南京工程学院教案电力电缆

南京工程学院教案电力电缆 第一章电力电缆概述 一、电力电缆传输电能的基本原理1电线电缆的定义电线电缆就是用以传输电磁能信息和实现电磁能转换的线材产品。 由一根或数根导线绞合而成的线芯(导电部分)、相应包裹的绝缘层和外加保护层三部分组成的电线称电缆，用于电力传输和分配大功率电能的电缆，称为电力电缆。 2电缆传输线的等效电路和基本方程等效电路如图16为分布参数的等效电路。 图中的r1，x l，g l，b1分别表示线路单位长度的电阻，电抗，电导和电纳。 图16分布参数的等效电路(形)远距离输电线(长线)的基本方程为?U?ch?l?I?Z sh?l U122c?U?I1?I2ch?l?2sh?l(11)Z c电缆输电线路的二端口网路输电线路可写成二端口网路的形式。 对一般的二端口网路，可用A、B、C、D四个参数把首端和末端的关系表示成如图17的形式，1根据缓变电磁场的定义，若波的波长和场域中任意点间的距离不可比拟时，则为缓变场或似稳场。 电力电缆一般承受的是工频50Hz的电压，其波长v3?108?6000(km)f50显然，电缆中任意两点间的场域均不可与相比拟，故电缆的场域均为缓变场。 缓变电磁场中的电场符合静电场的规律而磁场符合恒定磁场的变化。 所以在电缆的电场和磁场的分析中我们均采用静电电场和恒定磁场的公式和方法。 二、电力电缆线路优缺点电力电缆是电力系统主网的主要元件。 一般敷设在地下的廊道内，其作用是传输和分配电能。 电力电缆主要用于城区、国防工程和电站等必须采用地下输电的部位。 电力电缆主要由三大部分组成导体传输电流，指导功率传输方式；绝缘层承受电压，起绝缘作用；保护覆盖层保护电缆绝缘不受外界环境的影响和防止机械损伤等。 1电力电缆线路组成电力电缆线路主要由电缆、电缆附件及线路构筑物三部分组成。 但有些电缆线路还带有配件，如压力箱、护层保护器、压力和温度示警装置等。 2电缆附件指电缆线路中除电缆本体外的其它部件和设备，如中间接头盒、终端盒、电抗器，高压充油电缆线路中的塞止接头盒、绝缘连接盒、压力箱，高压充气和压力电缆线路中的供气和施加压力设备等。 这些附件可起到导体连接、绝缘和密封保护等作用。 线路构筑物指电缆线路中用来支持电缆和安装电缆附件的部分，如引入管道、电缆杆、电缆井及电缆进线室等。 2电缆线路优缺点优点 (1)供电可靠性高，受外界气候条件和周围环境干扰的影响小，适于在城市地区敷设。 (2)作地下敷设，线间绝缘距离小，不需要架设杆塔，不占地面走廊。 (3)运行简单方便，维护工作量小，费用较低。 (4)有助于提高电力系统的功率因数。 缺点 (1)投资大，费用高。 (2)故障测寻困难 (3)检修费时费力。 (4)线路不易分支。 第二章电力电缆的结构分析第一节电力电缆的种类和型号 一、电力电缆的种类按电力电缆的电压等级分类按照现行的标准电压规定，电力电缆按额定工作电压制造有 1、 3、 6、 10、 20、 35、 110、 220、 330、500kV电压等级几种电力电缆。 从施工技术要求、电缆接头、电缆终端头结构特征及运行维护等方面考虑，按国内外划分的习惯 (1)电压等级在35kV及以下为低压电力电缆； (2)电压等级在35kV以上为中压电力电缆。 (3)电压等级在ll0kV220kV之间的为高电压电力电缆。 (4)电压大于220kV以上称为超高压电力电缆。 3按电缆结构特点分类1)带绝缘电缆又称统包型电缆，即缆芯成缆后，在外面包有统包绝缘，并置于同一内护层的电缆。 2)分相型有分相屏蔽型和分相铅(铝)包型。 3)钢管型电缆外绝缘有钢管护套，分钢管充油、充气电缆和钢管油压式、气压式电缆；4)扁平型三芯电缆的外形是扁平状，一般用于大长度海底电缆；5)自容型护套内部有压力的电缆，分自容式充油电缆和充气电缆。 按绝缘材料分类 (1)油浸纸绝缘1)不滴流油浸渍纸绝缘金属套电力电缆，由电缆纸绕包与不滴流浸渍剂组合绝缘的电缆；2)粘性油浸渍纸金属套电力电缆，由电缆纸绕包与粘性浸剂组合绝缘的电缆；3)油压油浸渍纸绝缘型电缆；4)气压粘性浸渍纸绝缘型电缆。 (2)橡胶绝缘1)天然橡胶绝缘型电缆；2)乙丙橡胶绝缘型电缆，简称EPR电缆。 (3)塑料绝缘1)聚氯乙烯电力电缆，简称PVC电缆；2)聚乙烯电力电缆，简称PE电缆；3)交联聚乙烯电力电缆，简称XLPE电缆。 二、电力电缆的型号每一个电缆型号表示着一种电缆的结构，同时也表明着这种电缆的使用场合和某些特征。 ZLQ20-10,3120纸绝缘，铝芯，铅包，裸钢带铠装，额定工作电压10kv，三芯，截面积120mm24电缆类别绝缘结构导体材料内护层类型结构特征外护层类型电压等级截面面积线芯数目第二节电力电缆基本结构 一、导电线芯电力电缆的导电线芯简称导线，用来传输电流。 电力电缆的导电线芯材料从技术上讲，要求线芯材料电导率高和加工性能好。 线芯的作用是传输电流，高电导系数可以减少线芯损耗；加工性能好便于线芯拉制和绞合等加工，目前主要使用铜和铝。 一般金属或金属合金的导电能力常以标准韧炼纯铜在20的电导系数为100的百分比表示，称为该金属的百分电导率(IACS)或简称电导率。 (1)铜均为电解铜，电导率Cu58106Sm相应的电阻率Cu0.01724110-6m，电阻温度系数Cu0.00393/。 纯的铜百分电导率为59.52106Sm58106Sm102IACS，铜导体必须纯度高，不低于“三九”铜(质量分数99.9)，有杂质会使导电性能下降。 铜内氧的存在会增加脆性，拉制中易断线。 目前多使用无氧铜，含氧量不超过万分之八。 铜对于某些浸渍剂(如矿物油、松香复合浸渍剂等)和硫化橡皮有促进老化的作用，为此可在铜线表面镀锡，防止铜和绝缘起化学反应，又使接头易于焊接。 (2)铝铝的资源丰富，钒土(A1203)占地壳的8。 经过韧炼在20时的化学纯铝的电导率为Al38106Sm，电阻率为Al0.02610-6m，电阻温度系数Al0.00403/。 铝的百分电导率为38106Sm58106Sm65.5IACS。 铝的比重小，资源丰富，铝作为导体可更经济。 导电线芯工艺参数电缆导电线芯按导体截面有圆形、椭圆形、扇形、中空圆形等形状。 由于电缆在生产和敷设过程中5要经常弯曲。 为了增加其柔软性和可弯曲度，导电线芯一般由多根小直径的单线绞合而成。 因此较小截面(16mm2)的导电线芯由单根导线制成。 较大截面(25mm2)的导电线芯由多根导线分数层绞合制成。 规则绞合导线有规则、同心地相继各层依不同方向的绞合。 这种方法的线芯绞合结构稳定，电力电缆大都采用这种绞合方法。 不规则绞合(束绞所有组成导线都依同一方向的绞合。 仅用小截面的低压电缆。 绞合参数绞合节距h单线绕线芯一周沿线芯中心线的长度。 节距比m通过某层单线中心所在圆的直径为D?，则节距h与D之比为节距比m?绞合角h D图25将规则绞合的线芯中任一沿螺旋线绞合的单线展开，则得一直角三角形。 单线的中心轴绕线芯一周的长度L构成该直角三角形的斜边；穿过该层各单线中心的圆周之长为一直角边D?，节距h为另一直角边。 则L边和D?边间的夹角。 为绞合角。 ?arctg绞入率k即单线长度比线芯长度增加的百分比。 h m?arctg?D?从上述公式可知，节距比m愈小，绞合角愈小，柔软程度愈高。 但k值会愈大，所需单线愈长。 6最小节距比层数与单线根数的关系。 如对规则绞合线芯沿其垂直线芯长度方向切开，每根单线的截面积将为椭圆形，如图26所示。 椭圆长轴d?d?d1?cot2?sin?相应绞合角称为极限绞合角。 对于油浸纸绝缘电力电缆，圆形线芯的节距比m一般为1822；对于橡塑绝缘电力电缆m值为1620，外层m值可达1012。 填充系数线芯绞合后，虽经紧压，单线间必定还有空隙。 故引入填充系数，即线芯导体实际截面与线芯轮廓7截面之比。 对于圆形绞合线芯有紧压前紧压后从提高填充系数和稳定性考虑，中心为一根导线的规则绞合的结构最佳，在大多数情况下，电力电缆的线芯都采用中心为一根导线的规则绞合结构。 线芯的典型结构35kV及以下的电力电缆导电线芯大多采用圆形芯和扇形芯。 (1)圆形线芯即中心为一根的规则绞合线芯。 绞合后应予紧压，使结构紧凑，线芯表面光滑，减少了多导丝效应。 计算截面时应乘以9095的紧压系数。 (2)扇形芯主要用于较低而截面积较大的电缆。 绝缘线芯成缆后为扇形，减少了电缆的体积，使结构紧凑，降低成本。 一般截面积为1016mm2的扇形芯由相同直径的圆形线绞合而成。 截面积由2570mm2的6根不绞合的中央导线外加12根单线绞合而成如图28所示。 截面积70mm2，95mm2，120mm2的扇形芯，采用7根单线绞合的中央线芯，沿其两侧平放2根圆形单线，然后再加盖一层或两层单线(150mm2及以上)，如图29和图210所示。 图28截面积为25mm 2、35mm 2、图29截面积为70mm 2、95mm 2、850mm 2、70mm2扇形芯坯结构120mm2扇形芯坯结构高压电力电缆如充油电缆一般采用中空线芯结构，大截面积一般采用分裂导线，以减少集肤效应。 二、绝缘层电缆的绝缘层都有一定的厚度。 绝缘层的作用是用来抵抗电力电流、电压、电场对外界的作用，保证电流沿线芯方向传输，同时将电缆线芯导体相互之间以及与防护层之间保持一定的绝缘，是电缆结构中不可缺少的组成部分。 因此，电力电缆绝缘层的材料应具备下列主要特性。 (1)高的击穿强度(脉冲、工频、操作波)。 (2)介质损耗低。 (3)高的绝缘电阻。 (4)优良的耐树枝(移滑)放电性能，耐电晕性能好，局部放电性能好。 (5)具有一定的柔软性能和机械强度。 (6)绝缘性能长期稳定(耐低温、耐热性、化学稳定性等)。 (7)使用寿命长，价格便宜，材料广泛。 油浸纸绝缘油浸纸绝缘包括粘性浸渍纸、不滴流浸渍绝缘、贫泛浸渍干绝缘、充油型纸绝缘。 在20世纪70年代以前，油浸纸一直是电力电缆制造工业使用的主要绝缘材料。 油浸纸绝缘是由木纤维纸(木纤维的分子式为C6H l0O5n)和浸渍剂组成的复合绝缘，电缆纸的主要组成成分是纤维素,纤维素具有很高的稳定性能，不溶于水、酒精、醚、萘等有机溶剂，同时也与弱碱及氯化剂等起作用。 油浸纸应具有以下特点耐压强度高；介质损耗低；化学性能稳定；价格便宜，且使用寿命长；耐电晕性能好；9耐热性能较好，长期允许运行温度达65度。 塑料绝缘塑料绝缘主要有聚氯乙烯电缆、聚乙烯电缆及交联聚乙烯电缆绝缘。 用作高压电缆绝缘的聚乙烯绝缘层应注意几点光热老化、氧化性能低，耐电晕性能比聚氯乙烯绝缘层低得多；由于分子间吸引力小，其熔点低，耐热性能低，机械强度不高，蠕变大；在某些环境下，如雨水或有机溶剂的浸透下，即使所受应力比其机械强度小得多，也会产生裂纹，即容易产生环境应力开裂；容易形成气隙，为克服这种现象的出现，制作时加各种相应的添加剂，进行改善。 橡胶绝缘橡胶绝缘层常用的材料有天然橡胶、丁基橡胶和乙丙橡胶三种。 它们具有电气性能较好、吸水性低和柔软性最好等优点，但是橡胶的耐热性差、并且容易受热空气和油类的影响而损坏。 普通的合成橡胶有丁苯橡胶，丁基橡胶，氯丁橡胶和氯磺化聚乙烯等。 但其分子结构中含有双键，故耐臭氧差，在电晕作用下会发生开裂，击穿场强较低，所以不能用于高的电压等级，只能用于低压配电系统和经常移动的场合。 电缆绝缘用气体充气电缆中，气体也是绝缘或绝缘层的组成部分。 一般要求气体绝缘具有高的击穿强度、化学稳定性和不燃性。 通常电缆绝缘用氮气和六氟化硫气体(SF6)及氟里昂一12气体(CCl2F2)浸渍剂电缆使用的浸渍剂主要目的是为了加强和提高电缆的绝缘水平。 浸渍纸绝缘的浸渍剂分两大类粘性浸渍剂和充油电缆用的浸渍剂。 粘性浸渍剂也有两种一种是松香光亮复合剂，一种是不滴流电缆用浸渍复合剂。 松香光亮油复合剂的主要组成成分是松香和光亮油。 光亮油又称低压电缆油，系从软蜡裂解产物烯烃经聚合，白土精制，常压蒸馏，减压蒸馏制成。 松香是从松树脂提出松节油后所剩的残渣。 其主要成分是同分子式异结构树脂酸，通式是C20H30O2。 松香具有较小的体积电阻系数和tg。 稳定性较高，加入松香后可增加复合剂的粘度和稳定性。 不滴流电缆的浸渍剂配方为光亮油60左右，合成微晶地腊40左右，再加入少量的防老剂和粘拉剂(如1的分子量28万聚异丁烯)。 这样在浸渍温度下具有相当低的粘度以保证浸渍充分；在电缆工10作温度范围内又会形成塑性固体，避免流动产生气隙。 充油电缆的浸渍剂多从原油的变压器油镏分经过脱蜡、酸碱精制、水洗、白土处理，加漆加剂而制成。 最广泛采用的充油电缆合成浸渍剂为十二烷基苯和聚丁烯油。 十二烷基苯是具有侧链的单环芳香烃。 侧链上碳原子敷平均为12个。 其结构使它具有很高的热稳定性和介电稳定性。 十二烷基苯浸泽剂还具有优异的吸气性能，可吸收氢气氮气和水蒸气等，大大提高电力电缆的电气性能。 三、护层电缆护层是覆盖在电缆绝缘外面的保护层,它和导体、绝缘统称为电缆的三大组成部分。 电缆护层包括护套和外护层。 护套的作用是阻止水分、潮气和其它有害物质侵入绝缘层,以确保绝缘性能不变。 外护层能够增加电缆受拉、抗压的机械强度,并对护套起到防腐蚀和免受各种环境因素损坏的作用。 外护层电缆的外护层作用是保护内护层免受外界的影响和机械损伤，如在运输安装、敷设、运行中保护电缆线芯、绝缘浸渍物、避免机械损伤、受潮、渗漏外流、腐蚀等作用。 主要由以下几部分组成内衬层铠装层外被层加强层。 内护层（护套）电力电缆的内护层按材料分金属护层橡塑护层组合护层第三节35kv及以下的电力电缆 一、普通粘性油浸纸绝缘电缆简称油纸电缆,油纸电缆又可分为若干类型。 35kV及以下的油浸纸绝缘电力电缆目前逐渐被塑料绝缘电力电缆所代替，但仍占有一定的市场。 其结构类型主要有带绝缘电力电缆和分相铅包电力电缆。 油浸纸绝缘是由木纤维纸和浸渍剂组成的复合绝缘。 11统包型电缆适当填料经绞合成缆,再包绕带绝缘(统包绝缘),以带绝缘补充了各相导体对地的绝缘厚度,在带绝缘外再挤包金属护套。 统包型电缆结构紧凑,原材料节约,价格较低。 缺点是内部电场分布很不均匀,电力线不沿绝缘芯径向分布,具有沿着纸面的切向分量。 所以这类电缆又叫做非径向型电缆,其电场分布见图所示。 统包型电缆只能用到10kV级水平。 因为是统包金属屏蔽层，所以绝缘内部存在有电场强度的切向分量，而切向耐电强度仅为径向的115110，且填充处亦存在着电场的作用。 为了克服带绝缘的这些缺点，较高电压等级如35kV级电缆均采用分相屏蔽型的电力电缆。 内部电场分布分相屏蔽和分相铅包电缆在每相绝缘芯制好后,包绕屏蔽层或挤压铅套,然后再成缆。 屏蔽型电缆在成缆后挤压成一个三相共用的金属护套(铅包)。 这样的结构,无论分相屏蔽还是分相铅包,每相电场是各自独立的,电力线均沿着绝缘芯径向分布,所以这类电缆又叫做径向型电缆,其电场分布见图所示。 径向型结构的电缆,由于消除了切向分量,其绝缘击穿强度比非径向型要高,能够用到35kV电压等级。 12其他滴干绝缘电力电缆不滴流电力电缆普通粘性油浸纸绝缘电缆缺点在电缆生产和使用过程中，温度在相当大的范围内改变，不可避免地会在绝缘层中产生气隙，这是因为电缆各组成部分材料的体积膨胀系数不同。 二、橡塑电缆以各种橡胶或塑料,即高分子聚合物为绝缘材料,经挤出成型的电缆,称为挤包绝缘电缆,也称橡塑电缆。 挤包绝缘电缆包括:聚氯乙烯(PVC)电缆16kV聚乙烯(PE)电缆1400kV交联聚乙烯(XLPE)电缆1500kV乙丙橡胶(EPR)电缆135kV橡皮绝缘电力电缆普通的合成橡胶有丁苯橡胶，丁基橡胶，氯丁橡胶和氯磺化聚乙烯等。 但其分子结构中含有双键，故耐臭氧差，在电晕作用下会发生开裂，击穿场强较低，所以不能用于高的电压等级，只能用于低压配电系统和经常移动的场合。 13聚氯乙烯绝缘电力电缆聚氯乙烯塑料是以聚氯乙烯树脂为基础，配以增塑剂，稳定剂，防老剂等多组份的混合材料。 它具有一定的优点，如加工简单、生产率高、成本低、耐油、耐腐蚀、化学稳定性好。 但由于它是极性材料，介质损耗大，耐热性低(最高允许工作温度70)；耐电强度低，长期工频击穿强度4kVmm左右，脉冲击穿强度4050kVmm。 tg为0.1左右。 相对介电系数为5左右。 燃烧时产生HCl有毒气体，所以限制了它的使用和发展。 聚乙烯介电系数和tg较小，分别为2.11和0.002；且为非极性材料，电气性能良好。 但其耐热性低，力学性能较差，在环境应力作用下易形成开裂。 因其分子结构是结晶相和无定形相两相并存，在生产和运行中由于温度和应力的变化容；易在界面上产生气隙而引发树枝化放电。 为了克服聚乙烯的缺点，主要采用交联的方法使聚乙烯的线型分子结构变成三维空间的网状结构，可极大地提高其击穿强度和耐热性能，而保持了聚乙烯原有的优点。 14金属屏蔽层作用一般35kV级的电缆应分相包覆金属屏蔽层，以实现“分相”屏蔽达到电场径向分布的目的。 金属屏蔽层的作用主要为静电屏蔽。 电缆敷设时通过金属屏蔽层接地使其电位为零。 在单芯或分相屏蔽电缆绝缘内的电场径向分布，消除了切向分量。 可防止绝缘表面产生滑闪放电。 金属屏蔽层亦可作为部分短路电流的回路。 第四节充油电力电缆充油电缆是利用补充浸渍原理来消除绝缘层中形成的气隙以提高电缆工作场强的一种电缆结构。 一、自容式充油电缆自容式充油电缆护层结构和一般电缆相同，采用铅护套或铝护套，而钢管充油电缆则是三根屏蔽电缆拖人一无缝钢管内，无缝钢管也就是电缆的坚固护套。 导电线芯15500kv充油电缆截面绝缘层、屏蔽层充油电缆一般用于较高工作电压线路，因此，对它的绝缘层(包括屏蔽层)提出更高的要求。 充油电缆在线芯表面及绝缘层表面均有屏蔽层。 我国生产的充油电缆均采用半导电纸带和双色半导电纸带作为屏蔽层，屏蔽用半导电纸带的层数，一般由导体表面情况决定。 螺旋支撑圆形导丝组成的线芯表面没有用弓形线组成的线芯表面光滑，用的半导电纸层数就多些，一般为26层。 绝缘层外表面屏蔽层数较少，一般为23层。 为了提高绝缘层的脉冲击穿强度，超高压充油电缆绝缘层内层一般采用较薄的电缆纸(0.020.075mm)。 最广泛采用的充油电缆合成浸渍剂为十二烷基苯和聚丁烯油。 金属护套及保护层由于充油电缆的绝缘均在一定压力下工作，我国自行设计制造的充油电缆金屑护套采用铅锑铜合金(质量分数锑0.4一0.8，铜小于0.08，其余为铅)，厚度根据电缆直径不同约为3.54.0mm，目前也进行其他合金铅护套的研究和采用铝套的试验。 二、钢管充油电缆钢管充油电缆如图所示，它是由三根屏蔽的单芯电缆置于无缝钢管内组成。 线芯用铝丝或铜丝绞合，没有中心油道。 绝缘层的结构与自容式充油电缆相同，只不过浸渍剂的粘度较高，以保证电缆拉入钢管时，浸渍剂不会大量从绝缘层流出。 线芯有半导电纸或金属化纸的屏蔽，在绝缘层表面均包有打孔铜带屏蔽层。 在打孔铜带屏蔽层外缠以23根半圆形(D形)青铜丝(如图所示)，包缠节距约为300mm以减少电缆拖入钢管的拉力，并防止电缆拖入钢管时，损伤电缆绝缘层。 同时，由于青铜丝使电缆绝缘外屏蔽与钢管内壁间保持一定距离，浸16渍剂在这个间隙可以流通，因此还有降低电缆热阻提高电缆载流量的作用。 为了避免电缆在运输过程潮气侵入电缆，电缆表面挤有临时铅套，在拖入钢管前剥去。 钢管充油电缆钢管压气电缆第五节交联聚乙烯绝缘电力电缆 一、通过物理方法或化学方法将聚乙烯进行交联。 化学方法是通过交联剂(如过氧化二异丙苯DCP)夺取分子中的氢原子使之生成游离基进而进行交联。 其交联生产方式主要是通过惰性气体(如氮气)保护，电加热和惰性气体保护冷却，即所谓“全干式”交联，最大限度地在生产过程中防止水分进入绝缘以免生成水树枝。 高压和超高压交联聚乙烯电力电缆均需采用“全干式”交联生产线。 在低压系统中，可采用硅氧烷即“温水”交联，通过硅氧烷的“接枝”，在80100的水中实现聚乙烯的交联，成本低，工艺简单，在低压系统可完全取代聚氯乙烯绝聚电力电缆。 物理方法主要是利用高能射线将聚乙烯分子的CH键断开使聚乙烯生成游离基，游离基相互结合形成CC键而形成交联聚乙烯。 电子束福照交联电线电缆，就是通过电子加速器产生的高能电子束来照射电缆的绝缘和护层材料，使聚乙烯大分子间产生交联，把线型分子转变成为网结构，从而改进了它的性能，诸如耐热性的提高(从70提高到+90)机械强度的改进，耐环境应力开裂的极大改各等。 17电子加速器 (1)辐照交联不需要加热或加水，交联反应没有水和气体生成，因此长期使用中不会发生水树枝等影响电缆寿命的老化，寿命就长。 (2)交联过程在常温常压下进行，不存在如化学交联高温(300以上)高压(2.0Mpa)下影响电缆内导体抗拉强度降低或材料溶化结构变动的问题。 (3)它不使用交联剂等化学物质，因此其纯度高，介质性能优，电缆中没有残余物来影响绝缘思念化和使用寿命，而化学交联就要使用交联剂等，其纯度就要低。 而温水交联因其交联时长期浸泡水中(8H以上)，难免有水份渗透到绝缘中。 (4)辐照交联电境外现最光滑园整，它本易沾粘尘土、污垢垢等物质，更易于架空敷设，耐气候性更优越。 二、交联聚乙烯性能体积电阻系数为51014?m tg为0.0006相对介电系数为2.11平均工频击穿强度为810kVmm18平均冲击强度为5060kVmm 三、半导电屏蔽层作用半导电屏蔽层的主要作用是均化电场，使偶然形成的凸纹突起屏蔽于半导电屏蔽层内，防止了电场集中；因半导电层和导电线芯是等位的，故它们之间的气隙不受电场力的作用。 半导电层的物理性能介于导体和绝缘层之间，可使三者紧密地结合在一起，减少了气隙，也减少了气隙放电的可能。 半导电层还有一定的隔热作用，防止由于运行时损耗产生的过热使绝缘加速老化。 三芯交联聚乙烯电缆结构导体内屏蔽层外屏蔽层金属屏蔽层填料覆盖层镀锌钢带铠装外覆盖层交联聚乙烯绝缘电力电缆以其合理的工艺和结构，优良的电气性能和安全可靠的运行特点，近年来在国内外获得了迅猛的发展。 尤其在高压输电领域更取得了巨大的进展。 敷设安装方便，运行维护简单，没有油的淌流问题，较之充油电缆有着巨大的优越性。 目前日本已开发750kV级交联聚乙烯绝缘电力电缆，俄罗斯220kV级交联聚乙烯绝缘电力电缆已稳定运行十年左右，我国目前正式投产的电压等级为220kV。 用于高压输电系统的电力电缆大都为单芯结构。 按照国家标准GBll01789规定如铝芯、单芯，标称截面积630mm2，110kV交联聚乙烯绝缘，皱纹铝包，聚氯乙烯护套电力电缆则应表示为YJLLW021101630(GBll01789)绝缘老化（击穿）机理191.电树枝主要是由于绝缘内部放电而产生的细微开裂，形成细小的通道，其内空，管壁上有放电产生的碳粒痕迹，分枝少儿清晰，呈冬天的树枝状。 2.水树枝主要是由于水分浸入绝缘，在电场作用下形成树枝状物，空隙中含有水分，且在较低的场强下发生。 附水树的检测2.1取样在成品电缆上切取长约100mm的电缆试样，去除绝缘层外的所有护层和绝缘层内的导电线芯，将试样沿直径方向切取厚度约0.65mm的同心圆薄片。 2.2水树的染色与测量用乙醇清洗试片，将清洁后的试片置于染色液中，进行染色；将干燥的经染色处理后的试样置于显微镜下逐片观察，并记录水树长度和水树数量。 2.3测量结果在显微镜下通过对试片的观察，发现了大量的水树，图1为观察到的典型的内树和外树形态、图2为观察到的典型的蝴蝶结形水树。 另外，我们还对染色试片的水树长度和水树数量进行了统计，统计结果见图3。 XLPE绝缘电缆水树生长机理的分析20水树生长的机理很多，有水树的静电学机理、水树的热力学机理、水树的化学机理、水树的机械学机理以及水树的形态学机理。 这些机理都可用来解释水树的引发和水树的发展。 由于电缆绝缘内部不可避免地含有杂质，这是引发水树的必要条件之一。 这里假设杂质是一种水溶性杂质，现对它引发的水树作一分析。 电缆在制造、敷设、安装以及运行过程中都有可能使水份侵入绝缘层中，当聚合物和水份接触时，水份逐渐扩散到聚合物中与聚合物内的细小杂质相接触，如果水分的扩散速率增加到一定值，杂质开始溶解。 如果聚合物在高温下充水达饱和，则在冷却后将变成过饱和。 聚合物中的盐粒、孔隙等都可起到冷却核的作用。 冷却后多余的水即刻朝着聚合物中的冷却核扩散，只要产生的压力大于某一个值，水的压力就可能超过聚合物的机械强度，导致微孔裂变进而产生水树。 假设聚合物中含有一种水溶性夹杂物，这种夹杂物属半渗透薄膜，聚合物和水接触时，水扩散到聚合物中与夹杂物相接触，一定时间后，夹杂物开始溶解。 如果聚合物在高温下充水达饱和，在冷却条件下，它将变为过饱和，多余的水立即朝着聚合物中冷却核扩散（水中盐粒子、介质中的微孔都可起着冷却核的作用），产生压力，在此压力（称为渗透压）作用下，微孔破裂而扩展到聚合物中，水亦随之移向这些通道，在通道顶部的高场强及高Maxwell1应力作用下，就很可能导致水树的形成。 通道顶部Maxwell应力可以表示成式中是场强增加因子；水的渗透压可以表示成的饱和值，由热力学的推导得出，式中S是水分在聚合物中扩散速度上式是水树形成所需要满足的条件。 如果水树通道周围的饱和系数S大于S，则水继续冷却，通道周围的聚合物继续破裂，使水树增大。 这一机理表明，聚合物中存在一个饱和系数S，该值与聚合物中的微孔形态、类型和充水数量以及外施场强和微孔进一步增加所需要的能量有关。 该值越大，越不利于水树的形成，实验表明，控制水中21盐的含量是增大S比较有效的方法。 另外，这一机理还可以定性地解释为什么有些蝴蝶结形水树长到一定值后就不再继续生长，而有些蝴蝶结形水树却可以长得很长，直到贯穿整个电缆的绝缘层。 讨论4.1XLPE绝缘中的缺陷，如微孔、气隙、杂质和凸起物等，会使该处电场畸变，形成局部高场强。 一般来讲，10kVXLPE绝缘电缆的平均工作场强不到2MV/m，35kV XLPE绝缘电缆的平均工作场强不到2.5MV/m，而杂质等缺陷可使局部电场增加几十至几百倍，这样高的场强，就类似于非均匀电场中的极性效应，这种极性效应在绝缘内产生局部击穿，形成尖端，导致水树的引发和发展，从而降低了电缆的绝缘强度。 4.2因此，国外和国内标准一般都规定了杂质和凸起时的尺寸，如日本高压电缆试验分委员会规定杂质和凸起物的径向尺寸应不大于250m，对6677kV电缆的要求不大于100m；美国联合爱迪生照明公司规定杂质和凸起时应不大于178m，且每立方英寸（16.4cm3）中大小为51178m的杂质应不超过10个(69138kV电缆)和15个(569kV电缆)；我国目前暂定为1335kV电缆中的杂质和半导电凸起应小于250m，对63110kV电缆应小于100m。 从水树的测量过程中，我们发现绝缘内的水树几乎都是由杂质凸起引起的，尤其是在绝缘内部生长的水树，在显微镜下可以明显看到微小杂质或微孔的存在。 另外，我们在观察过程中发现内树最长4.1mm，蝴蝶结树最长1.6mm，外树最长7mm，几乎贯穿了整个绝缘。 水树的数量也很多，经统计，内树在0.40.5mm和2.2mm长为最多，蝴蝶结树在0.3mm和0.60.7mm长为最多，外树在35mm长为最多。 由于水树的形成与生长是日积月累，逐步形成的，这说明电缆在正常运行过程中产生水树后仍可继续运行。 因为我们分析的样品是在已经运行十几年的电缆上进行的，这根电缆目前还在使用，这说明，电缆产生水树，即使水树很大，数量很多，仍可继续使用。 但是，水树发展到什么程度，产生水树后还可运行多少年，是否一定要有水树产生后就不能使用了尚需进一步验证。 4.335kV XLPE绝缘电缆，使用10余年后产生很多水树，在观察过程中，连续取片，每片都有几十个大大小小的水树，我们做为电力系统唯一的电力电缆研究机构，发现如此众多、如此典型、如此长的水树还是第一次，这说明水树问题在XLPE绝缘电缆中依然是个十分突出的问题，有待电缆行业的研究人员进行更深入、更细致的研究，早日攻破水树问题，使XLPE电缆在电力系统中的使用更趋成熟，使用起来更加放心。 5结论进一步证实了XLPE电缆在运行一段时间后会产生水树，并且水树直接生长在微孔、杂质上。 22产生了水树的电缆仍然可以继续使用，但水树发展到什么程度电缆就不能再使用尚需进一步的研究。 水树测量属解剖性试验，不可能在运行中的电缆上进行，也不太可能对水树长度，水树密度进行标准化规定。 对于直埋电缆，受环境条件影响，运行一段时间后必然会产生多种多样的水树，导致绝缘开始老化，进而影响到电缆的使用寿命。 第六节新型电力电缆简述 一、管道充气电缆(CGl)为适应大容量输电要求，特别是为适应封闭式电站需要，产生了管道充气电缆，也称六氟化硫电缆，它相当于用压缩气体(SF6)为绝缘的封闭母线。 它的结构是由内、外导体组成，外导体即管道，内导体即线芯，内外导体之间以压缩气体作为绝缘。 二、超导电缆某些金属和金属化合物在某一温度以下，直流电阻率几乎等于零，这一现象称为超导现象。 导体呈现超导现象的最高温度称为超导临界温度。 运行温度在导体的超导临界温度以下的电缆称为超导电缆。 运行温度在超导临界温度以上20K和80K左右的电缆为低温有阻电缆。 二者结构大体相同。 超导电缆的发展经历了直流低温超导电缆、交流低温超导电缆和交流高温超导电缆等几个发展过程。 随着临界温度高于77K的高温超导(HTS)线材技术的进展,交流高温超导电缆(HTS电缆)已经成为超导电23缆研究的主流。 本文通过与常规电缆的比较,介绍了HTS电缆具备的应用优势,并简述了其发展现状以及今后的研究方向。 HTS电缆的基本结构HTS电缆的两种基本设计是热介质(warm-dielectric,简称WD)电缆和冷介质(cold-dielectric,简称CD)电缆1。 热介质电缆的电气绝缘位于低温恒温层的外面,只有HTS导体处于制冷环境中。 冷介质电缆的HTS导体和绝缘均放置在低温恒温层内。 图1给出了冷介质HTS电缆的基本结构示意图(断面),图2为HTS导体的结构示意图24。 其中,超导线材的层数与缠绕方向是由电缆输送容量及导体间的电磁特性来决定的。 三、管道输电技术高压空气绝缘架空线路是大容量电能传输的最佳系统。 远距离高压直流输电和高压交流输电电网上的架空导线通常是由格子形钢架支撑，这些钢架有足够的高度及跨度以保证带电回路与地电位结构有必要的离地高度及绝缘。 目前这种输电方式仍是成本最低，技术上最有效的选择方案。 在可利用空间已经极少的人口密集的城镇，把架空输电线路永久地设置在大面积的建筑物区域既不划算，又不实用，也不美观。 到目前为止，唯一实用的替代方案就是铺设采用充油、水冷或基于交联聚24合物技术的最新设计的地下电缆。 西门子的这种高压电力传输“管道”可提供较之现有的常规电缆两倍以上的容量，但这种地下电缆费用极其昂贵，每公里长的地下电缆费用是等长的架空线路费用的20倍。 西门子输配电分部的气体绝缘高压电力线，即GIL技术在70年代用SF6配电装置的基础上得到了加强。 该公司有30多年的气体绝缘高压配电装置的研制经验，目前拥有30多公里的高压气体绝缘电缆在使用中。 西门子不久前又推出了适用于远距离输电的经济高效型GIL系统，该系统传输容量最大3000MW，电压最大550kV。 为适应向主要中心城市大容量供电的需要，西门子的GIL系统还使得现有的架空高压线可铺设在架设常规输电线路很危险或对环境有很大影响的地区。 例如接近机场、旅游地、历史名胜的区域或穿过自然资源地的路线等。 西门子的GIL系统拥有一条内含同芯导线，并以SF 6、氮气各占20和80的混合气体为绝缘介质的密封电力管道。 这种较低浓度的介质能够达到要求是因为GIL技术不像SF6配电装置需要依靠这些气体来绝缘和灭弧，它只要求的绝缘性能，随着运行压力的增大，按20:80的比率将SF6的绝缘性能与低成本氮气组合在一起，提供了高效经济的绝缘介质。 用地下“管道”输送电力，尽管三相传输线路需要铺设3条管道，但新近开发的GIL系统的安装费用介于传统架空线路的510倍之间，大大低于传统的地下输电电缆。 新的GIL技术提供的工作性能与传统架空线路相近，容量则是地下电缆的两倍。 而且GIL系统属环保型系统，完全不受气候条件影响，因此，安装在地上或地下同样有效。 西门子开发的GIL技术，利用地下“管道”传输电力，将为电力的输送开辟了又一新天地。 25第三章电力电缆的电气参数电气参数对电力电缆是至关重要的。 它决定了电缆的传输性能和传输容量。 这是由于容量主要取决于各部分的损耗发热，而损耗则是根据电气参数来计算的。 相序阻抗又是线路保护系统所依据的重要参数，直接影响着电网的安全运行。 电气参数也往往做为检查电缆质量和工艺的指标和依据。 电气参数取决于电缆所用的材料和几何尺寸，所以可据此计算电气参数。 反之，亦可据电气参数的要求来选择设计电缆的结构和尺寸。 所以电气参数是电缆设计的重要依据之一。 第一节导电线芯电阻单位长度导电线芯的交流电阻由下式计算R?R(1?y s?y p)式中，R为最高工作温度下，导电线芯的单位长度直流电阻，单位为?m；y s为集肤效应因数；y p为邻近效应因数。 1、导电线芯的直流电阻R?A为线芯截面积?20A1?(?20)k1k2k3k4k520线芯材料在温度为20时的电阻率，对于标准软铜200.017241106?.m，对于标准硬铝200.02864106?.m。 为20时每度温度系数常数，对于铜导体为0.00393，铝导体为0.00403为最高工作温度，见表31k1,k2,各种系数k1为单根导线加工过程中引起金属电阻率增加所引入的系数，它与导线直径大小，金属种类，表面是否有涂层有关，线径越小，系数越大，一般可取102107；k2为由于多根导线绞合使单线长度增加所引入的系数，一般取102(250mm2以下)103(250mm226及以上)；k3为因紧压过程使导线发硬，引起电阻率增加所引入的系数，一般取101；k4因成缆绞合，使线芯长度增加所引入的系数，一般取101左右；k5为因考虑导线允许公差所引入的系数，对紧压结构一般取101左右。 2、集肤效应因数y s集肤效应因数即由于集肤效应使电阻增加的百分数，可由下式求得其中f为电源频率，工频为50Hz；R为单位长度电缆导体线芯直流电阻，单位为?m；k s为除分割导体取0.435外均取1。 对于高压充油电缆，线芯为中空结构，其k s可按下式计算D C?D0D C?2D02()k s?D C?D0D C?D0式中，Do为线芯内径(中心油道直径)；Dc为具有相同中心油道的等效实芯导体的外径。 3、邻近效应因数y p即由于邻近效应使电阻增加的百分数，可用下式表示k p除分割导体取037外，其他型式线芯取081；Dc为线芯外径，对于扇形芯电缆，等于截面积相同的圆形芯的直径，如A为线芯截面，则扇形芯等效圆的直径为Dc4A?；s为线芯中心轴间距离，对于扇形多芯电缆s=Dc+，为线芯间绝缘层厚度，其邻近效应因数y p为式(34)计算所得值乘23。 27第二节电力电缆的绝缘电阻绝缘电阻的确切含义，是指绝缘在用直流电压度量时，在电导电流下的电阻值。 在计算时，是由绝缘材料的电阻率和电缆的结构尺寸所确定。 在电缆制造和运行中，可通过绝缘电阻的变化来检查分析绝缘质量的变化。 1、单芯电缆绝缘层电阻Dc为电缆内半导电屏蔽外径，Di为绝缘层外径(不含外半导电层厚度)。 1为内外半导电屏蔽层间的绝缘厚度。 在单位长度电缆距电缆中心x处取厚度为dx的绝缘层，则该圆柱体的绝28缘电阻为式中，i为电缆绝缘的电阻率。 则单位长度电缆绝缘的电阻为式中，绝缘电阻称为几何因数。 电缆常用绝缘材料在20下的绝缘电阻率概值如表32所示。 29各种电缆的几何因数 2、多芯电缆绝缘层电阻圆形芯扇形芯F:扇形校正系数30第三节电力电缆的电容电缆本身便是一个标准的圆柱形电容器。 导电线芯和接地的金属屏蔽层(或金属护套)构成了电容器的两个极。 电容电流将会限制电缆的传输容量和长度。 通过电容的测量，也可检查电缆的质量和工艺。 所以电容亦是电缆较重要的一个电气参数。 单芯电缆电容的计算可忽略边缘效应。 介质中任一点的电场均沿半径方向分布。 类似绝缘电阻的计算方法，在绝缘中距电缆中心x处取一单位长度的小圆柱体。 据高斯定理，穿出均匀介质中任意闭合面的电场强度矢量的通量，恒等于闭合面内所包围的电荷的代数和与介质的介电常数之比，而与闭合面的形状大小，电荷分布无关。 因对称关系，各处的电场都是沿着与导线相垂直的方向(忽略电场的切向分量)，这样圆柱体侧面上的电场方向处处都与侧面积的外法线方向一致，在数值上均相等。 而圆柱的上下底面积上的电场方向则与外法线方向垂直。 因此，在积分过程中，只计算圆柱侧面积上的电场通量即可。 根据高斯定理式中，q为线芯所带电荷；i为介质的介电常数；E正为场强。 而相电压单位长度电缆的电容第四节电力电缆的电感在工频下，电磁场为缓变场。 可仅考虑