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2019/11/24,1,电力电缆,高电压与绝缘技术专题,2019/11/24,2,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,2019/11/24,3,一、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,2019/11/24,4,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，可以弯曲。,2019/11/24,5,2.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。,2019/11/24,6,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,2019/11/24,7,10kV及以下：三芯统包型,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,2019/11/24,8,1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,10kV及以上：屏蔽型或分相铅包型,分相铅包型电缆,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。单相故障不易转化为相间故障，使维修更快、更方便。,2019/11/24,9,3、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）塑料绝缘电缆聚氯乙烯绝缘电缆聚乙烯绝缘电缆交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆（3）橡胶绝缘电缆,2019/11/24,10,二、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,2019/11/24,11,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,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,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,2019/11/24,12,（二）充油电缆1、自容式充油电缆,利用补充浸渍剂的方法消除电缆中的气隙。导电线心中有空心油道，当电缆温度升高时,浸渍剂膨胀，电缆内部压力增加,浸渍剂流入供油箱；电缆冷却时浸渍剂收缩，电缆内部压力降低,供油箱内浸渍剂又流入电缆,防止了气隙的产生，故可以用于110千伏及以上线路。,2019/11/24,13,2、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；,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,2019/11/24,14,（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。,2019/11/24,15,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。,2019/11/24,16,（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。,2019/11/24,17,同轴分层电缆，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,2019/11/24,18,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。,2019/11/24,19,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）,2019/11/24,20,油纸电缆的工作场强,2019/11/24,21,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,2019/11/24,22,电缆绝缘在各种电压下的击穿场强单位：kV/mm,2019/11/24,23,（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。国外高压塑料电缆举例,2019/11/24,24,（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。,2019/11/24,25,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。,2019/11/24,26,四、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。,2019/11/24,27,交联电缆分子(a)PE电缆(b)XLPE电缆,2019/11/24,28,0.6/1kv三芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装阻燃电力电缆,0.6/1kv四芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装阻燃电力电缆,2019/11/24,29,（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。,2019/11/24,30,交联聚乙烯绝缘与其它绝缘材料的性能对比,2019/11/24,31,(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)树老化电树枝是在局部高电场(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,2019/11/24,32,电树枝,2019/11/24,33,水树枝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,2019/11/24,34,水树枝,2019/11/24,35,2、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。,化学树枝,2019/11/24,36,绝缘层中的各种树枝(a)电树枝；(b)电化树枝；(c)水树枝,2019/11/24,37,水树长度与关系(3.8kV以下),水树数量与关系(8.8kV以下),2019/11/24,38,五、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。,2019/11/24,39,（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。,2019/11/24,40,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。,2019/11/24,41,2019/11/24,42,（二）连接接头盒的典型结构1、油浸纸绝缘电缆,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,2019/11/24,43,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。,2019/11/24,44,2、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。,2019/11/24,45,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。预制式应力锥结构图,2019/11/24,46,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,2019/11/24,47,2019/11/24,48,低压户外终端接头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,2019/11/24,49,2019/11/24,50,冷缩三指套,预制式硅橡胶电缆户外终端头,2019/11/24,51,五、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。,2019/11/24,52,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，造成保护层过度伸展，使电缆内部产生气隙，这些气隙在电场的作用下发生游离，最后导致绝缘的破坏。电缆的电压等级越高，气隙的游离作用越显著，其最高允许工作温度就越低；无油电缆因不产生气隙，而最高允许工作温度高；聚氯乙烯结构中存在极性基团，在温度升高时，介质因电导升高较快，绝缘强度下降较大，所以其最高允许工作温度较低。一般按长期允许载流量选择电缆截面，然后对3kV以下的低压电缆校验其电压降，对3kv及以上的电缆校验其短路时的热稳定度。,2019/11/24,53,（二）电缆截面的选择应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、绝缘层以橡塑代油浸纸、金属护套以铝代铅以及在外护层上发展橡塑护套或组合护套等。(1)对有剧烈震动的柴油机房、空压机房、缎工车间等处以及移动机械的供电。应选用铜芯电缆；对其他地点应首先考虑选用铝芯电缆