高压电与绝缘技术专题——电力电缆专题讲座.ppt

2019/6/6,1,电力电缆,高电压工程系 林福昌 Tel: 87544242,高电压与绝缘技术专题,2019/6/6,2,2019/6/6,3,目 录,一 、概述 二、电力电缆的结构 三、电缆附件 四、交联聚乙烯电缆 五、电缆的老化 六、电缆的载流量,2019/6/6,4,一、概述,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 。,500kV交联电缆,2019/6/6,5,基本结构 1. 导电线芯 表1,（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，可以弯曲. 2. 电缆护层,2019/6/6,6,2. 电缆护层防水。 材料：铅包（柔软，耐腐蚀）或铝包护套。 护套外加强：钢带或钢丝铠装。 外护层：防腐场所 3.绝缘介质 10kV及以下：聚氯乙烯价格低、温度低。 35kV及以下：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。 交联聚乙烯（XLPE）：用途日增。,2019/6/6,7,电力电缆的分类 1、按结构特征 （1） 统包型（10kV及以下）。 （2） 分相型：分相屏蔽（1035kV）。 （3） 扁平型：一般用于较长的水下和海底电缆。 （4） 自容型：护套内部有压力的电缆。 2、按敷设环境 （1）直埋式 （2）构架式 （3）水下敷设,2019/6/6,8,10kV及以下：三芯统包型,图 34 三芯统包型电缆 1导体线芯；2填充 ； 3线芯绝缘 ；4统包绝 缘；5铅包； 6沥青防腐层；7铠装层 8沥青黄麻层,2019/6/6,9,10kV及以上：屏蔽型或分相铅包型,图35 三芯分相屏蔽型电缆 1导电线芯；2线芯屏蔽；3线芯绝缘；4外屏蔽层；5填料； 6扎紧带；7金属外层；8铠装层；9外护套。,2019/6/6,10,图36 三芯分相铅包型电缆 1导电线芯；2线芯屏蔽；3线芯绝缘；4外来蔽层；5铅护套；6填料；7铠装层；8外护套,2019/6/6,11,分相屏蔽型电缆结构紧凑，外径小，可节省金属护套和外扩层材料。分相铅 (铝)包电缆电气性能稳定，但外径大，重量较大。这两种径向型电缆在结构上各有特点，与非径向的统包型电缆比较，虽然价格较贵 优点： 电缆线芯表面电场均匀，没有绝缘表面的切向应力，绝缘性能较好。适用于较高电压等级的电缆； 单相故障不易转化为相间故障，使维修更快、更方便。,2019/6/6,12,3、按绝缘材料性质分 （1）油纸绝缘电缆 粘性浸渍纸绝缘电缆 不滴流浸渍纸绝缘电缆 （2）塑料绝缘电缆 （1）聚氯乙烯绝缘电缆：工艺性能好，化学稳定性髙，非延燃性，生产效率髙，价格低廉，敷设维护简单。,2019/6/6,13,聚乙烯绝缘电缆：有良好的介电性能；绝缘电阻髙；工艺性能好，易于加工，耐湿性好，比重小 。抗电晕及耐热性能较差，受热易变形或开裂。 交联聚乙烯绝缘电缆：电气性能好，击穿场强度很高，绝缘电阻髙。有较高的耐热性和耐老化性，允许工作温度高，载流量大，适宜于髙落差与垂直敷设。 （3）橡胶绝缘电缆,2019/6/6,14,二、电力电缆的结构 （一） 纸绝缘电缆 1、粘性绝缘电缆 适用于35KV及以下，在光亮油中加入松香制成粘性浸渍剂。在较高浸渍温度时具有较低的粘度保证了对纸层的完善浸渍。 正常温度时粘度大，电缆弯曲时仍具有纸层间相对位移。 浸渍电缆的热膨胀系数比其它材料要大，容易形成空隙局部放电,2019/6/6,15,敷设在较大落差时，浸渍剂下流电缆护套胀裂，上部更多空隙。 更大落差时宜改用塑料电缆或不淌流电缆,图1：粘性浸渍总包绝缘型电缆结构（10kV及以下） 1载流芯；2相绝缘；3带绝缘；4金属护层；5铠甲,图2：粘性浸渍分向铅包型电缆结构（35kV及以下）1载流芯；2半导体屏蔽；3绝缘层；4分相铅包；5铠甲,2019/6/6,16,（二）充油电缆 1、自容式充油电缆,图3：自容式充油电缆 1油道；2导电线芯；3绝缘；4屏蔽；5护套；6铠甲；7外护层,图4：油浸电缆纸的电气 强度与纸带厚度的关系 1冲击电压；2工频电压,2019/6/6,17,高压电缆油粘度较小可以及时补充。压力箱确保绝缘。 低油压（0.6MPa以下）。 国产110、220、330kV低油压自容式电缆的绝缘厚度为10、18、25mm。 2）钢管充油电缆,钢管内有三根单芯屏蔽电缆，屏蔽外包有铜带，管内充有1.5MPa左右的油压。 优点：机械强度高，油压高，电气性能易保证；,图5 钢管充油电缆 1载流芯；2屏蔽；3绝缘层；4屏蔽；5半圆形滑丝；6钢管；7防护层,2019/6/6,18,（三）充气电缆 1、纸绝缘充气电缆 附属设备简单，无液体静压力髙落差处。 充气电缆的许用场强低于充油电缆。 高压力充气电缆少见。 2、管道充气电缆（GIC）,特点：电容小、介质损耗低、散热性能好。,2019/6/6,19,缺点：一相发生故障可能影响另两相 。 国外超高压充油电缆也多采用自容式或钢管式。,2019/6/6,20,（四） 电力电缆的许用场强 1、电场分布,单芯电缆及分相铅包的三芯电缆（导体光滑）电场为圆轴圆柱体电场。 导线线芯有多根导线绞合最大场强比圆柱表面的髙30。,2019/6/6,21,对层式绝缘来说，电场法向分量高，将使滑闪放电容易出现。10kV以上的三芯电缆就改用分 相铅包（或屏蔽）结构，使电力线全与绝缘层互相 垂直。,电缆绝缘层较厚时，分阶绝缘降低场强。电场分布取决于介电常数，靠近线芯处采用介电常数大的介质,2019/6/6,22,第n层的最大场强,2、许用场强的选取 （1）交流电缆（油纸） 其绝缘老化的主要原因是局部放电,2019/6/6,23,发生局部放电（线芯附近的油隙或气隙） 持续地强烈放电，气隙扩大；放电尖端深入绝缘内部，电场畸变，放电成滑闪放电。 措施：关键是要设法提高局部放电电压。如采用分阶绝缘、绝缘层内外包半导电纸等来改善电场分布，如提高压力以提高局部放电电压。,2019/6/6,24,图6 ： 缠包绝缘中形成树枝状示意图 (a)近线芯处局部放电，(b)深入绝缘，畸变电场；(c)开始滑闪放电（粗线为放电路径，虚线为电力线）,2019/6/6,25,表3：油纸电缆的工作场强,2019/6/6,26,图7： 工频下油纸绝缘局部放电 起始场强与纸带厚度及压力的关系 油压:l一1.5MPa;2一1.0MPa; 30.1MPa； 气压：43.0MPa；52.0MPa；61.5MPa；71.0MPa；80.5MPa；90.25MPa,2019/6/6,27,表4 电缆绝缘在各种电压下的击穿场强 单位:Kv/mm,2019/6/6,28,（3）交流电缆（塑料） 决定因素是树枝化放电问题： 电树枝，导体有尖状突出物或分界面上有气隙，局部放电引起。 电化学树枝，水、硫化物等脏物导致。 表5 国外高压塑料电缆举例,2019/6/6,29,（ 2）直流电缆 绝缘强度高： 局部放电远不如交流下严重，因而直流下击穿场强很高，其击穿场强近于短脉冲下的数值； 低粘度油浸纸(充油电缆)与粘性浸渍绝缘的击穿场强的差别也不象交流下那样显著。 施加同样的场强值，则直流下的寿命要比交流下的长得多。 按用于工35kV系统设计的粘性电缆几乎可用于直流110kV系统。,2019/6/6,30,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500一750kV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。,2019/6/6,31,2019/6/6,32,四、交联聚乙烯（XLPE）电缆 由聚乙烯(PE)加入交联剂挤出成形 聚乙烯绝缘（热可塑性）电缆通过较大的电流时，绝缘会熔化变形。 交联聚乙烯（XLPE）聚乙烯分子间交联形成网状结构，改善了耐热变形性能、耐老化性能和机械性能。 交联的物理方法辐射法，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。（不经济） 化学交联在聚乙烯中加入少量的有机过氧化物，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。,2019/6/6,33,图26 交联电缆分子结构 (a)PE电缆 (b)XLPE电缆,2019/6/6,34,图41 0.6/1kv三芯交联聚乙烯绝缘阻燃电力电缆,2019/6/6,35,图42 0.6/1kv三芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装阻燃电力电缆,图43 0.6/1kv三芯交联聚乙烯绝缘钢丝铠装阻燃电力电缆,2019/6/6,36,图44 0.6/1kv四芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装阻燃电力电缆,2019/6/6,37,（一）优点 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，质量轻，安装、维护简单和输电损耗小等优点。 由于耐热性和机械性较好，传输容量大，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。 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。,2019/6/6,38,表7 交联聚乙烯绝缘与其它绝缘材料的性能对比,2019/6/6,39,图25 交联电缆热变形 抗张硬度与温度的关系 (a)热度形与温度 (b)抗张硬度与温度,2019/6/6,40,表8 较早开发交联聚乙烯电力电缆公司的开发简况,2019/6/6,41,2019/6/6,42,(1)游离放电老化 从材料不连续点或界面引发出来的，在绝缘层与屏蔽层的空隙产生游离放电（仅在电缆内部有缺陷时才会发生）。 (2)树老化 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，管壁上有交联聚乙烯因放电而分解产生的碳粒痕迹，最终导致绝缘击穿。,（二）交联聚乙烯电缆的老化 1、电气方面,2019/6/6,43,图37 电树枝,2019/6/6,44,水树分为从导体的内半导电层上产生的内导水树（危害最大）、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蝶结形水树3类。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 图28 电缠绕缘层中产生水树的位量 1内导水树；2外导水树；3一蝴蝶结型水树,2019/6/6,45,已弄清楚的水树的形成与发展机理和现象有： (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)发生水树的部位，会产生机械变形。,2019/6/6,46,图31 水树枝长度与交流 电压击穿场强关系,图32 值与交流电 压击穿场强关系,2019/6/6,47,表10 关西电力公司6kvXLPE电缆运行记录,2019/6/6,48,表11 22kV XLPE电缆蝴蝶结状水树数量和长度,2019/6/6,49,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很少发 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下页图37所示。,2019/6/6,50,图38 水树枝,2019/6/6,51,2、化学方面 硫化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统称为化学树。它在比形成电树枝低很多的场强下即可产生， 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。,2019/6/6,52,图39 化学树枝,2019/6/6,53,图33 绝缘层中的各种树枝 (a)电树枝；(b)电化树枝；(c)水树枝,2019/6/6,54,图29 水树长度与 关系(3.8kV以下),图30 水树数量与 关系(8.8kV以下),2019/6/6,55,（三）塑料电缆的屏蔽技术 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。屏蔽结构与屏蔽性能的好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、外半导电屏蔽和绝缘外金属薄带屏蔽。,2019/6/6,56,1、内半导电屏蔽层 (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。 (4)热屏蔽作用。当电缆温度突然升高(线芯发热)时，有了半导电层的隔离，高温不会立即冲击到绝缘层，在一定程度上降低了绝缘的温升，保护主绝缘，故有热屏障作用。用合适的半导电材料屏蔽后，聚乙烯电缆最大额定短路温度可出130度提高到150 度。,2019/6/6,57,2、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。 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。 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。,2019/6/6,58,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，又带来了新的问 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、或分阶式绝缘(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。,2019/6/6,59,2019/6/6,60,五、 电缆附件 （一） 电缆终端电场分布,电缆终端处的放电，是极不均匀电场中的放电。电晕放电和滑闪放电是主要的放电形式。 （1）首先在金属屏蔽层附近，或法兰边缘处发生电晕放电，出现紫色的晕光及丝丝声响。随着电压的升高，电晕向前延伸逐渐形成由许多平行火花细线组成的光带。这些细光带虽较电晕明亮，但仍较弱。放电细线的长度随电压正比增加。放电通道中的电流密度较小、压降较大辉光放电。,2019/6/6,61,（2）当电压超过某临界值后，个别细线开始迅速增长，进而转变为树枝状、紫色、明亮得多的火花。特点： 通道中电流密度较大，压降较小。 滑闪放电火花随外施电压增加迅速增长，电压稍有增加，滑闪放电火花就可能延伸到高压极，形成完全击穿。 若金属屏蔽处法兰很光滑，辉光放电可能不明显而直接出现滑闪放电。,2019/6/6,62,极不均匀电场中，沿面闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压小。由于强垂直分量的作用易引起热游离和出现滑闪放电。,2019/6/6,63,2019/6/6,64,（二）连接接头盒的典型结构 1、油浸纸绝缘电缆,图8 110一220kV自容式充油电缆普通接头 1一封铅 2一接地屏蔽 3电缆芯 4半导体屏蔽 5一外壳 6增绕绝缘 7芯管 8压接管 9一油嘴,2019/6/6,65,特点： （1）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。 （2）高压的充油电缆 要求：保证电气连通和油流的畅通无阻。 方法：靠近连接端的电缆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，再包绕增绕绝缘。增绕绝缘两端形成应力锥面（表面场强均匀）。两根相接的电缆的屏蔽为等位面。整个装置与压力供油箱连通。,2019/6/6,66,为了防止电缆故障漏油扩大到整个电缆线路往往采用塞止式连接盒，使油泊流互不相通。其结构分单室 式和双室式两种。,图9 220kV双室式塞止接头的结构 1一环氧树脂套管 2一电缆室增绕绝缘 3一电缆 4一填充绝缘 5芯管 6导体连接 7带有绝缘的电极 8轴封螺帽 9一密封垫圈 10外腔增绕绝缘 11外壳 12一密封垫圈 13一油嘴 14接地端子 15一封铅,2019/6/6,67,2、橡塑绝缘电缆连接盒 由于没有金属护套和浸渍剂，只需用普通连接盒将电缆各制造长度连接起来。 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。,2019/6/6,68,对于高压交联聚乙烯绝缘电力电线的连接盒，目前主要是在金属屏蔽层边缘的电场集中处安装以预制成型的应力锥。 图10 预制式应力锥结构图,2019/6/6,69,图11 低压户外终端接头 图12 10kV户外终端头 l端子 2密封管 3一绝缘管 4单孔防雨裙 5一三孔防雨裙 6一手套 7一接地线 8一PVC护套,2019/6/6,70,图13 110220kV充油电缆增绕式终端接头盒 1、2高压端屏蔽 3一增绕绝缘 4一接地屏蔽 5一应力堆 6电缆,2019/6/6,71,2019/6/6,72,图 14 400kV高油压充油 电缆电容锥式终端接头盒 1电缆铅套 2应力锥 3高强度瓷套 4电容锥绕包 5屏蔽罩,2019/6/6,73,图16 110kV象鼻式终端头 1一油嘴 2亮体 3一衬垫 4一电缆连接触头 5一电缆连接头 6电缆导体 7增绕绝缘 8一工厂绝缘 9主绝缘 10一胶木筒 11封铅12电缆铅包 13一防震套 14一套管引出触头 15一瓷套 16导电杆,2019/6/6,74,图18 电容锥式终端接头盒内外绝缘相对位置示意 1一线芯 2一工厂绝缘 3一电缆护套 4电容锥极板 5屏蔽罩 6一瓷套 7一法兰,2019/6/6,75,图45 冷缩三指套,预制式硅橡胶电缆户外终端头,2019/6/6,76,图46 预制式户外终端,图47 预制式户内终端,2019/6/6,77,五、 电力电缆的载流量 （一）电缆的长期允许载流量 电缆长期允许载流量是指当电缆通过电流时在达到热稳定后，电缆导体的温度恰好达到长期允许工作温度则的电流数值。 主要决定因素： 电缆的长期允许工作温度。 电缆本身的散热性能。 电缆装置情况及其周围的散热条件。,2019/6/6,78,不同电压等级和绝缘型式的电缆，其最高允许工作温度值不同。 电缆绝缘层受热膨胀，造成保护层过