（电力系统及其自动化专业论文）电缆改造引起的护层感应电压变化及其补偿研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o n ，u s i n go fp o w e rc a b l ei nt h ec i t y p o w e rs u p p l i e sb e c o m em o r ea n dm o r e p o w e rc a b l ei sr e p l a c i n gt r a n s m i s s i o nl i n e p r o g r e s s i v e l yi ns o m e c k i e s b u tp o w e rc a b l eb r e a k d o w nb e c o m em o r ea n dm o r ef o r t h eq u a n t i t yi n c r e a s e d ，r u n n i n gt i m ed e l a y e da n dc i r c u i tt r a n s f o r m e d l e n g t ho f t h e t r a n s f o r m e dp o w e rc a b l ec a n tm e e tt h eo r i g i n a ld e m a n d so ft h r e es e c t i o n sr e p l a c e a n db r e a k d o w no fp o w e rc a b l ec i r c u i tc a u s et h ev o l t a g eu n b a l a n c eo fm e t a lp r o t e c t l a y e r t h er e a s o n o fb r e a k d o w ni sv a r i e d i np r o j e c tc o n s t r u c t i n g ，a n yi m p r o p e r o p e r a t i o n c a r lc a u s et h ep u n c t u r ei np o w e rc a b l ec i r c u i tr u n n i n g w i t ht h ei n c r e a s eo fb r e a k d o w na n dt r a n s f o r mo fp o w e rc a b l ec i r c u i t ，t h e i n f l u e n c eo fv o l t a g eo fp o w e rc a b l e p r o t e c tl a y e r s h a sb e e nc a u s e da t t e n t i o n b y k n o w l e d g e a b l ep e o p l e t h ep r o b l e mm u s tb es o l v e dn o w i st or e d u c ea n de l i m i n a t e t h ei n f l u e n c eo f t h e p r o t e c tl a y e rv o l t a g e t h i st h e s i sa n a l y s e st h ea c t u a lc a s e ，f i n d st h eb r e a k d o w nr e a s o na n d p r o v i d e st h e s o l v e dm e t h o d f o rt h ep o w e rc a b l ec o n n e c t e db yt h r e es e c t i o n sr e p l a c e ，t h et h e s i sc o n s t r u c t st h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fp o w e rc a b l e p r o t e c tl a y e rv o l t a g el a yi na n yw a y ，i n c l u d i n g s i n g l el i n ea n dd o u b l el i n e sa r r a n g ei na n yw a y m a t h e m a t i c sm o d e lw i t hi n d u c t a n c e c o m p e n s a t i o n i sc o n s t r u c t e db a s e do nt h e p r o p o s e d m o d e l a c c o r d i n g t ot h ec o n s t r u c t e dm a t h e m a t i c sm o d e lw i mi n d u c t a n c e c o m p e n s a t i o n , t h et h e s i sw r i t e st h e p r o c e d u r e i n t e r f a c eo ft h es o f t w a r ep a c k a g ei sf r i e n d l ya n d o p e r a f i o ni se a s y t h et h e s i sa n a l y s et h em e a s u r e dd a t ao f s c e n e t h e o r yr e s u l ta n dp r o j e c tr e s u l t a r ei d e n t i c a l t h ee x a c t n e s so ft h ep r o p o s e dm a t h e m a t i c sm o d e la n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h es u b j e c tr e s e a r c ha r ev e r i f i e d k e yw o r d s ：p o w e rc a b l e ，i n d u c e dv o l t a g e ，i n d u c t a n c e ，v o l t a g ec o m p e n s a t i o n 独剑性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指搭下进行的研究王作和取荦罄的研究成 莱，豫了文审将翻蕊懿拣注和致落之缝夕 ，论文中誉毽含其毯入蠢经发表或撰麓过静研究 成果，也不包含为获得煎瀣盘生或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的阎志对本研究所做的任何鼹献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丑才吒存签字日期： ，年z 月f 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基瀣基堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 蓬蠢盘茎霹戳将学位论文豹全部或帮分内褰缡入蠢关数撵瘴滋孬硷索，劳采霭影窜、 缩印或扫搐等复制手段保存、汇编以供溉润和借阅。本入电子文橙的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文之外，允许论文被查阅和借阅。论文全部娥部分内容 的公布( 包撼列登) 授权酒海大学研究生院处理。 学位论文作者签名：立，她 签字蠢黧：心f 年五筠，墨 剔聪轹丁一 签宰西赣： of 年2 月，酲 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 本课题的研究意义 在现代的城市发展中，电能融经成为社会发展的必不可少的基础能源之一。 电能的传输需要一个巨大的电力嘲络建设，电厂、变电站、输电线路和保护系统 等或菇凝拿毫弼鲮主要缝成零分。惫两孛饪键一个帮努窭魏滴瑟，都会蒡掌懑嚣熬 安全运行造成不可储量的损失。由于电能输送设备的故障造成的停电事故不仅对 电网本身的安全和经济运行带来损失，更严重的是也会对社会、经济甚至政治产 生深塞g 熬彩臻。霾熬，絮篱确缳滚缝安全霹靠俺输羁蠛枣熬器令是落，裁电力金 业多年来一直追寻的目标，也是社会的发展对电力企业的一个最基本要求。 多雄以来，人们对电网的各个组成元件及其运行特性进行了细致而深入的研 究，露鏊链够采取一定魏嫠施强耱移减少毫爨中戆教漳戆发艇。司霹，蠢逶过对 新工艺、新技术、新材料的选用，尽可能的将电网构造的更加可靠。改革开放以 来，我阑的电力建设有了突飞猛进的发展。随麓城乡电网建设与改造的进展和西 蘩大矛发静实蕤，我瀑工农翌秘人涎生活惩奄疑淘着更广瓣瓣方淘发爨。俸为诺 输和分配电能用的电缆，需求量厩在快速增长。电力电缆程输电线路中的运用， 有效的减少了外力破坏对电网安全运行的影响。随着国民经济的迅速发展，电力 电缓懿疲磊毒冬越来越广泛。欤菜奉誊意义上谩，魄缆傻瑗戆骜遮瞧不仅反浚了宅力 工业发展的水平，同时也反映了城市建设的发展的现代化程度i ”。 大多数情况下，电力电缆线路的建设费用比架空线昂贵，但是它具宥报雾优 点：耄力毫缓线路一毅淫手主壤域数设子警邋、海遥、隧遂孛，不露释臻，占雳 地面和空间少；不受气候和周围环境条件的影响，供电可靠，安全性高；运行简 单方便，维护费用低；市容整齐美观等。 毫力毫缆线路鹣特点其钵俸蠛在戳下死令方瑟： ( 1 ) 由于城市的发展，使得城市的用电密度增高，用电量越来越大。而架 空导线又受到大城市地面、空间、环境保护以及安全等方面的限制，因 魏戆、配邀线路只麓采怒魄缆，并发滋残为毫缆输、配毫淹络。鞠使是 中等城市，聚用地下电力电缆线路来代替架空线路的情况也目益增多。 海鹰大学硪学位论文 第一章鳍论 电缆作为地下敷设，不占用地面上的空间，非常有利于城市建设的发展。 ( 2 ) 一些发魄厂、变电所特别是水电站，由予受地形、环境和建筑的耀剑， 使褥进如线走艨非鼹拥挤，架空线踌方寨溅于实憨，爨此只褥采震电力 逛缆线路铭为进出线或瞧站内部的联络线路。 ( 3 输电线爨跨越江、溜、滏、海浃等，不能用粲空导线靖，采孺在桥上 或水底敷设电力电缆的方法也越来越多。 ( 4 ) 现代化的工厂、矿山企业以及大型体育场馆，饭店、交通单位等用电 量怒很大的，这些工厂与场所的配电线路和对厂内机器设备的供电，都 需要采用大量的电缆线路。 ( 5 ) 地下敷设电缆相对于人身安全更加可靠，同时也减少了受钋力破坏鲍 影响； ( 6 ) 瞧缆线路不荔受周围环壤污染款影嚷，避免了架空线潞污溺释毫豹可 能，有力缝提齑了送毫霹靠性嵩等f 。 因魏，在城市入口稠密地区的输配电网络，大登工厂、发电厂、电网交叉区 等要求苦遣小的地区，以及为了减少电湖对交通、城市建设的影响等，多数采用 电力电缆供电：在严重污染区，为了提高供电可靠性，多采用电力电缆；对于过 江、跨海等输电线路，由于跨度大不适予架设架空线。也多采用电缆；还毒，从 国防战备需要考虑，避免暴髅目标也多采用电缆。总之，电力电缆已成为竣浆电 供电网终中不可残缺的一个组成部分。 照蓉城枣建设的发展，电力瞧缆在城网供电中掰占懿宠铡氆越来越大，在一 些城枣串电缆委在遂步取代架空输窀线路h i ；僵黼辩随者电缆数餐的增多及运彳亍 辩闻瀚增长，电缆线路韵改造戮及敌障情况诡越来越多。改造后的电缆线路，萁 奄缆分簸长度往往不能满足原来的电气设计要求，从而引熬电缆电气性能的改 变，给电缆的安全运行带来定的影响，甚至造成电缆的击穿故障。造成电缆线 路的故障原豳多种多样，有呶缆本体的质量引起的故障、育电缆附件的质量弓i 起 的故障，也有安裟施工的质量引起的故障等；瓤安装施工是人为影响暇素最大熙， 其中，安装工艺的准确到位，是魄缆质量最主要麴保涯。在王程越工中，任侮一 处的操作不当，都有霹能导致电缆线路奁将来运抒中发生故障毒穿1 3 1 。鬻京供电 公司2 0 0 3 年5 是3 0 尽1 1 0 k v 珠江2 毒线电缆接头击穿敲薄，给该公司的施互安 2 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 装和质量控制管理工作以深刻的教训和反思，同时加深了对电缆一些具体问题研 究和分析的工作力度。鉴于此次故障给电网安全运行带来的危害，使本文的理论 研究具有更大的及时性和实用性。 在城市现代化的发展过程中，城区的配网及主网线路己大量采用电缆，随着 负荷容量的增加，单芯高压电缆的比重必将日益增大。而在单芯电缆的设计施工 中，电缆金属护层的过电压保护一直是一个很重要的问题。一般来说，新设计的 电缆线路，通过采用金属护层换位等措施可以较好地解决金属护层的过电压问 题。但是，随着社会的发展，电缆线路的改造日益增多，改造后的电缆线路，其 长度往往不能满足原来设计的三段换位要求，从而引起运行中电缆金属护层电压 的不平衡。 金属护层电压不平衡不但引起电缆线路护层环流( 护层环流的数值可达到与 线芯电流相同的数量级) p l , 导致大量的能量损耗，而且造成电缆发热，影响电 缆的运行寿命。因此，必须采取措施减小或消除这种护层感应电压的影响。 随着全国及江苏电力工业的快速发展，电缆线路的改造施工必将越来越多， 电缆护层感应电压的影响已逐渐引起了不少业内人士的重视。对这种感应电压的 研究以及如何采取措施减小或消除这种护层感应电压的影响已成为当前必须解 决的问题。 1 2 目前国内外的研究现状 目前，国内外普遍采用的方法是补偿电缆( 即增加电缆的长度) ，使其改造 后的长度与原设计的三段换位时的电缆等长，并将多放的电缆盘放在电缆沟中。 这种方法显然有其不足之处：增加电缆长度和接头安装，即增加了建设投资成本； 而且，多放电缆往往受到空间和敷设条件的限制导致实施难度很大。由于这些现 实条件的制约，使得目前工程上一直没有比较理想的解决方法。 电缆改造中，由于其长度不完全符合三段换位等长的设计要求，所引起的护 层电压不平衡已被人们所认识。因此除补放电缆外，目前国内还没有更为有效的 解决措施( 当这种不平衡电压不是很高时，一些企业甚至不加处理) 。国内有些 供电企业，对因电缆感应引起的环流的大小有的内部规定，一般认为小于5 的 输送电流，不会对电缆运行造成严重影响引。但是，由于电缆线路的结构特殊， 塑塑查兰塑主兰堡垒塞堡三童! ! 鱼 其运行产生还将产生电容电流分量，同时会在长线路的电缆金属护层中会产生较 大的容性电流。如何在接地侧降低上述感应电压产生的环流和电缆电容产生的容 性电流，目前在国内外的研究都还是空白点。 1 3 本文的主要工作 本课题的研究，旨在通过理论分析，建立相关的数学模型，并结合实验研究 提出比较合理的措施，减小或消除这种护层电压的影响( 兼顾考虑电缆电容电流 的影响) 。一方面为电缆线路的更新和系统改造节约大量的投资；另一方面，通 过减小护层环流及其引起的额外的能量损耗，同时也提高了电缆的载流量及其使 用寿命。 当电缆线路采用换位接线方式设计时，每个换位单元每段电缆的长度应力求 相等，电缆敷设位置也应力求平衡。但是在进行电缆线路的改造开发时，由于地 形、环境等条件的限制，导致三段电缆的长度不再相等( 在实际施工中一般只有 其中一段电缆的长度会发生变化) 。由于三段电缆长度不相等，必然会在电缆金 属护层上产生感应电势。而当金属护层接地形成通路，感应电势就会引起电流而 在护层中产生损耗，使电缆发热，降低了电缆的传输容量，这是很不经济的。若 是补偿一段电缆，一方面电缆的造价昂贵：另一方面，由于电缆大多是埋设在地 下，敷设条件也限制了电缆的占用空间。出于对上述条件的考虑，可考虑对不等 长的一段电缆金属护层的感应电压进行补偿。 电缆线路改造开发之后，电缆的长度往往会发生变化，由于其中一段电缆不 会正好与原来的电缆长度相等，则当该段电缆长度小于原长度时，考虑在金属护 层上联接电感进行电压补偿( 相对于补偿电缆，补偿电感的成本是很低的) 。 根据工程实际需要，考虑到目前采用电缆补偿方法的缺点，本文提出了对于 三段换位的不等长电缆末端采用电感补偿的方法，既可以有效减小或消除护层感 应电压造成的的影响，又可以大大降低电缆改造成本。 本文首先介绍了目前正大量使用的电力电缆的结构与电气参数的特点，并给 出了电缆的主要电气参数的计算公式。 给出了现场电缆的故障案例，对故障原因进行了理论分析，并根据实际情况 提出了解决的对策。 4 河海大学硕士学位论文第一章绪论 详细分析了电缆金属护层感应电压产生的原因以及保护措施，建立了电缆线 路改造开发后，其护层感应电压计算的数学模型，将理论与实际结合起来，对实 际的案例进行了分析。 文章最后给出了软件包的总体设计方案，并对现场的实际测量数据进行了分析。 河海大学硕士学位论文 第二章电力电缆的结构与参数特点 第二章电力电缆的结构与参数特点 随着电力工业的发展和科学技术的进步，新材料、新工艺的不断出现，各种 结构和不同电压等级的电缆也相续出现。 2 1 电力电缆的分类 电力电缆的分类方法可以有很多种，如按电压等级分类、按导体标称截面分 类、按导体线芯数分类、按绝缘材料分类等。具体分述如下【5 l ： 1 、按电压等级分类 电力电缆都是按照一定电压等级进行生产制造的，针对于不同的运行情况， 使用不同的电压等级电缆。目前国内的电力电缆产品电压等级有o 6 1 、1 1 、3 6 6 、 6 6 、6 1 0 、8 7 1 0 、8 7 1 5 、1 2 1 5 、1 2 2 0 、1 8 2 0 、1 8 3 0 、2 1 3 5 、2 6 3 5 、3 6 6 3 、 4 8 6 3 、6 4 1 1 0 、1 2 7 2 2 0 、1 9 0 1 3 3 0 、2 9 0 5 0 0 k v 共1 9 种。 常用的电缆电压等级u o u ( k v ) 为0 6 1 、3 6 6 、6 1 0 、2 1 3 5 、6 4 1 1 0 ，这 些电压等级电缆适用于接地故障时间不超过l m i n 的三相系统；而电压等级u o u ( k v ) 为1 1 1 、6 6 、8 7 1 0 、2 6 3 5 、4 8 6 3 的电缆适用于接地故障时间不超过2 小时的三相系统。 2 、按导体标称截面积分类 电力电缆的导体是按一定等级的标称截面积制造的，这样既便于制造，也便 于施工。我国的电力电缆标称截面积系列为：1 5 、2 5 、4 、6 、1 0 、1 6 、2 5 、3 5 、 5 0 、7 0 、9 5 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 5 、2 4 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 3 0 、8 0 0 、1 0 0 0 、1 2 0 0 、 1 4 0 0 、1 6 0 0 、1 8 0 0 、2 0 0 0 m m 2 ，共2 6 种。其中，高压电力电缆的标称截面积一 般为2 4 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 3 0 、8 0 0 、1 0 0 0 、1 2 0 0 、1 4 0 0 、1 6 0 0 、1 8 0 0 、2 0 0 0 m m 2 ， 共1 0 种。大截面导体有利于系统大容量的输送，因此，输电线路一般选用导体 截面积比较大的高压电缆。 3 、按导体线芯数分类 电力电缆导体线芯有单芯、二芯、三芯、四芯和五芯共五种。单芯电缆通常 用于传输单相交流电、直流电，也可在特殊场合使用( 如高压电机引出线) ；一 河海大学硬士学位论文 第二章电力电缆鹤结构与雾数特点 般中低压大截面的电力电缆和高臁电缆多数为单芯。二芯电缆多用于传遴单相电 秘壹浚毫；三蕊毫缆主要矮于三赣交滚毫矮中，在3 5 k v 及激下各麓，l 、截黉懿毫 缆线路中得到广泛邀用。四芯和五芯电缆多用于低压配电线路，只有电愿等级为 l k v 以下的电缆才肖二芯、四芯和五芯电缆。 4 、按绝缘毒砉糕分类 按照电缆的绝缘材料的不阊，可将电力电缆分为三类： ( 1 ) 纸绝缘电缆 缎缝缘毫缝是绕惫绝缘纸繁藏浸凌笼缘裁( 涵类) 终必绝缘兹毫缆，窭现在 1 9 世纪末期。根据浸渍剂的不同，纸绝缘电缆可分为两类，黏性纸绝缘电缆和 不滴流纸绝缘电缆。这两个系列的电缆结构完众一样，制造过程除了浸溃工艺有 菠不鬻终，其余毽帮耀嗣。只是不滚滚纸绝缘瞧陵薛浸渍粼糨度太，奁工佟温度 下不流动，能满足离落差的环境使用( 矿山、骚井等) 。 ( 2 ) 挤包绝缘电缆 揍纛缝缘亳缆又称霾薅耪送聚合毫缆，窘楚蔽熬望注藏熬阖洼糖精挤包形藏 绝缘的电缆。目前，挤包绝缘电缆又根据绝缘材料的不同，分别有聚氯乙烯( p v c ) 电缆、聚乙烯( p e ) 电缆、交联浆乙烯( x l p e ) 电缆和乙雨橡胶( e p r ) 电缆 等。装中交联聚乙赚泡缆是2 0 羹纪豹年筏豁纛发震最侠弱瞧缆晶静。糍与纸绝 缘电缆相比，在加工制造和安装燧用等方面有不少优点。冀制造周期短，舞装工 艺简便，工作温度w 达9 0 度等。 ( 3 ) 基力毫缆 压力电缆是在电缆中充以能够流动的、并有一定压力的绝缘油或气体的电 缆。带商压力的电缆，可以抑制绝缘层中的间隙，使电缆绝缘工作场强明殿提高， 可敬鞲予1 1 0 k v 及菝上窀压等级窀力龟缆。梭器力榜辩豹不嗣，压力龟缆可班 分为充油电缆和充气电缆等。 2 2 魄力电缆静结聿每 虽然电力电缆的种类划分多种多样，但就蕻在电网中的运用情况，其结构都 可以用魄较篱单的形式热鞋表示。见委2 1 ： 7 河海大学硕士学位论文 第二章电力电缆的结构与参数特点 护层 ( a ) 三芯电缆( b ) 单芯电缆 图2 1 电力电缆的结构示意图 目前，在我国交流输电网络中的电缆大多采用上面的结构。从内到外主要分 为三大部分：线芯、绝缘层和护层【6 j a ( 1 ) 线芯 电力电缆线芯的作用主要是传送电流，线芯的损耗主要由导体截面积和电导 系数来决定。为了减小电力电缆线芯中的损耗和电压降，电缆线芯一般由具有高 电导系数的金属材料铜或铝制成。 铜具有高的导电性和导热性，足够的机械强度和良好的耐腐蚀性，无低温脆 性，便于焊接，易于加工成各种型材，是最广泛应用的导电材料。铝同样具有良 好的导电性、导热性和耐腐蚀性，易于加工成各种型材，无低温脆性；虽然机械 强度比铜低，但比重小、且资源丰富，也是广泛使用的一种导电材料。 电力电缆必须保证一定的柔软性和可弯曲度，因此，较大截面的电缆线芯要 由多根较小直径的导线绞合而成。实际上，根据线芯的外形可分为圆形线芯、中 空圆形线芯、扇形线芯、椭圆形线芯四类。但由于圆形线芯的电气特性比较均匀， 在3 5 k v 及以上电压等级的电力电缆中，是主要的结构形势；其它形式的线芯在 低压线路中也有一定的运用。 ( 2 ) 绝缘层 作为电力电缆的绝缘层材料，必须具有以下几个特性 1 、较高的击穿场强( 脉冲、工频等) 2 、较低的介质损耗系数 3 、相当高的绝缘电阻 河海大学硕士学位论文 第二章电力电缆的结构与参数特点 4 、优良的耐树枝放电、局部放电能力 5 、一定的机械强度和柔软性 6 、电气及物理性能的长期稳定性等。 因此，针对电力电缆绝缘的特殊要求，在材料的选择上主要集中在浸渍纸、 橡胶和塑料等种类上。 纸绝缘电缆的绝缘层是采用窄条电缆纸带( 通常宽度为5 2 5 m m ) ，一层层 地绕包在电缆导体上，经过真空后浸渍矿物油或合成油而形成的。电缆纸绝缘是 木质纤维纸经过浸渍剂浸渍后的产品，因此纸绝缘电缆的绝缘层实际上是木质纤 维素与浸渍剂的夹层结构。3 5 k v 及以下的纸绝缘电缆采用松香光亮油复合黏性 浸渍剂，这种浸渍剂的特性是，在电缆的工作温度范围内有较高的黏度，以防止 浸渍油的流失，确保绝缘的可靠性。 挤包电缆的绝缘层材料选用各类塑料和橡胶等高分子材料，主要有聚氯乙 烯、聚乙烯、交联聚乙烯和乙丙橡胶等材料。这些高分子材料都具有较高的电气 性能和较高的机械强度，以及耐酸碱、耐油等化学性能，生产工艺性能较好等。 特别是交联聚乙烯材料，由于其电气和物理、化学特性的优良，己成为目前电力 电缆使用的最主要产品之一。挤包电力电缆的生产工艺便是通过对上述高分子材 料进行加热后一次成型挤包在电缆导体上的生产过程，目前在高压电缆的生产工 艺上，一般采用三层共挤的生产方式( 内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层) 。 ( 3 ) 护层 为了使电缆适应各种使用环境的要求，而在电缆绝缘层外所施加的覆盖层， 统称为护层1 2 1 l 。电缆的护层是构成电缆的三大组成部分之一，它的主要作用是 保护电缆绝缘层在敷设和运行中，免受机械损伤和各种环境因素的影响，如水、 日光、生物、火灾等的破坏，以保持电缆长时间的电气稳定性。因此，电缆护层 的质量直接关系到电缆的使用寿命。 电缆护层所用材料繁多，主要可分为两大类。一类是由金属材料，如铝、铅、 钢、铜等制造；这类材料主要用以制造密封护套、铠装或屏蔽。由于金属材料具 有不透水性，因此可以防止水分和其它有害物质进入到电缆的绝缘层。另一类是 非金属材料，主要有橡皮、塑料、涂料以及各种纤维制品。就电缆的使用环境而 言，电缆金属材料的腐蚀属于电化学腐蚀范畴。自然界中，水是最主要的溶剂： 河海大学硕士学位论文 第二章电力电缆的结构与参数特点 因此，为了防止对金属护层的腐蚀，常采用非金属材料作为金属护层的外部保护， 这也就是为什么采用非金属护层的原因。 现代城区电网中，大多采用交联聚乙烯绝缘电力电缆，图2 2 给出了1 1 0 k v 及以上交联聚乙烯电力电缆常见的两种结构盯i 。这种电缆对于所用材料以及结构 工艺要求较高，下面我们以1 1 0 k v 交联聚乙烯绝缘电力电缆为例作简单介绍。 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) ( a ) ( b ) 图2 - - 21 1 0 - - 2 2 0 k v 单芯交联聚乙烯绝缘电力电缆结构图 导体。导体为覆盖的退火铜单线绞制，紧压成圆形。为减小导体的 集肤效应，提高电缆的传输容量，对于大界面的导体( 一般 1 0 0 0 m m 2 ) 采用分裂导体结构。 导体屏蔽。导体屏蔽应为挤包半导体层，由挤出的交联型超光滑半 导体材料均匀的包覆在导体上。表面应光滑，不能有尖角、颗粒、 烧焦或擦伤的痕迹。 交联聚乙烯绝缘。电缆的主绝缘由挤出的交联聚乙烯组成，采用超 净料。1 1 0 k ve g l 玉, 等级的绝缘标称厚度为1 9 m m ，任意点的厚度不 得小于规定的最小厚度值1 7 1 m m ( 9 0 标称厚度) 。 绝缘屏蔽。亦为挤包半导体层，要求绝缘屏蔽必须与绝缘同时挤出。 绝缘屏蔽是不可剥离的交联型材料，以确保与绝缘层紧密结合。其 要求同导体屏蔽。 半导体膨胀阻水带。这是一种纵向防水结构。一旦电缆的金属护套 1 0 河海夫掌颟士学位论文 第二章电力电缆始结构与参数特点 6 ) 7 ) 8 ) 破损，造成水分进入电缆，这是半导电膨胀阻水带吸水后会膨胀， 疆止窳分在龟缆中缀蠢扩教。 金属屏蔽层。一般由疏绕软铜线组成，外表面用反向铜丝绒铜带扎 紧。 金瑶轳套。金震势套瘗镑或锤挠趣成登，或震锯、镄、不锈铜板缀 向卷包厨焊接丽成。成型的品种肖无缝铅套、冗缝波纹铅套、焊缝 波纹铜襄、焊缝波纹不锈钢套、绦食护套等6 钟。这些金属护套都 是夔好瓣径蠢茨承鬃，毽蠹在震鬃、应焉特毪釉维l 造成零备不穗弱。 目前国内除波纹铜套和波纹不锈钢套外，其余的都有生产。一般用 铅和锚制作护套比较多。用铝制作护套时，铝的最低纯度为9 9 6 ， 褰覆豢麓锯不痤含鸯镦梵、杂震簿：锈护套铿意点戆簿度不枣子其 标称厚度的8 5 0 1 m m 。当采用铅制作护套时，铅套用的铅合金 应含o 4 o 8 的镁和0 0 8 以下的铜，锚濑任意点的厚度不小 于标舔浮度豹8 5 o 。l m m 。 外护层。外护层包括销装层和聚矗烯护套( 或内其他材料组成) 等。 交流系统单芯电缆的铠装层一般由窄带铜、窄不锈钢带、钢熊( 阆 置镶丝藏铝丝) 裁终，昃宥交流系统三芯统惫艇毫缆豹键装瀑才臻 镀锌锎带或不锈钢带。无铠装层的电缆在金属护套的外面滁敷沥青 化合物，然后挤上聚乙烯步 护套，夕卜护套厚度不小于其标称厚度的 8 5 0 ，l m m 。奁羚妒套努瑟嚣涂数石墨涂蒺，作为羚护爨醚压试 验用电极。当有铠装层时，在金属护套沥青涂敷物外面包以村垫层 后，再绕镥4 铠装层和揍包外护套。 2 3 电力电缆的电气参数 魄力电缆的圭簧瞧气参数鸯线芯鳇有效毫隘、毫惑、缝缘亳阻噬及慧容霆个 参数，这些统称为电缆的一次参数喇。电力电缆的波阻抗、衰减常数、楣位移常 数则称为电缆的二次参数，二次参数可以从一次参数计算黼得。电缆的电气参数 决定嘏缆黪传输瞧熊，舞窀缆线黢瓣电压调整攀簸主要是耄魄缆线芯戆瓷隧鄹电 感来决定的( 对于长电缆线路，绝缘电阻和电容也影响到电征调整率) 。除了以 淫海丈学矮士学戳谂文 第二章毫力毫缆瓣结掏与参数特意 上四个参数外，电力电缆的金属护层的电感引起的感应电势也是正常运行时必须 黧秘的因素之一，也是在文章蓐嚣将饕曩磺究积分专厅瓣电气特援。 电缆的嗽气参数由毫缆各组成部分的材料性髓( 照阻系数、介电常数、磁静 系数等) 和电缆的结构尺寸所决定。 1 、线蕊霹效电阻 电力电缆单位长度的线芯直流电隰的计算公式如下： r = p 。 1 + ( o _ 2 0 ) 】i d a ( q m ) 式中r 单位长发电缆线芯农e 湿度下驹直流电阻； a 线芯截黼积 p 。旷一线芯材料2 0 时的电阻系数 a 导钵电黻夔滠度系数 k 线芯导体在制造工程中弓| 入的修厩系数 而电缆线芯的有效电阻的计算是襁其直流电阻的基础上引入了两个因数，即 集获效应嚣数￥s 嚣邻近效废嚣数b 。凌交滚电终嬲下，线芯的魄疆将峦于集默 效应和邻近效应而增大，箕有效电阻可以根据麦克新书方程进行糯导。一般可采 用简化公式计算电缆线芯的有效电阻 r = r ( i + y s + y f ) ( q m ) 2 、电绕线芯的电感 电力电缆在传送交流电能的正常的避行状态下，产生并受到工频电磁场的作 越。j 雪予电缆线芯窝金属护层，一部分燃绫芯内部的磁逶链，它掰产生粒毫感( 矗) 称为内感：弱一部分是线麓外部的磁通链，它所产嫩的电感( l e ) 称为步卜感。电 缆的电感为内感和外感乏和。( l = l i + l e ) 对于纂穗疆翳毫缆，繇单毽长度泡缆线芯静电感辫： a l = l i + l e = 三f 十2 ( h 詈) i 0 - 7( q 神 t i c 其孛：s 必糖闯距裹， d e 为线芯外饺。 对于三相或更多回路电缆，每单位长度电缆线芯的电感与电缆的排列方式和 数量有关，英每趣邀缆熬媳感蓬也不鞠阕。 河海大学硕士学位论文第二章电力电缆的结构与参数特点 3 、电缆的绝缘电阻 电缆绝缘电阻主要由绝缘材料的电阻系数和电缆的结构尺寸确定，不同绝缘 材料的电缆其绝缘电阻有很大的差别。 实际上，绝缘电阻是指直流测量的电阻值，并不是在实际工频运行下的绝缘 电阻值。对应于两种不同的测量方法，其计算公式是不同的。 绝缘电阻，也就是采用直流测量的方法，其单位长度电阻计算公式： r ：旦1 1 1 堡f q 埘、 2 zd c 其中，d s 为绝缘外径； d c 为线芯外径 而实际交流工作电阻的计算，则是如下： 尺= 历1 丽( f i l m )国c t g6 。 其中，t g6 为损耗； c 为单位电容 4 、电缆的电容 由于电缆结构的原因，电缆在线路输送中，呈现明显的容性特征。在超高压 电缆线路中，电容电流有可能达到与电缆额定电流相比拟的数值，成为限制电缆 容量及传输距离的因素。 电缆的电容是电缆绝缘本身的一个参数，可以用来检查电缆的生产制造工艺 的水平、质量等【”1 。单芯电缆的单位的电容计算公式： c - 等d i ( f ， m i 其中，e0 、e 分别为真空介电常数和相对介电常数； d i 、d c 分别为绝缘外径和线芯外径 5 、电缆金属护层的感应电势 电缆的金属护层可以看作是一个同心套在电缆线芯周围的金属圆柱。线芯产 生的部分磁通，在与线芯相链的同时，也与电缆金属护层相链，从而使金属护层 产生电感，在金属护层上产生感应电势。该金属护层感应电势的大小影响到电缆 浑薛走学醭士学位论文第二章电力惫缆瓣鳕撺与参鼗特意 的正常运行和生产人员的人身安全，阏此是电气设计中必须考虑的重要因素之 一。 电缆的鑫属护层感应电势是本文研究的重点，它的产生原豳和计算后磷将 会做进一步详细的分析，这里不再赘述。 2 。4 本章小结 作为聪缕章节分析的基础，本章简要介绍了电缆的分类、结构和电气参数 及箕诗冀方法。电缓终梵输电线路戆圭瓣缝疫，箕续稳夔特点爨然造藏宅瓣邀笺 性能的独特性。简单的对电缆的电气徽能加以阐述，为本文下面的分析和研究的 顺利展开作铺垫。 1 4 河海大学硬士学魏论文筹三章现场熬簿寨铡豹理论分辑 第三章现场故障案侧的理论分析 本文之所以选择对电缆金属护层的感应电压进行研究这样一个课题，主要源 自南京电网上发生的一起l l o k v 电缆线路故障。 随着毫缆数量的增多敦运行露闻的延长，电缆缝敞障情况也麓来越多，故障 原因也多种多样。其中，发装工艺的准确到位，悬电缆施工质量最主要的保证。 在工程施工中，任何一处躲操作不当，部有可能导致电缆线路在将来运孝亍中故缭 击穿。南索供电公司2 0 0 3 年5 胃3 0 霞1 1 0 k v 珠江2 # 线电缆接头发生击穿毂簿， 本章将对此次故障进行详细的描述并理论上的分析，提出改善电缆感应电压的措 藏，以期在今层的工程度髑中避兔或减少故障的发生，提嘉电缆遮章亍躬安全性粒 经济佳。 3 1 故障案例简介 2 0 0 3 年5 月3 0e l ，1 l o k v 珠江2 # 线a 相电缆发生接地故障，经故障测激， 确定击穿点位于黄埔路# 3 电缆接头并内。 壹阕魇受资料发瑰，该毫缓予1 9 9 6 年投入运露( 授运蔻鄂分邂缆护套及线 芯进水，采取临时措施冲氮气去潮) ，线路全长5 4 公里，共肖8 组接头。该电 缆的连接示懑图如图3 - - 1 所示。后予2 0 0 3 年4 月将电缆线路开辑，改接环入缀 嚣霉门交摸珠江交，热强3 - - 2 蘩示。懑缆在改遣纛运行一令更群发生了这超蠢 穿故障，令人深思，引怒了有关部门的高度重视。 国3 - - 1 现场盘属护层换位示意圈 塔 翌塑奎兰鍪主堂燕鎏奎一童至兰生壅璧篓矍壅篓塑垄笙篓篓 西华门变 嬲3 - 2 改接后的现场接线示意图 辫蘩故黪瞧缆菱凌，卷穿点整予犊头接逮线懿逐按缝，靠_ l 纛疆华门交铡。 3 2 故障原因分析 塔 经过对敬漳点静仔纲研究翻分耩，可黻认兔本次簸障是由敬下凡个方面的鼹 因共同造成的： l 、搂魏线安装蒺嚣不舞是逵藏本次浚瘴妻孽麦要缀嚣渊 该l l o k v 电缆是第一条南京供电公司独立进行爨装施工的电缆线路。施工 甜，南京供魄公司根据国外施工人员的经验及工艺滋行安装( 应该说还未能深刻 递镯了解每一步工艺要求辩鼙酶) ，施工过程是迭嵌装、透摸索、边解决。困既 在施工过程中，由于未能嵬分认识到撩地线施工的关键步骤和程j 葶，造成部分横 遮线安装处愁不到经，逡按强度否够，驽熬还可能棼在意焊敬现裂。遇迎，在逡 行中，由予嗽缆内部及外部潮气静共黼侵蚀，容易造成接遗线与嗽缆金属护屡接 触点氧化，鼯致接触不费。 2 、安装时觳费电缆接头造或揍蟪线觚金震护鼷上残落 由于接扶部位接地绒与金属护层的焊接质量不商，同时，焊接接触点面也比 较小，造成援地线与金属护层的连接强度不高。丽搬接头安装结策后，进行固定 瞧壤接头蕊搽传霹，壶予穰缆接头重爨大调整霹不察荔控麓，工圣馨人员磊力过大 或者由于电缆金属护层棚对与电缆移位较大，造成电缆接地线从愈属护套上脱 落。此时，接地线的一端可能仅附着程电缆的半导电外屏蔽层上；丽由于接头外 帮费保护大舞赘存在，安装久虽是不麓及终帮发褒羧缝线脱落懿僚漉。敌障发生 塑塑查兰堡主兰些笙奎 苎三主墨塑垫堕差型堕里丝坌塑 后a 相电缆在故障处的具体情况如图3 - - 3 所示。 图3 3 电缆金属护层上接地线的脱落图 3 、护层接线结构的改变，加速了击穿过程的发展 可能性一：运行中金属护层感应电压的影响“。 线路改造前，l l o k v 珠江2 # 线电缆金属护层接线结构采用分段交叉互联方 式；改造后，电缆金属护层结构改为单点接地的接线方式，电缆金属护层接地点 就是本次发生故障的黄埔路# 3 电缆接头井。在采用交叉互联接线结构的条件下， 电缆金属护层的感应电势由于换位的原因，在接地井中地线接地处基本上为零电 位( 一般情况下三段电缆不可能完全相等) “。此时，接头接地点的金属护层 与接地线电位差很小，有环流但没有形成局部放电( 或者说，危害性不足以造成 电缆击穿) ；因此，该电缆在运行多年的情况下，依然没有发生此类故障。而当 线路改接后，金属护层接线结构发生了变化；如果接地良好，接头位置对地电压 应被强制为零电位。但在接地线与金属护层断开时，则造成接头位置金属护层感 应电势升高。换位前后金属护层感应电势的变化情况如图3 4 所示。由于接地 线的接触不良，使该部位发生放电造成电缆局部过热老化，最终导致电缆的击穿 故障。 滗海夫掌羲= i 学键论文 第三章瑗场载潞案捌鹣理论势辑 接二匕垒 ” ，。，一 圈3 4 换位前后金属护层感应电势熬变化示意图 可能性二：冲击过亳雉造成的感应电压的影响 电缆在远行时，必然念受到电源投切时系统操作过电压的影响。在系统的电 潆壤，会产黧瓣薅离达2 3 倍錾系绞攥撵逑电压。逸缆终是线魏撩瓣i 褥逶薅， 其金属护层裰冲击电压的作用下同时会产生很高的感应电压。在l l o k v 及以上电 压等级的电缴线路上，其瞬时感应值可达到上万伏，可能造成人员伤亡或设备的 缓嚣。壹予簸滚毫缆在敬潞羲是处于委鬻懿运费状森，系统上 羹没鸯异零懿瞧滋 波动；因此，不应是由于冲击电压作用弓f 起的感应电压放电，而崽接造成电缆的 接地击穿。假是，不排除融于故障之前存在多次的搡作产生的感殿电压，已造成 薅宅缓懿强傍，傻在运露审兹毫缓缝缘不繇瑟往，袋终导致运行穗穿。究箕零纛 原因，也还怒电缆金属护艨的感应电服造成了电缆谢穿故障。 可能性三：奄缆金属护层内电容嘏流豹影鹅 除了电缆金属感应电压这一主要影响因素岁 ，电缆电容电流的影响也可能建 造成电缆线路故障的另一原因。线路改造前，该l l o k v 电缆在正常运行下的电容 避泼，通过魄缆如换整革元嚣蟪接建绞等逶接遗；缀由予其中一溃戆接遗不楚、 河海大学硕士学位论文 第三章现场故障案例的理论分析 阻抗较大，从而导致该换位单元的绝大部分电容电流是流过接地良好的另一端； 接触不良点流经电容电流很小，因而经过长时间的运行，电缆接地不良处并未发 生故障。 当线路改接后，该线路的接地良好的一端被通过保护器接地( 也就是金属护 层不经过接地线接地) ；此时，电缆正常运行产生的电容电流只能流经接地不良 的一端，增大的电容电流( 大约为3 。4 安培公里) 通过造成该点发热，最终导 致电缆故障击穿。如图3 5 所示。 r lr 1 图3 5 电缆的等效电路图 o c o 若忽略线芯及金属护层的电阻，不考虑运行时绝缘电阻的泄露电流，则电容 电流近似计算公式： i c = ( ) cu 其中，c 为电缆电容，u 为电缆线芯电压。 可能性四：金属护层电容电压的影响 从图3 5 也可以看出，若接地点接地不良，电缆的线芯与金属护层，金属护 层与大地，将是一个串接的电容组。在此运行状态下，该金属护层的对地电压可 被抬高至数千伏( 其电压数值大小与电缆绝缘和塑料外护套的材料的介电常数有 关) 。则在线路改接后，由于接地线的断离，使得金属护层形成的电极不断对接 地断点放电，最终造成接地击穿故障。 经过对以上各种原因的综合分析，一致认为造成电缆击穿故障的最根本原因 是：电缆金属护层感应电压的产生的环流影响，造成接地线过热损伤绝缘，最终 导致了电缆击穿。 1 9 河海大学碗士学位论文第三章现场故障案例的理论分析 3 。3 采取的对策 南京供电公司谯对电缆故障谶行认真的分析和讨论后，立即着手对该电缆线 路进弦全面的检查，主要解剖检鸯电缆接头的接遗部分；同时，做好重新进行接 遗线安装豹准备工僚。在安接线貉停电嚣，露窳公司通过辩该线路接头静企匿检 查，确实从中发现男有2 只接头的接地线与金属护层出现了脱离( 似连日e 连) ， 电缆半露电屏蔽表蕊也出现了局部过热的痕迹。对于出现问题的接头，现场都已 重蓑遂雩予了接遣线羽安装蕤工；溺对，对所有疑它接头躲藏魄线都透行了翔嗣处 理：目前该电缆线路运行情况良好。 尽管目前从工耩上消除了故簿隐患，但照也从理论上暴露出了晷前农电缆 金藩护麓感应电嚣磺究方嚣鹃空囱。为了挠够觚理论和实跤掰方面獭底解决存在 的问题，有必要对电缆金属护层产生的感应电臌做进一步的研究，公司决定对此 开展棚芙的研究工作。 3 4 本章小结 零黎缝合摩岽供亳公霹酶一个实嚣案爨辩毫力宅缆在遮嚣中发玺戆数藩遂 行了较为深入的分析，并提出了实际工程应用中要采取的柏_ 陂措施。通过对实际 故障案例的分析，体现了对电缆护层感应电压做专门研究的必要性。 河海犬学磷士学位论文 第四章电筑护层感应电隧的散学模型 第四章电缆护层感应电压的数学模型 鬻麓城市臻我张建设熬发濯，城区嚣镤邀线路大量鬈掰电力电缆稼为输电 网络：特别是随着负荷容量需求的不断增加，供电网络中单芯电缆的比黧也日益 增大。衙在单芯电缆的设计施工中，电缆金属护屡的感应电服也是一个锻嚣要重 点考惑的闻题。一般来说，在瑟设计戆电缆线鼹，遥鬻是遴避采用金藩护层换位 等措施可以较好地解决金属护屡的感应电压问题。但是，随着电力建设的发展， 电缆线路的改造日懿增多，改造飚的电缆线路，其长度往往不能满足原米设计的 三段捩饶要求，瓢掰弓| 起金属护瓣电压不平衡，威胁电缆的嶷全运 亍。戮貌，必 须深入了解电缆护艨感应电压产缴的原因，以便实际工程应用中采取有效消除护 层感应电压的措施。 本牵将驭理论主分章厅金属护鼷感应宅毯产生的原因，势建立电缆不镣长聍 的护层感应电压的数学模型。 ，王藏常运行时电缆金溅护层鳇感应电歪分橱 4 。1 1 电缆金属护层感应电压的产生 随着我国城市建设的发展，城市电网中l1 0k v 及以上的单相电缆使用日益 增多。电缆由于输送容量的需求不同，其结构设计也不尽桐同。在电力系统中， 基翦遮瘸魄较普遍麓是三芯耜蕈蕊咆缆。对于镰送较曝窖豢的线路，一黢采趸三 芯电缆；而对于输送容量要求较大的线路，般采用单芯电缆。不同结构的电缆， 其金属护层的感应电压的情况是究全不同的。 对予三芯电缆，三擐线芯奖惩霉一个金麟妒层，当三穰毫淡基本警餐辩， 三褶合成电流接近予零，合成磁邋也接近于零，此时，金属护层上感应电雁很小， 可