通用电力电缆教材.docx
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通用电力电缆教材
电力电缆
第一节电力电缆结构
一、基本结构型式
电力电缆经常用作发电厂、变电所以及工矿企业的动力引人（或引出）线，当需跨江河、铁路等时也常用它；随着城市用电剧增，又希望少占地，很多国家还将电力电缆用作城市的输配电线路以及工矿企业内部的主干线路。
以电力电缆与架空线路（裸线）相比，其优点是受外界气候等的影响小、安全、可靠、隐蔽、耐用；但由于电缆结构和生产工艺都比较复杂，所以成本较高，其应用不如架空线路那样广泛。
为了保证电缆的运行及寿命，不仅要求电缆具有优良的绝缘性能，而且要考虑电缆的热性能及敷设方式等，这样对电缆的导电线芯、绝缘及护层等都提出了相应的要求。
1．导电线芯
电缆的导电线芯（载流芯）应采用具有高电导率的金属材料，目前主要是用铜或铝。
铜易焊接、导电性能和机械强度也都比铝好些。
但铝的资源更丰富，价格低，而且质量小（如果铜线和铝线长度相同且电阻也相等时，铝线的质量仅铜线的一半左右），加工方便，如用于油浸电力电缆中，铝对油老化的催化作用也比较小。
为了便于运输和敷设，电缆要可以弯曲。
为此，电缆的导电线芯常用多根导线扭绞而成。
在单芯电缆或分相铅包电缆中，导电线芯常用圆形芯；而在多芯电缆中，为减小尺寸及质量，有时制成扇形芯。
2．电缆护层
电缆护层的作用是为了防止水分、潮气等侵人绝缘层，塑料或橡皮绝缘电缆常常就在外面再包以塑料或橡皮层来作护套，而油浸纸绝缘电缆常用铅包或铝包的护套。
铅护套柔软、不透水、耐腐蚀，但是机械强度低，而且铅为稀缺的有色金属，正逐渐被铝护套等所替代。
铝的密度（2.7）比铅（11.34）小得多，所以铝护套轻而结实，但制造时压铝的温度比较高，另外如果铝中含有杂质，在运行中可能由于电化学作用等而将护套逐渐电解破坏。
当需要承受较大的机械负荷时，常采用钢带或钢丝恺装。
而在恺装层与金属护套间垫有内衬垫层，它是由沥青复合物、聚氯乙烯及浸渍纸带或浸渍电缆麻等所组成。
如果电缆需要敷设在可能被腐蚀的场所，在恺甲外面也应包以由这些保护材料所组成的外护层。
针对铝包钢带恺装电缆质量仍较大、敷设弯曲半径大的缺点，也有的地方改在三芯扇形芯的铝护套外加上防腐护层及聚氯乙烯外护套，不再加恺装，使质量比恺装电缆约少1/3，且运行情况良好。
3．绝缘介质
在较低电压时，如35kV及以下，国内广泛采用的是粘性浸渍的油纸绝缘、橡皮绝缘、塑料（聚氯乙烯、聚乙烯等）绝缘。
电缆常用的几种绝缘材料的性能如表9-1所示。
更高电压时，大多改用充油电缆、钢管油压电缆、充气电缆等。
橡皮绝缘或丁基、乙丙合成橡胶绝缘电缆，弹性好，柔软可挠，特别适宜用于35kV及以下的移动式供电设备上。
塑料绝缘电力电缆也没有敷设落差的限制，且加工方便，维护简便。
其中聚氯乙烯电缆常用到6-10kV，它价格低廉、耐酸耐碱，但介质损耗大、允许工作温度较低（60-70℃以下）、耐老化性能差。
因此更高电压的塑料电缆，不少国家都采用交联聚乙烯，由于经过交联，线状分子结构变成了网状，这样既保留了聚乙烯原有的优良电气性能，又提高了机械强度和耐热性能。
丁丙橡胶的耐热性与交联聚乙烯相近，而耐局部放电的性能比交联聚乙烯还好些，可是损耗较大。
所以两者各有优点，110或220kV级的聚乙烯及丁丙橡胶绝缘的电力电缆国外都有采用。
4．电缆接头盒
（1）终端接头盒
电缆两端都应有终端接头盒，通过它与变压器或架空线相连接。
户外终端接头盒都应有密封的瓷套（或环氧树脂套等）以防止潮气进人。
正常情况下，单芯的（或分相铅包的）电缆本体中几乎只有垂直于纸层的径向场强，对此油纸绝缘的电气强度是很高的。
可是在电缆终端处，其电场就复杂得多，如图9-1所示，在金属护层终端处附近不仅电场异常集中，而且有很强的轴向分量。
如不采取相应的措施，在较低的电压下，就会在这护层边缘处发生电晕甚至滑闪放电，这时仅仅靠增加沿面距离并不会带来显著效果。
为要提高放电电压，必须设法改善电场分布，所采用的原则与高压套管中改善电场分布的原则相同。
（2）连接接头盒
当电缆线路较长时，必须在现场用连接接头盒将多根电缆连接起来。
连接盒里的电场也不像电缆本体中那样全为径向分布，而且是在现场制作的，条件较差。
因此，将载流芯连接后，还需包缠增绕绝缘层，并在两端加上应力锥，使沿此锥面各点的轴向场强均匀化。
充油电缆的连接盒除上述的普遍连接盒外，还有绝缘连接盒和塞止式连接盒。
当需要沿线路长度上对电缆护层进行交叉换位时即采用绝缘连接盒，它能使相连的两段电缆的外壳间用环氧树枝片或瓷片沿轴向互相绝缘开来，需要高落差敷设时，为了减少对下终端的静油压力，也可采用塞止式连接盒，使相连的两段电缆间的油路不相连通。
图9—1电缆终端处在剥去铅套后电场通量线的分布示意图
1—铅套；2—电缆绝缘；3—导电线芯
第二节主要试验
一、交联电缆交流耐压试验
1．概述
橡塑绝缘电力电缆是指聚氯乙烯绝缘、交联聚乙烯绝缘和乙丙橡绝缘皮电力电缆。
其中的交联聚乙烯电力电缆，由于其电气性能和耐热性能都很好，传输容量较大，结构轻便，易于弯曲，附件接头简单，安装敷设方便，不受高度落差的限制，特别是没有漏油和引起火灾的危险，因此受到用户广泛欢迎，并不断向高压、超高压领域发展，呈现出逐步替代纸绝缘电缆的趋势。
交联聚乙烯电力电缆的断面构造示意图如图9—2。
它和大家熟悉的油浸纸统包电缆的区别除了相间主绝缘是聚乙烯塑料以及线芯形状是圆形之外，还有两层半导体胶涂层。
在芯线的外表面涂有第一层半导体胶，它可以克服电晕及游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡。
在相间绝缘外表面涂有第二层半导体胶，同时挤包了一层0.1mm厚的薄铜带，它们组成了良好的相间屏蔽层，之几乎不能发生相间故障。
图9—2交联聚乙烯电力电缆断面构造示意图
1—绝缘层；2—线芯；3—半导体胶层；4—铜带屏蔽层；5—填料；
6—塑料内衬；7—恺装层；8—塑料外护层
由于橡塑绝缘电缆与油纸绝缘电缆材质、结构不同，直流试验电压对绝缘寿命的影响也不同，因此不宜采用与油纸绝缘电缆完全相同的项目和方法进行试验。
直流耐压试验存在的主要问题：
电力电缆在运行中，主绝缘要承受长期的额定电压，还要承受大气过电压、操作过电压、谐振过电压、工频过电压。
因此电力电缆安装竣工后，投入运行前必需考核耐受电压水平，只有在规定的试验电压和持续时间下，绝缘不放电、不击穿，才能保证投入后的安全运行。
由于电缆线路的电容很大，若采用工频电压试验，必须有大容量的工频试验变压器，现场很难实现；所以传统的耐压试验方法是采用直流耐压试验。
因为电缆的绝缘电阻很大（一般在10GΩ以上），所以在作直流耐压是充电电流极小，具备试验设备容量小、重量轻、可移动性好等优点；但直流耐压试验方法对于XLPE交联电缆，无论从理论还是实践上却存在很多缺点。
主要体现在：
1）试验等效性差：
高压试验技术的一个通用原则是试品上施加的试验电压场强应模拟高压电器的运行工况。
高压试验得出的通过的结论要代表高压电器中薄弱点是否对今后的运行带来危害。
这就意味着试验中的故障机理应与电器运行中的机理应该相同的物理过程。
以武高所、西交大、上海供电局所做的研究数据为例，如表9-1
表9-1击穿电压试验等效性比较结果
试验电压类型（UX）
缺陷类型
等效性K=UX/Uac
直流
工频
0.1Hz
振荡波
针尖缺陷
4.3
1
1.5
1.5
切痕缺陷
2.8
1
2.6
1.1
金具尖端缺陷
3.9
1
2.2
1.6
进潮和水树枝缺陷
2.6
1
1.2
1.4
从上表可以看出：
针对不同缺陷，直流耐压的击穿电压的分散性非常大，从2.6～4.3倍不等。
因此无法做为判断电缆绝缘好坏的依据。
2）直流和交流下的电场分布不同：
直流电压下，电缆绝缘的电场分布取决于材料的体积电阻率，而交流电压下的电场分布取决于各介质的介电常数，特别是在电缆终端头、接头盒等电缆附件中的直流电场强度的分布和交流电场强度的分布完全不同，而且直流电压下绝缘老化的机理和交流电压下的老化机理不相同。
因此，直流耐压试验不能模拟XLPE电缆的运行工况。
3）放电难以完全：
XLPE电缆在直流电压下会产生“记忆”效应，存储积累性残余电荷。
一旦有了由于直流耐压试验引起的“记忆性”，需要很长时间才能将这种直流偏压释放。
电缆如果在直流残余电荷未完全释放之前投入运行，直流偏压便会叠加在工频电压峰值上，使得电缆上电压值远远超过其额定电压，从而有可能导致电缆绝缘击穿。
4）会造成击穿的连锁反应：
直流耐压时，会有电子注入到聚合物质内部，形成空间电荷，使该处的电场强度降低，从而易于发生击穿，XLPE电缆的半导体凸出处和污秽点等处容易产生空间电荷。
但如果在试验时电缆终端头发生表面闪络或电缆附件击穿，会造成电缆芯线上产生波振荡，在已积聚空间电荷的地点，由于振荡电压极性迅速改变为异极性，使该处电场强度显著增大，可能损坏绝缘，造成多点击穿。
5）对水树枝的发展影响巨大：
XLPE电缆致命的一个弱点是绝缘易产生水树枝，一旦产生水树枝，在直流电压下会迅速转变为电树枝，并形成放电，加速了绝缘老化，以致于运行后在工频电压下形成击穿。
而单纯的水树枝在交流工作电压下还能保持相当的耐压值，并能保持异端时间。
实践也证明，直流耐压试验不能有效发现交流电压作用下的某些缺陷，如电缆附件内，绝缘若有机械损伤或应力锥放错等缺陷。
在交流电压下绝缘最易发生击穿的地点，在直流电压下往往不能击穿。
直流电压下绝缘击穿处往往发生在交流工作条件下绝缘平时不发生击穿的地点。
国际大电网会议第21研究委员会CIGRESC21WG21-09工作组报告《高压挤包绝缘电缆竣工验收试验建议导则》和IECSC20A的新工作项目提案文件《额定电压150kV（Um=170kV）以上至500kV（Um=525kV）挤包绝缘电缆及附件试验》不推荐采用直流耐压试验作为交联聚乙烯电缆的竣工试验而改用交流耐压试验。
2、耐压试验装置
既然直流耐压试验不能模拟XLPE电缆的运行场强状态，不能达到我们所期望的检验效果，自然就应该转向用交流耐压试验来考核交联电缆的敷设和附件的安装质量，但是采用工频或接近工频的交流耐压试验作为挤包绝缘电缆线路竣工试验存在的最大困难是长线路需要很大容量的试验设备。
目前主要采用0.1Hz作为试验电源和变频串联谐振试验电源。
（1）用0.1Hz作为试验电源，理论上可以将试验变压器的容量降低到1/500，试验变压器的重量可大大降低，可以较容易地移动到现场进行试验，目前此种方法主要应用于中低电缆的试验，又试验条件的真实性毕竟不如近工频交流电压（30～300Hz），由于电压等级偏低，还不能用于110kV及以上的高压电缆试验。
（2）变频串联谐振试验电源，主要通过改变试验电源的输出频率，使回路中固定电感量的电抗器L与被试品CX发生谐振（谐振频率30～300Hz），使被试品承受合适的高电压，还具有以下优点：
调频、调幅电源采用电力电子设备控制，且省去用于调压的调压器，使系统体积小、重量轻，适合于现场使用；产品磁路无需调节、噪音小、结构简单；品质因素高（一般70～150），电源输出为正弦波，谐振时波形失真度极小；试品试验电流受系统谐振条件的制约，因此当试品击穿或发生短路时，系统的谐振条件被破坏，试验电压迅速降低，短路电流很小，只有试品电流的十分之一以下，因此即使试品被击穿也不会对试验装置和试品造成危害；电抗器为固定电感，不需要调节机构，便于运输到现场安装；电抗器虽为固定电感，但通过串、并联，还是可以改变的，这样使大大增加了试品的容量范围，对于电缆试品来说可达到400倍之多。
经过试验方法的对比，我省普遍采用变频串联谐振交流耐压试验装置。
（3）、电缆变频串联谐振交流耐压试验原理
电缆交流耐压试验装置通常有三种形式：
工频串联谐振电源、变频串联谐振电源、0.1Hz电源。
以下就我省使用最多的变频串联谐振交流耐压试验装置进行介绍。
变频串联谐振交流耐压试验装置由变频电源、励磁变、避雷器、串联电抗器、调谐电容或电缆自身电容和用于高压测量的电容分压器组成。
如图9-3所示，对应的等值电路如图9-4
图9-3电缆变频串联谐振交流耐压试验原理接线
图9—4频串联谐振交流耐压试验等值电路
图9-4为电抗器L的内阻；
感抗：
容抗：
串联回路总阻抗：
串联回路电流：
电容上的电压：
当
时，回路发生串联谐振，此时阻抗有最小值：
由：
得谐振固有频率：
当电路处于谐振状态时，电缆上电容的电压为：
为品质因素，
由上式可以看出在电容上的电压UC高于电源输入电压U的Q倍，在工程应用中，电抗器品质因素Q一般取几十到几百。
当串联回路在谐振状态时，
，回路成阻性，电感上的电流IL和电容上电流IC方向相反，大小相等，相互抵消。
回路中的
视在功率为：
S=UI
有功功率为：
P=I2R
无功功率为：
Q=I2（XL-XC）
谐振回路的有功损耗还有电晕损耗、频率损耗等，故有功率损耗将会大于I2R。
谐振回路中的电阻是等效出来的，其实是电抗器的内阻rL和电容器的等效损耗电阻rC之和，所以工程中所测电压和电流之积极开展为电抗器或电容器上的视在功率。
谐振回路中电源提供的容量（有功功率等于视在功率），为电抗器上所产生容量的1/Q。
4、高压交流耐压装置选择
变频高压交流电源容量的选择，要根据系统最长电缆的型号、试验电压、长度和截面，估算试验电压下的电容电流，计算出变频高压交流电源容量和电抗器电感量。
（1）电缆的电容参数
电缆不同型号、不同截面在1km长度下的电容如表9-1、表9-2、表9-3。
表9-1
电缆导体截面
面积（mm2）
电容（μF/km）
YJV、YJLV
6/6kV、6/10kV
YJV、YJLV
8.7/10kV、8.7/15kV
YJV、YJLV
12/35kV
YJV、YJLV
21/35k
YJV、YJLV
26/35k
1×35
0.212
0.173
0.152
1×50
0.237
0.192
0.166
0.118
0.144
1×70
0.270
0.217
0.187
0.131
0.125
1×95
0.301
0.240
0.206
0.143
0.135
1×120
0.327
0.261
0.223
0.153
0.143
1×150
0.358
0.284
0.241
0.164
0.153
1×185
0.388
0.307
0.267
0.180
0.163
1×240
0.430
0.339
0.291
0.194
0.176
1×300
0.472
0.370
0.319
0.211
0.190
1×400
0.531
0.418
0.352
0.231
0.209
1×500
0.603
0.438
0.388
0.254
0.232
1×600
0.667
0.470
0.416
0.287
0.256
表9-2
电缆导体截面
面积（mm2）
电容（μF/km）
YJV、YJLV
6/6kV、6/10kV
YJV、YJLV
8.7/10kV、8.7/15kV
YJV、YJLV
12/35kV
YJV、YJLV
21/35k
YJV、YJLV
26/35k
3×35
0.212
0.173
0.152
3×50
0.237
0.192
0.166
0.118
0.144
3×70
0.270
0.217
0.187
0.131
0.125
3×95
0.301
0.240
0.206
0.143
0.135
3×120
0.327
0.261
0.223
0.153
0.143
3×150
0.358
0.284
0.241
0.164
0.153
3×185
0.388
0.307
0.267
0.180
0.163
3×240
0.430
0.339
0.291
0.194
0.176
3×300
0.472
0.370
0.319
0.211
0.190
3×400
0.531
0.418
0.352
0.231
0.209
3×500
0.603
0.438
0.388
0.254
0.232
3×600
0.667
0.470
0.416
0.287
0.256
表9-3
电缆导体截面面积
（mm2）
电容（μF/km）
YJV、YJLV
64/110kV
YJV、YJLV
128/220kV
3×240
0.129
3×300
0.139
3×400
0.156
0.118
3×500
0.169
0.124
3×630
0.188
0.138
3×800
0.214
0.155
3×1000
0.231
0.172
3×1200
0.242
0.179
3×1400
0.259
0.190
3×1600
0.273
0.198
3×1800
0.284
0.297
3×2000
0.296
0.215
3×2200
0.221
3×2500
0.232
（2）试验电压
交联电缆各电压等级的30～300Hz谐振耐压试验电压如表9-4
表9-4交联绝缘电缆不同电压等级的交流试验电压
30～300Hz谐振耐压试验
交
接
时
电压等级
试验电压
时间
35kV及以下
2Uo
5min
110kV
1.7Uo
5min
220kV
1.4Uo
60min
预
试
时
电压等级
试验电压
时间
35kV及以下
1.6Uo
5min
110kV
1.36Uo
5min
220kV
1.15Uo
5min
（3）变频交流耐压装置的电源容量和电抗器电感量选择示例
例：
某电业局有YJV（YJLV）8.7/10kV型电缆、截面240m2、最长的有5km；需选择多大容量变频试验电源？
由已知电缆参数查表1可知1km长的电容量为0.339μF，则5km长时为1.695μF；
设谐振频率32Hz，则：
容抗：
因谐振时
，即感抗：
查表3可知YJV（YJLV）8.7/10kV形电缆的试验电压为17.4kV，因电抗器的电阻很小，若忽略不计，则谐振时的电流为：
则所需的电源容量为：
，可配置为108（KVA）
电抗器可做成3台并联，每台的额定电压选18kV，则三台并联时的额定电流为I=108/18=6A，每台的额定电流为2A。
每台32Hz时的电抗为9000欧，则电感为：
（4）35kV及以下交联电缆交流耐压装置的技术要求
为了保证交流耐压时，人身和被试设备的安全，新购置的变频高压交流电源装置应进行验收。
1）测量电感值，应符合标称值。
2）励磁变的变比应符合标称值。
3）选一适当高压补偿电容器，调节输出电流达额定值，持续30min，电抗器的温升值不应超过65k，这是检查其容量是否符合要求的有效办法。
4）在额定负载下，调节仪器输入电源电压，使之变化±10，输出电压要保持稳定。
5）满载试验时，用地线接近高压侧，使其发生闪烙放电，此时保护动作，关断高压。
连续进行三次后整套装置应仍能正常工作。
6）将高压过压整定值设定为1.1倍，使装置升压至整定值，此时应关断高压，切断主回路，动作误差不超过±1%。
5、试验步骤和注意事项
1）被试电缆已安装到位，达到验收条件。
运行中电缆的预防性试验应把电缆与其它设备的连接解开。
2）交流耐压试验属于高压工作，要根据安全规程的有关规定做好安全准备工作。
在试验地点周围要采取安全措施，防止与试验无关的人员靠近。
3）应逐相试验，非被试相应连同被试相屏蔽层一起接地。
4）电缆屏蔽层过电压保护器应短接，并使这一端电缆屏蔽或金属层临时接地。
5）交联绝缘电缆不同电压等级的交流试验电压如表9-4，根据试验电压调节过电压保护值。
6）根据试验电压和估算的输出电流，选择适当的电抗器，通常试验装置配有三个电抗器，可通过串联或并联来满足试验电压或试验容量的要求。
7）为交流耐压试验有较好的等效性，应尽量把谐振频率控制在40～60Hz，这可通过调节附加电容的电容量来实现。
尤其是短电缆电容量小，所需的谐振频率高，甚至超过试验装置最高的谐振频率，使之无法调谐，这时必须附加并联电容。
8）试验接线完毕应经检查，确认无误，方可升压试验。
9）试验完毕应通过80kΩ限流电阻反复放电几次直至无火花，才允许直接接地。
10）不同厂家生产的试验装置操作步骤有所差别，具体操作步骤应按试验装置的使用说明书进行。
6、结果判断
交联电缆交流耐压中，绝缘不发生闪络、击穿，交流耐压后测量绝缘电阻与交流耐压之前比较无明显变化，说明没造成绝缘损伤，试验合格。
第三节电缆常见故障及原因分析
一、电缆的一般故障及分析
电力电缆在电力系统中用量很大，它与输电线路相比有许多优点。
电缆的产品种类很多，有油浸纸电缆、充油电缆、聚乙烯电缆、交联聚乙烯电缆和橡胶电缆等。
随着现代工业的进步，尤以交联聚乙烯为主体的电缆发展最快。
电力电缆在制造或运行中不可避免地会出现一些故障，一般情况下，电缆的常见故障可分为:
开路故障，低阻故障和高阻故障三种类型。
1．开路故障
如果电缆相间或相对地的绝缘电阻达到所要求的规范值，但工作电压不能传输到终端，或虽有终端电压，但负载能力较差，这类故障称为开路故障。
如图9-3所示，在某相H点存在电阻Rk。
Rk=∞的故障称为断线故障，这是开路故障的特殊情况。
2．低阻故障
若电缆相间或相对地的绝缘受损，其绝缘电阻减小到一定程度，能用低压脉冲测量的故障称为低阻故障。
如图9-5，在电缆中某M点，对地绝缘电阻Rd小于1000Ω以下时，便认为是低阻故障。
Rd=0的这种情况称为短路故障。
这是低阻故障的特殊情况。
如果故障点在电缆终端头，Rd小于电缆特性阻抗才认为是低阻故障。
3．高阻故障
相对于低阻故障，若电缆相间或相对地的故障电阻较大，以致不能采用低压脉冲法进行测量的故障，通称为高阻故障。
它包括泄漏性高阻故障和闪络性高阻故障。
在做电缆预防性试验时，泄漏电流是随电压的升高而逐渐增大，且其值大大超过规定的泄漏值，这种故障称为泄漏性高阻故障。
在图9-4中，对泄漏性高阻故障，Rd一般大于150Ω，特殊情况下，终端高阻泄漏故障中的Rd大于电缆的特性阻抗。
闪络性高阻故障则不然，其特点是故障点，不但没有形成低阻通道，相反，绝缘电阻值却很大，在做试验时，当电压升到一定值时，泄漏电流突然增大。
当电压稍降时，此现象消失。
在图9-5，某相N点在高电压作用下，Rg=O，当高电压降低到某一数值后，Rg→∞。
以上是电缆的一般性故障类型，但对于不同类型的电缆来讲，各自都有其特有故障。
图9—5电缆故障示意图
二、电缆的特殊故障及分析
1．油浸纸绝缘电缆和高压充油电缆的特殊故障
该种类型的电缆线路的薄弱环节是终端头和中间接头，这往往由于设计不良或制作工艺、材料不当而带来缺陷。
有的缺陷可在施工过程和验收试验中检出，更多地是在运行中逐渐发展，劣化直至暴露。
沥青胶浇灌的终端头常因密封不良逐渐进潮，沥青胶起层，开裂和形成孔隙，有时也会因温度过高而流胶；环氧树脂和塑料干封电缆头易于受电场、热、化学的长期作用而逐渐变坏；充油电缆头常出现缺油受潮情况。
2．交联聚乙烯电缆的特殊故障
当交联聚乙烯电缆在正常环境中使用时，电
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