯或数芯导体不连续o (4)断线并接地故障 电缆有一芯或数芯导体不连续，而且经电阻接地。 (5)闪络性故陈 这类故障大多在预防性耐压试验时发生，并多出现于电缆中间接头或终端头内。发生这类故降时，故障现象不一定相同。有时在接近所要求的试验电压时击穿，然后又恢复有时会连续击穿但频率不稳定，间隔时间数秒至数分钟不等。（三） 故障测距方法低压脉冲法高压脉冲法冲击闪络法交联聚乙烯电缆的特性由聚乙烯(PE)加入交联剂挤出成形后，经过化学或物理方法交联成交联聚乙烯。聚乙烯绝缘虽具有优良的电气性能，但屑于热塑性材料，即省热可塑性，当电缆通过较大的电流时，绝缘就会熔融变形，这是由聚乙烯的分子结构所决定的。聚乙烯的分子结构是呈宣链状而交联聚乙烯是聚乙烯分子问交联形成网状结构，从而改善了聚乙烯的耐热变形性能、耐老化性能和机械性能(如固l1所示)。 聚乙烯交联的物理方法是辐射法，用高能电子射线照射，去除聚乙烯分子中的氢原子，使碳一碳链合，分子间进行交联。这种方法加工性能和经济性都不如化学交联。聚乙烯的化学交联是在聚乙烯中加入少量的有机过氧化物，常用的是过氧化二异丙苯，借助于过氧化物受热分解，产生游离基，游离基能与聚乙烯中的氢原子结合、失去氢原子的聚乙烯分子间就联合起来，变成交联聚乙烯(如图12所示)。交联聚乙烯电缆与油纸电缆相比，具有结构简单，制造周期短，工作温度高，无油，敷设高差不限，运行可靠，质员轻，安装、维护简单和输电损耗小等优点。由十耐热性和机械性陀好，传畅容量大，不仅适用于中低压，而且还可以应用到高压和超高压系统中。表11列出了交联聚乙烯绝缘与其它绝缘的性能比较，也充分地证明了交联聚乙烯绝缘是一种优良的绝缘材料。所以交联聚乙烯绝缘电缆不仅在中低压范围内能代替传统的油纸绝缘电缆，而且在高压或超高乐等级上可与自容式充油电缆相竞争。交联聚乙烯电缆的老化一、电气方面 (一)游离放电者化 这是在绝绦层与屏蔽层的空隙产生游离放电，而使绝缘受到侵蚀所造成的绝缘老化现象。不过在正常相电压下，游离放电一般不会发生，而仅在电缆内部有缺陷时才合成为问题。(二树老化所谓树，主要有电树、水树两种。电树是在局部高电场(绝缘与内半导电层的界面等)作用下，某些缺陷在绝缘层中呈现树枝状伸展，最终导致绝缘击穿。水树的形成与敷设环境有关，在有水分和电场共存的状态下，可分为从导体的内半导电层上产生的内导水树、从绝缘的外半导电层产生的外导水树、从绝缘层中空隙等产生的蝴壤结形水树3类。特别是从内半导电层上产生的内导水树，将使电缆购绝缘强度大幅度地降低。 二、化学方面 化学老化是由于敷设环境所引起的，如把电缆敷设在台有石油化学物质的地下而造成聚氯乙烯护套产生膨胀。有一种称为硫化的老化现象，对电缆绝缘影响最大。由于硫化物(硫化氢等)透过护套及绝缘层与电缆的铜导体产生化学反应，生成硫化铜和氧化铜等物质，这些物质在绝缘层中从内导一例向护套一例呈树枝状伸展，如同水树一样，这种老化现象统称为化学树。此外，还有物理物理老化、机械老化以及生物侵蚀造成的老化。一、水树的形成与发展 如前节所述，水树就是交联聚乙烯电缆在进水的情况下，出于电场的作用，使绝缘体内形成树枝的现象。迄今为止，这方面还在继续进行大量的研究工作，目前已弄清楚纳现象有： (1)在水和电场同时存在的条件下发生水树。 (2)水树是由直径为数微米的水填满的空隙群所组成的。 (3)即使在比较低的电场下也能发生水树。 (4)绝缘中的杂质、半导电层的缺陷、空隙等高电场处，是水树引发的起点。 (5)水树在直流电压作用下难于产生，但在交流电压作用下较易产生，高频电压也能促进水树的发生。 (6)在高温水中(例如导体浸水)水树较易发生而且也容易延伸。 (7)水树在形成过程中，由于放电而观察不到脉冲现象。 (8)发生水树的部位，会产生机械变形。国内西安交通大学和武汉高压研究所对交联摄乙烯电线树老化初步研究结果，也认定树老化是导致绝缘最后发生击穿的主要原因。通过大量人工加速老化试验表明，与国外研究结果基本相同t可将树枝分成3类：第一类称为电树枝其特点是树枝放电是从材料不连续点或界面引发出来的，树枝管连续，内空而没有水分，管壁上有交联聚乙烯因放电而分解产生的碳粒痕迹，分技少而清晰，如图58(a)所示。第二类称为电化枝校，它的产生原因基本上与电树枝相同，只国内西安交通大学和武汉高压研究所对交联摄乙烯电线树老化初步研究结果，也认定树老化是导致绝缘最后发生击穿的主要原因。通过大量人工加速老化试验表明，与国外研究结果基本相同t可将树枝分成3类：第一类称为电树枝其特点是树枝放电是从材料不连续点或界面引发出来的，树枝管连续，内空而没有水分，管壁上有交联聚乙烯因放电而分解产生的碳粒痕迹，分技少而清晰，如图58(a)所示。第二类称为电化枝校，它的产生原因基本上与电树枝相同，只不过在空隙中渗进了其他化学溶液，当导体材料起化学反应，其生成物(如亚硫酸锡、硫化物溶掖等)在电场作用下蔓延伸入绝缘层形成树枝状物，称为电化树枝。这种树枝呈棕褐色，它在比形成电树枝低很多的场强下即可产生，如图58(b)所示。第三类称为水树枝，它是由水分侵入交联绝绕层中，在电场作用下形成的树枝状物。它的特点是引发树枝的空晾中有水分，也是在比引发电树枝低得多的电场强度下即可发生。树枝管有的大体不连续，内聚凝有水分，主干树枝较钮，分枝多而且密集，如图58(c)所示。第一节 油浸纸绝缘电力电缆油浸纸绝缘电缆自1890年问世以来，已有一百多年的悠久历史，其系列与规格最完善已广泛应用于330kV及以下电压等级的输配电线路中，并已研制出500一70Gkv的超高压电缆。这种电缆的特点是：耐电强度高，介电性能稳定；寿命较长；热稳定性好；载流量大；材料资源丰富；价格便宜。缺点是；不适于高落差敷设；制造工艺较为复杂；生产周期长；电缆头制作技术比较复杂等。10kV及以下：三芯统包型10kV及以上：屏蔽型或分相铅包型两者tH比，分相屏蔽型电缆结构紧凑外径小，可节省金属护套利外扩层材料。分相铅(铝)包电缆电气性能稳定，世外径大重量较大G这两种径向型电缆在结构上各将特点，与非径向的统包型电缆比较，虽然价格较贵，但具有两个重要的优点：其一是，电缆线芯用园电场均匀，没有绝缘表面的切向应J，绝缘性能较好。适用于较高电压竿级的电线；其二是，单相故障不易转化为相间故障，使毕修更快、史方便。 二、塑料电缆的屏蔽技术 塑料电缆的电气性能与其绝缘结构密切相关。影响塑料电力电缆运行寿命的树枝放电和局部放电都与屏蔽结构、屏蔽性能的好坏有直接的关系。所以说，屏蔽结构与屏蔽性能的奸坏直接影响高压塑料电力电缆的运行寿命： 塑料绝缘电力电缆的屏蔽包括内半导电屏蔽、防发射屏蔽、外半导电屏蔽祁绝缘外舍属薄带屏蔽，现分述如下。 (一)内半导电屏蔽层 电力电缆绝缘层内侧(即导电线芯表面用是：(1)消除导电线芯表面的气隙，提高耐局部放电、树枝放电的能力、(2)均匀导电线芯表面电场，减少因导55效府所增加的导体表面最大场强。低导丝表面电场强度的20一30。 (3)抑制树枝的引发。当导体表面金属毛刺直接刺人绝缘层时肘会引发电树枝。内半导电屏蔽特有效地减弱毛刺附近的电场强度提高耐树枝放电的特性。尖刺高场强的场致发减少场致发射，从而 (4)热屏蔽作用。当电缆温度突然升高(线芯发热)时，有了半导电腥的隔离，高温不会立即冲击到绝缘层，在定程度上降低丁绝缘的温升，保护主绝缘，蚊有热屏障作用。从“IEc20A29，t文件中对策乙烯电缆的规定可以看出，用合适的半导电材料屏蔽后，其最大额定短路温度可出130 C提高到150 C。 般地，半导电屏蔽材料的电阻率为：rJ10，n Ym。 (二)防发射屏蔽层 塑料电缆向高压等级发展，面临着局部高场强区域场致发射电子，引发电树枝而绝缘击穿的重大技术问题。国内外不少电缆技术专家正致力于高压塑料电缆绝缘结构中界面引发电树枝性能的研究。防发射屏蔽是这种研究中的一项专利技术，是目前研究复合介质抑制界面电树枝在电缆中应用的一项重要成果。这对于110kV以上高厌塑料电力电线具有1分重要的意义。 防发射屏蔽层能有效地防止绝缘层中电场畸变导致电子的发射，控制电树枝的引发。 电缆绝缘层中电场分布的均匀性与绝缘材料的介质常数s、绝缘结构巾介电常数的分布情况有很大关系。特别是高压塑料电力电缆出现了不可缺少的内、外半导电屏蔽层后，父带来了新的问题如果半导电界面不平整，半导电层有尖凸物、半导电层有凹陷、五分阶式绝缘(接头部位多采用分阶绝缘)、复合绝缘界面有缺陷，都将严重恶化绝缘层中电场的均匀性“水树枝的种类很多，对电缆的危害也很大。但是，水树枝具有消失和重现的特点。有的水树枝受热、干燥、抽真空等会消失形态，浸入热水中又会重现，水树枝消失时表明管道发生闭合，材料细微龟裂后又回弹，但未使结构分解。在实际电细中，干法制造的交联聚乙烯电缆构B少发现水树枝，而湿法制造的交联聚乙烯电缆中却常常见到水树枝。几种常见的水树枝如图124所示。对电缆型号的选择，府在满足电缆敷设场合技术要求的前提下，兼顾我国电缆工业发展的技术政策，即：线芯以铝代铜、绝缘层以棕翅代油浸纸、金属护套以铝代铅以及征外护层上发展棕塑护套或组合护套等。综合以上诸多用素，电力电缆选择的