电力电缆讲座 第一讲 电缆的结构和特性(上).pdf

供用电第 i s 卷第 2 期 2 0 0 1 年 4月电力电缆讲座第一讲电缆的结构和特性(上)上海电缆输配电公司史传卿中图分类号:T M7 2 6.4文献标识码 B文章编号:1 0 0 6-6 3 5 7(2 0 0 1)0 2-0 0 5 4-0 3编者按:我国城市电网中，电力电缆的应用越来越广泛。近年来，一些大中城市加快了城网建设改造的步伐，在1 1 0 k V及以下供配电系统大力建设和发展电缆网，特别是在城市中心区段，结合市政改造积极采用电缆供电，并有条件地进行“电线人地”。随着城网电缆化比例的提高，城市供配电网的供电可靠性也相应提高了。为此，本刊特请作者撰写 电力电缆讲座，重点介绍 1 1 0 k V及以下电缆应用技术方面的一些有关问题。其中包括电缆的结构和特性、电缆敷设、接头安装、电缆试验及故障测寻和电缆运行管理等专题。供从事供配电电缆规划设计、施工安装及运行检修的人员参考。全文共五讲，分六期刊出。1 电缆的特点 电缆与架空线相 比，具有以下特点:电缆的结构比架空线复杂，它除了有电缆芯(导体)外，还有能承受电网电压的绝缘层以及包覆在绝缘层上、使绝缘材料免受潮气侵袭和机械损坏、从而长期保持绝缘性能的保护层。电压等级稍高的电缆，其导体外和绝缘层外，还有用半导体或金属材料制成的屏蔽层。电缆能够敷设在地下、水底等各种环境中，满足长期、安全传输电能的需要。电缆敷设在地下，不占地面空间，同一地下通道可以容纳多回线路。在城市道路和大型工厂，用电缆供电，有利于市容、厂容整齐美观。自然气象条件(如雷电，风雨，盐雾，污秽等)和周围环境，对电缆的影响很小。电缆隐蔽在地下，对人身比较安全，供电可靠性高，而且电缆线路的运行维护费用比较小。选择电缆作为供配电线路的缺点是，其建设投资费用比较高，是架空线的几倍，而且电缆损坏后修复时间比较长。2 电缆的品种和分类 电力电缆的品种和规格很多。根据绝缘材料不同和结构特点，可将电缆进行分类如下:2.1 油漫纸绝缘电缆 简称油纸电缆，油纸电缆又可分为若干类型:(1)统包型电缆其结构特点是，在每相绝缘芯制成后，加适当填料经纹合成缆，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 1-1(a)所示。由于油纸的切向绝缘强度只有径向绝缘强度的 1/2 -1/1 0，非径向型电缆绝缘内部容易产生移滑放电，所以统包型电缆只能用到1 0 k V级水平。(2)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 1-1(b)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 3 5 k V电压等级。(a)非径向型(b)径向型 图 1-1 电缆电场分布示意图 (3)充油和充气电缆在一定的压力状态下(油压或气压)，使得浸渍剂得到补充，以消除绝缘层中的气隙或者使气隙被压缩，从而大大提高绝缘的工作场强，满足高压电力系统的需要。这种类型的电缆有自容式充油电缆、充气电缆、钢管充油电缆和钢管压气电缆等品种。自容式充油电缆的油道位于导体中央，油道与补充浸渍剂的设备(供油箱)相连，电缆温度升高时，浸渍油膨胀，多出的某一体积的油通过油道流至供油箱。而当电缆温度降低时，浸渍剂收缩，供油箱中的油返回电缆，以消除气隙。2.2 挤包绝缘电缆 以各种橡胶或塑料，即高分子聚合物为绝缘材料，经万方数据2 0 0 1 年第 2 期供用电挤出成型的电缆，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(P V C)电缆，聚乙烯(P E)电缆，交联聚乙烯(X L P E)电缆和乙丙橡胶(E P R)电缆等。其使用电压等级分别为:聚抓乙烯 1-6 k V,聚乙烯 1-4 0 0k V，交联聚乙烯 1 5 0 0 k V，乙丙橡胶 1 3 5 k V,交联聚乙烯电缆是 2 0 世纪 6 0 年代以后技术发展最快的电缆品种。它与油浸纸绝缘电缆相比，在加工制造和敷设应用方面有不少优点，其制造周期较短，效率较高，安装工艺较为简便，导体工作温度可达到9 0,C。由于制造工艺的不断改进，如用干法交联取代早期的蒸气交联，采用悬链式和立式生产线以及红外辐照交联工艺等等，使得 1 1 0-v 2 2 0 k V高压交联聚乙烯电缆产品具有优良的电气性能，能满足城市电网建设和改造的需要。现在，交联聚乙烯电缆在 3 5 k V及以下已逐步取代了油浸纸绝缘电缆。1 1 0 2 2 0 k V交联聚乙烯电缆，在上海、北京、广州、天津等大、中城市电网中已成批投人运行。5 0 0 k V交联聚乙烯电缆，国外已在大长度线路上安装使用，国内短线路于1 9 9 8 年投人运行。2.3 阻燃电缆 以材料氧指数)2 8的聚烯烃作为外护套，着火后仅延燃一段有限的距离即能 自熄，这种电缆称为阻燃电缆(其型号冠以Z R-)。在电缆比较密集的隧道、竖井或电缆层中，为防止电缆着火酿成严重事故，3 5 k V及以下的电缆，可选用阻燃电缆。考虑到一旦发生火灾，消防人员能够进行及时扑救，有条件时还应选用低烟无卤或低烟低卤护套的阻燃电缆。高阻燃电缆(其产品型号冠以G Z R-)，用于防火要求特别高的场所。其结构特点是，在绝缘芯和外护套之间挤填了一层无机金属化合物，如 A l(O H),。当遇火袭击时，这层化合物立即分解，析出结晶水，并生成一层不可燃、不熔融的胶状金属氧化物，包敷在绝缘芯外，隔绝氧气，阻止燃烧。所以，这种电缆又称为高阻燃隔氧层电缆。面电场比较均匀。2 0 k V及以上油纸电缆，1 0 k V及以上交联聚乙烯电缆，一般都采用圆形纹合导体结构。1 0 k V及以下多芯油纸电缆和 1 k V及以下多芯塑料电缆，为了减小电缆直径，节约材料消耗，采用扇形或腰圆形导体结构。中空圆形导体用于自容式充油电缆，其圆形导体中央以硬铜带螺旋管支撑形成中心油道，或者以型线(Z形线和弓形线)组成中空圆形导体。导体绞合后经过紧压模(辊)紧压，成为紧压导体。经紧压后，导体结构更加紧凑，并节约材料消耗，降低成本。导体经过紧压，每根导丝不再是圆形，而呈现不规则形状如图 1-2 所示。交联聚乙烯电缆导体一定要采用紧压结构，这是为了避免挤出和交联时，在压力作用下绝缘料被挤进导体间隙，同时为防止水分通过导体间隙扩散。扇形和腰 圆形导体，一般也都采用紧压结构.(a)紧压前(b)紧压后 图 1-2 圆形导体紧压前后的截面图 设纹合导体全部导丝实际面积之和为A,纹合导体几何外径所包含的面积为 A，为表示导体的紧压程度，采用A,与A的比值E 为紧压系数。通常非紧压的导体任=0.7 3 0.7 7，经过紧压之后，一般 可达到 0.8 8-0.9 3,交联聚乙烯电缆为阻止水分沿纵向进人导体内部，希望 住值要大一些。有些国家对 之 值在标准中作了规定，如日本在J I S C-3 6 0 6 标准中规定 e 为 0.9 3，美国在 I P C E A标准中规定 E 为0.9 4,大截面的电缆导体，为了减小其集肤效应，常采用分割导线结构。各个分割单元用绝缘隔开。3 电缆导体 电缆导体采用高电导系数的金属铜或铝制造。铜的电导率大，机械强度高，易于进行压延，拉丝和焊接等加工。它是电缆导体最常用的材料。电缆导体，除了小截面之外，均由多根导丝纹合而成。采用绞合导体结构，是为了 满足电 缆的 柔软 性和可曲 度的 要求。当 导体沿某一半径弯曲时，导体中心线圆外部分被拉伸，中心线圆内部分被压缩。假如导体是单根金属导线，弯曲时将产生塑性变形。而当导体再从弯曲变为平直时，导体原经拉伸的部分表面将产生凸起。这样，可能导致电缆绝缘损伤和绝缘层电场分布畸变。纹合导体在弯曲时，中心线内外两部分可以相互滑动，使导体不发生塑性变形。绞合导体，从其外形来分，有圆形、扇形、腰形和中空圆形等种类。圆形绞合导体几何形状固定，稳定性好，表4.1电缆绝缘层和屏蔽层 绝缘层 电力电缆的绝缘质量和绝缘水平，在结构上决定了电缆的使用寿命。设计绝缘厚度，应从多方面进行分析，首先要考虑电缆绝缘内的电场分布，一般以最大场强作为设计依据，然后要分析电缆在运行中承受的各种电压，系统中性点接地方式和绝缘材料击穿的统计规律，还要考虑绝缘的机械强度及工艺性能等。一般常规电缆产品的绝缘厚度，在国家标准和I E C中均有统一规定。以下就常用的两种绝缘材料油纸绝缘和挤包绝缘，简述其特性如下。(1)油纸绝缘油纸电缆的绝缘层是采用 5 2 5m m宽度的窄条纸带，一层层地包绕在电缆导体上。纸带的包绕方式，除紧靠导体和绝缘层最外的几层外，都采用万方数据供用电2 0 0 1 年第 2 期间隙式(又称负搭盖式)绕包，这样电缆在弯曲时，纸层间纸带可以相互移动。电缆纸是木质纤维纸，经过电缆油浸溃之后成为油浸纸，油浸纸绝缘实际上是木质纤维素与油的夹层结构。3 5 k V及以下的 油纸电缆采用粘性浸渍剂，即松香光亮油复合剂。这种粘性浸渍剂的特性是，在电缆工作温度范围具有较高的粘度以防止流失，而在电缆浸渍温度下，则具有较低的粘度，以确保良好的浸渍性能。充油电缆采用低粘试制浸渍剂，即高压电缆油，常用的高压电缆油有矿物油和十二烷基苯两种。(2)挤包绝缘挤包绝缘材料各类塑料、橡胶是高分子聚合物，经挤包工艺一次成型紧密地挤包在电缆导体上。塑料和橡胶属于均匀介质，这是与油浸纸的夹层结构完全不相同的。聚抓乙烯料是以聚抓乙烯树脂为主要原料，加人适量配合剂、增塑剂、稳定剂、填充剂、着色剂等经混合塑化而制成的。聚氯乙烯具有较高的电气性能和较高的机械强度，具有耐酸、耐碱、耐油性能。工艺性能也比较好。缺点是耐热性能较低，绝缘电阻率较小，介损较大，因此只能用作 6 k V及以下的电缆绝缘。聚乙烯具有优良的电气性能，介电常数小，介质损耗小，加工方便。缺点是耐热性差，机械强度低，耐电晕性能差，容易产生环境应力开裂。交联聚乙烯是聚乙烯经过交联反应后的产物。采用交联的方法，将线型分子结构的聚乙烯加工成网状结构的交联聚乙烯，从而提高了材料的电气性能、耐热性能和机械性能。聚乙烯交联反应的基本机理是，利用物理的方法(如用高能粒子射线辐照)或者化学的方法(如加人化学交联剂:过氧化物，硅烷接枝)来夺取聚乙烯中的氢原子，使其成为带有活性基的聚乙烯分子。4.2 屏蔽层 6 k V及以上的电缆，在导体表面和绝缘层之间，在绝缘层表面和护套之间，分别有一个结构层屏蔽层。屏蔽层的作用，是减小气隙的局部放电，提高电缆绝缘材料的击穿强度。多根导体纹合成而的导体表面，由于表面不光滑会形成电场集中，它与绝缘层之间容易产生气隙，在电场作用下就有可能导致局部放电。导体表面加一层半导体屏蔽层，称为导体屏蔽层，又称为内屏蔽层。这个屏蔽层能改善导体表面的光滑程度，它与导体等电位并与绝缘层良好接触，就起到了减少气隙的局部放电的作用。同样情况，在绝缘层表面加一层半导体屏蔽层，称为绝缘屏蔽层，又称外屏蔽层。这个屏蔽层与护套等电位，并与绝缘层良好接触，从而减少绝缘层表面与护套之间由于气隙产生的局部放电。屏蔽层的材料是半导电材料，其体积电阻率为1 X 1 0 -9 X 1 0 6 S 2 c m。油浸纸绝缘电缆的屏蔽层材料是半导电纸，这种纸是在普通电缆纸中，加人适量胶体碳黑粒子。半导电纸还有吸收离子的作用，有利于改善绝缘电气性能。还有一种屏蔽层材料是打孔的金属化纸，3 5 k V屏蔽型电缆就以金属化纸为各相外屏蔽层，三相经绞合成缆，加填料圆整，再用铜丝编织的纤维带扎紧，然后挤压金属护套。挤包绝缘电缆的屏蔽层材料是加入碳黑粒子的聚合物。没有金属护套的挤包绝缘电缆，在外屏蔽外需用铜带或铜丝绕包作为金属屏蔽层。这个金属屏蔽层的作用是，在正常运行情况下，用它通过电容电流，当系统发生短路时，金属屏蔽层又作为短路电流的通道，同时也起到了屏蔽电场的作用。在电缆结构设计中，要根据系统短路电流的大小，对金属屏蔽层的截面积提出相应的要求。4.3 水份对电缆绝缘性能的影响 在油浸纸绝缘电缆的制造过程中，要将绕包好的纸绝缘经过严格的真空干燥处理，除去吸附在纸表面和木质纤维素表面毛细管中的水分，然后浸渍电缆油，成了油浸纸绝缘。油浸纸绝缘一旦进人了水分后，将使其电气性能和老化性能显著降低，绝缘电阻下降，击穿场强下降，介质损耗角正切(t g S)增大。电缆纸含水后，其机械性能也将明显变化，拉断强度有很大下降。水分的存在，还可以使铜导体对电缆油的催化活性提高，从而加速绝缘油老化过程的氧化反应。图 1-3 交联聚乙烯绝缘中的水树枝 挤包塑料电缆中进人了水分，其危害也是很大的。在电场作用下，进人了塑料纸缘层表面的水分可以引发形成树枝状物水树枝，水树枝逐渐地向塑料纸缘内部伸展，导致塑料绝缘加速老化直至击穿。水树枝的特点是引发树枝的空隙中含有水分，它比产生电树枝低得多的场强下即可发生。交联聚乙烯绝缘中水树枝如图 1-3 所示。无论绝缘表面含水或是导体表面含水，都能够引发水树枝。在电缆运行中，由于地导体温度较高，当导体表面含有水分时，在塑料绝缘层中引发水树枝带来的加速老化过程要更快一些。所以，对于挤包式塑料电缆，要有可靠的护套，在电缆末端，要有完善的密封端帽，以防止水份和潮气浸人电缆。3 5 k V及以上交联聚乙烯电缆，如果由于端帽密封不良或其它原因造成了导体间隙中进水，必须设法排去。(待续)收稿日期:2 0 0 1 年 2 月 1 0日 史传卿上海电缆输配电公司 上海市共和新路 2 5 0 1 号2 0 0 0 7 2万方数据