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电力电线
第四章电力电缆
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入(或引出)线,当需跨越江河、铁路等时也常用它;而随着城市用电剧增,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.
表4-1导电线芯铜和铝的基本性能
材料
密度
(g/cm3)
20℃时电阻率(Ω·m)
电阻温度系数
(1/℃)
铜
8.9
<17.48
3.93×10-3
铝
2.7
<28.36
4.03×10-3
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。
表4—l列出作导电线芯的铜和铝的基本性能。
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,见图4—2。
2.电缆护层
电缆护层的作用是为了防止水分、潮气等侵入绝缘层,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,常采用钢带或钢丝铠装。
而在铠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,在铠甲外面也应包以由这些保护材料所组成的外护层。
针对铝包钢带铠装电缆质量仍较大、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,不再加铠装,使质量比铠装电缆约少l/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4—2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。
表4-2各国在中低压电缆中常用的几种绝缘材料
绝缘材料
聚氯乙烯
聚乙烯
交联聚乙烯
丁基橡胶
乙丙橡胶
粘性油纸
不滴流纸
工作温度(℃)
70
70~75
90
85
90
50~80
65~80
20℃时电阻率(Ω·m)
1013~1015
1017~1018
1017~1018
1014~1015
1014~1015
1014~1015
1014~1015
相对介电常数
6~9
2.3
2.3
3~5
2.5~4
3.5
3.5
tgδ(%)
6~10
0.03~0.06
0.04~0.07
0.3~1.5
0.2~1.4
0.8~1.0
0.8~1.0
自0.5En至2En的Δtgδ
0.65
0.2
0.2
0.55
0.25
0.24
1.2
击穿场强(Kv/mm)
25~35
40~50
40~50
25~35
25~40
40~45
30~35
电缆绝缘厚度(mm)
6/10Kv
4.0
3.4
3.4
4.0
3.4
3.2
3.2
12/20kV
6.4
5.5
5.5
6.4
5.5
5.4
5.4
18/30kV
-
8.0
8.0
-
8.0
7.5
7.5
注En表示额定电压下的场强。
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,154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。
国内常用的几种电力电缆型号及用途,如表4—3所示。
表4—3常用的几种国产电力电缆的型号及用途
结构品种
常用的几种型号
电压等级
用途特点
粘性浸渍纸绝缘电力电缆
铅包Z(L)Q、Z(L)QF铝包ZL、ZLL
35kV及以下
10kV及以下
交流电网,固定敷设,也用于直流
滴干绝缘电力电缆
铝芯ZLQP(F)
铜芯ZQP(F)
10kV及以下
同粘性浸渍纸绝缘电力电缆,但常用于高落差敷设
不滴流浸渍纸绝缘电力电缆
铜芯ZQD
铝芯ZLQD
10kV及以下
同滴干绝缘电力电缆,还可用于热带地区
橡皮绝缘
电力电缆
铅包X(L)Q
聚氯乙烯护套X(L)V
氯丁橡胶护套X(L)F
6kV及以下
可供定期移动的装置用
聚氯乙烯绝缘和护套电力电缆
铜芯VV
铝芯VLV(F)
6kV及以下
无敷设位差的限制
交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套
电力电缆
铜芯YJV(F)
铝芯YJLV(F)
6kV及以下
同聚氯乙烯绝缘和护套电力电缆,也可供定期移动的装用
自容式充油
高压电缆
ZQCY
10kV及以下
交流电网中固定敷设
注产品型号中各字母先后为序,其意义如下:
绝缘层,Z—纸绝缘;x—橡皮绝缘;V—聚氯乙烯绝缘;YJ—交联聚乙烯绝缘。
导体,L—铝导体(如不加“L”即为铜导体)。
护层,Q—铅护套;L—铝护套;V—聚氯乙烯护套;F—氯丁橡胶护套。
如为滴干或不滴流,分别加P及D。
如有分相铅包,加F;CY—充油等。
二、纸绝缘电缆
(一)粘性浸渍纸绝缘电缆
油浸纸绝缘电力电缆的用量最大,而且具有使用寿命长、热稳定性高等优点,可是工艺过程较复杂,在35kV及以下时以粘性浸渍绝缘较为合适。
粘性浸渍电缆所采用的是在光亮油中加入松香而成的粘性浸渍剂,这样既能在较高的浸渍温度(如120~140℃)下仍具有比较低的粘度,保证了浸渍完善;而在电缆的正常工作温度下,它的粘度已很高,不大会流动,但在电缆弯曲时,纸层间仍能有相对位移。
粘性浸渍电缆在运行中,内部往往会产生气隙,特别是当它敷设在落差较大处或工作温度较高时。
从表4—4可见,浸渍剂的热膨胀系数要比电缆中其它材料大好多倍,这样在运行中随着负荷变动所引起的温度升降,浸渍剂的体积将显著地改变。
而铅层是缺乏弹性的,以致·当冷却时铅护套内部的绝缘体积已缩小,而铅层不可能恢复到原来的尺寸,于是在铅护套里形成了空隙。
表4—4电线中几种材料的热膨胀系数
材料名称
铝
铜
铅
电缆纸
浸渍剂
体积膨胀系数(1/℃)
72×10-6
51×10-6
69×10-6
90×10-6
~900×10-6
如此反复多次后,气隙还将逐渐增大。
随着外施电压升高,这些气隙中的局部放电使tgδ增大,如图4—1中的曲线2。
如果敷设在倾斜角度较大的场所,则当温度稍高时,浸渍剂还易于渐渐向下淌流,使电缆下部的护套受到较大的压力而更膨胀,甚至可能破裂;而上部因缺乏浸渍剂而形成更多的空隙,这从图4—1中曲线3a可以看出。
对于需要敷设在较大的落差处时,常改用滴干绝缘电缆,那是在经过像粘性浸渍电缆那样的干燥浸渍以后,再增加一个滴干(或称贫乏)过程。
由于绝缘中浸渍剂含量已显著减少,故倾斜敷设的淌流现象可以改善。
可是绝缘中空隙增多,绝缘性能差,因此只能用于lOkV以下。
当需要更大的敷设落差时,可改用不滴流电缆,它是用合成微晶地蜡与光亮油组成的复合物来浸渍,在工作温度下这种复合物不会流动。
几种粘性浸渍电缆的允许敷设落差如表4—5所示。
图4—2和图4—3分别为ZLQ型及ZLQF型粘性浸渍电缆的截面结构图。
表4-5粘性浸渍电缆的允许敷设落差
电缆绝缘种类
额定电压及结构类型
允许落差(m)
油浸纸绝缘
6~10kV
20~35kV
15
5
油浸纸滴干绝缘
总包型(带绝缘)分相铅(或铝)包型
100
300
不滴流浸渍纸绝缘
全部产品
没有限制
粘性浸渍电缆中的绝缘层常用狭长的(宽5~35mm、厚0.12mm)电缆纸螺旋式地包缠在导电芯上。
为了使电缆能弯曲,大部分的绝缘层是采用负搭盖,也就是同一层的相邻纸带间留有间隙(0.2—2mm),但在紧靠缆芯(及铅护套)的少数层,为了提高电气强度,也为了较平整些,常改用正搭盖,也就是同一层的相邻纸带间互相盖住一些。
电缆纸的技术要求,见表4—6。
表4-6电缆纸技术要求
项目
电缆纸
高压电缆纸
硫酸盐木浆(%)
100
100
厚度(mm)
0.12
0.045,0.075,0.125.0.175,0.225
密度(g/cm3)
0.7
0.85
双面耐折次数(纵横向平均)
1000~2000
1300~3000
灰分(不大于,%)
1
0.3
100℃下tgδ
(不大于)
干纸
-
0.0023
油浸纸
-
0.03
电缆纸中一般含水为6%~8%,水分含量增多时tgδ增大,体积电阻率ρ减小,见图4—4。
因而在包缠好绝缘后,要充分进行烘干,干燥后期用真空干燥以利于除去水分。
如图4—5所示,在干燥后期的真空度要相当高,才能保证剩余含水量少、tgδ值低。
如果含水稍增多,也将直接影响到浸渍后的油纸绝缘的电气强度,见图4—6。
在导电线芯表面和铅(或铝)护套内侧,通常包以半导体纸带或金属化纸带的屏蔽层,国内常用0.12mm的含碳黑的半导体纸带,要求其电阻率为105-106Ω·cm。
这种纸既能改善此处由于导电线芯表面(或护套内侧)不光整引起的电场集中现象,而且所含碳黑还可具有吸附浸渍剂中杂质离子等作用。
图4—7示出了采用半导体纸屏蔽后对tgδ的改善作用。
粘性浸渍剂是用松香与光亮油的混合物,松香含量常占30%~35%(对于垂直敷设的电缆,松香可占50%左右)。
表4-7对光亮油及高压电缆油的技术要求
项目
光亮油
110~330kV
高压电缆油
闪点(不低于,℃)
凝固点(不高于)℃
酸值(不大于,mgKOH/g油
击穿场强(不小于,kV/mm)
tgδ(100℃,不大于)
275
-12
1.1
2.14
0.06
125
-60
1.01
2.20
1.0015
对电缆中用的光亮油及高压电缆油的技术要求,如表4—7所示。
以上所介绍的粘性浸渍绝缘电缆(包括滴干及不滴流绝缘电缆),其结构比较简单,也不需要附属设备(如压力箱等)。
但它在生产过程中,特别是运行过程中,不可避免会在绝缘中形成气隙,因而一般只能用于交流电压35kV及以下。
为了解决电缆绝缘中出,现的气隙,以及气隙的击穿场强远较油浸纸为低的问题,从基本原理上看有两条解决的途径:
一是设法经常不断地用低粘度油来填满气隙(充油电缆);二是设法提高气隙的击穿场强(充气电缆)。
(二)充油电缆
常用的充油电缆有钢管式或自容式两种形式。
1.自容式充油电缆
自容式充油电缆结构与前述的粘性浸渍电缆的结构相似,如图4—8所示。
导电线芯或用图示的型线,或用螺旋管支撑圆线绞合,特大容量还有用分裂线芯的。
自容式电缆中用的高压电缆油粘度比较小(比钢管充油电缆里所用的油粘度要小得多),以便及时通过绝缘层以及导电线芯中的油道补充到所需要的部位。
为了减小铜对油老化的催化作用,铜导体表面镀锡。
电缆的两端应装有重力箱或压力箱,当距离很长(如4km以上)时沿途再要加压力箱,使电缆油始终处于某必要的表压力之下,从而消除了绝缘可能出现的气隙,以确保可靠的绝缘性能。
国内对330kV及以下的自容式高压充油电缆采用的是低油压,其长期使用的油压为0.05一0.6MPa。
对高压电缆油的要求可参见表4—7。
为提高纸层的电气强度,采用了比前述粘性浸渍电缆中所用的纸更薄的高压电缆纸,如
厚度为0.045、0.075mm等(参见表4—6)。
如图4—9所示,油浸电缆纸的短时电气强度2b将随纸带厚度减薄而提高;但纸带厚度越薄,往往纸的密度γ也越大;纤维素含量也越高,这样将引起tgδ的增大,如图4—10所示。
而对于超高压电缆而言,介质损耗(U2ωCtgδ)甚至可能超过缆芯的铜耗(I2R只),如表4—8所示。
表4—8高压电缆介质损耗所占的比例
额定电压
(Kv)
标称截面
(mm2)
tgδ
(%)
介质损耗
(kW/km)
30
185
0.008
1.5
2
110
220
0.005
10.8
2.0
220
350
0.004
34.0
3.4
400
400
0.003
105.0
11.8
因此,介质损耗的大小将直接影响到超高压电缆的传输功率,当电缆靠自然冷却时,由于tgδ值的增加使传输功率下降,传输功率尸与绝缘层tgδ的关系如图4—ll所示。
500kV以上的油浸纸绝缘电缆有时就不得不采用强迫冷却的办法,例如内部油冷或水冷、外部直接水冷或平行敷设冷却水管等。
为改善电场分布,在导电线芯表面及绝缘层外表面也都包有半导体屏蔽层。
充油电缆的电气试验的性能指标如表4—9所示。
国内生产的l10、220kV及330kV低油压自容式电缆的绝缘厚度分别约10、18mm及25mm。
2.钢管式充油电缆
那是将三根单芯屏蔽电缆拉人钢管内(见图4—12),屏蔽外包有铜带,并有2—3根半圆形铜丝(滑丝)以便于拖进钢管,管内充有油压,1,5MPa左右,以消除绝缘层中可能形成的气隙。
电缆绝缘层的浸渍剂常用高粘度的油(如聚丁烯油),以防止当拖进钢管时浸渍剂大量流出;而拖进钢管后再充以粘度较低些的油,以使浸渍充分且降低油在流动时的阻力。
表4—9充油电缆的主要电气性能指标
试验项目
额定电压(kV)
110
220
330
20℃时导电线芯直流电阻率(不大于,Ω·mm2/m)
0184
副压
工频15min(有效值,kV)
120
230
340
直流15min(kV)
288
552
816
室温下(不大于)
tgδ
0.0004
0.0003
Δtgδ(从0.5Un~2Un)
0.001
0.0008
充油电缆油样标准(浸渍完后10日内试)
在100℃、电场强度为10kV/cm时tgδ(不大于)
110~220kV电缆
0.005
330kV电缆
0.004
(20±10℃)时工频击穿场强(不小于,kV/cm)
180
钢管式充油电缆因有钢管作护层,机械强度很高,且采用较高的油压,所以电气性能较自容式好;但三芯在同一钢管中,如一相故障时有可能影响到另两相,而且不宜敷设于高垂直落差之处。
国外超高压的充油电缆也仍用自容式或钢管式,可参见表4—10。
在自容式充油电缆中国外已广泛采用十二烷基苯;至于纸层绝缘,希望电气强度高而介电常数又不太高,所以如聚丙烯薄膜一纤维复合纸、高密度聚乙烯合成纸等都很有发展前途。
表4-10国外几种充油电缆的主要性能指标
电压
(Kv)
电缆
型式
线芯
截面
(mm)
绝缘厚度(mm)
最大工作场强(Kv/mm)
工作油压(MPa)
电气性能(kV)
备注
工频
(有效值)
BIL①(幅值)
BSL①(幅值)
525
自容式
1000
30.5
16.3
1.6
875/1min
1675
1390
美国、长16km、落差183m
500/550
钢管式
1000
34
14.3
1.5
576/6h
1675
1390
美:
试验用
500
自容式
2000
33
15
—
630/6h
1860
1310
日本:
1975年运行
500/550
钢管式
625
30
15
1.5
600/24h
1725
—
前苏联:
1964年投运
750
自容式
1100
/2000
—
21
1.2~
0.3
870/24h
2100
1675
意大利:
研究品,已通过试验
①BIL及BSL分别指基准冲击(雷电冲击)水平及基准操作冲击水平。
(三)充气电缆
既然电缆绝缘在制造与运行过程中常有可能产生气隙,也可以用提高气压的办法来提高气隙的电气强度。
充气电缆所充入的气体应是绝缘性能良好的干燥气体,如高纯度(99.99%以上)的氮气或六氟化硫等。
充气电缆的附属设备等较充油电缆简单,而且无液体静压力,特别适宜于用作高落差的高压电缆线路。
但如前面分析气压大小对气体电气强度的影响时已指出的那样:
气压提高虽能提高工频击穿电压,但对冲击击穿电压往往提高不多。
充气电缆的长期击穿场强及许用工
作场强都较充油电缆为低,很高压力的充气电缆很少见到。
35kV充气电缆的截面与图4—2相似,但加入三根供气的管道,绝缘采用的是滴干纸绝缘(厚7mm),也采用分阶绝缘(内外层分别采用0.08mm及0.12mm厚的电缆纸),工作压力为O.3MPa。
从图4—13可以看到,提高表压力可以改善充气电缆的局部放电性能。
(四)几种新型电缆
充油或充气电缆的电气性能虽比粘性浸渍电缆为好、工作温度可提高、落差可增大,但附件复杂、维护也不方便,所以落差大而电压不太高的场合,逐渐被不滴流油纸电缆及塑料电缆所替代。
如国外不滴流油纸电缆已用到35kV,至于塑料电缆已用到220kV级。
而对于更高电压、大容量的电缆,近年来如管道充气电缆、低温或超导电缆等已引起人们很大的兴趣。
1.管道充气电缆
那是以单芯或三芯的导体(一般用铝管)直接安装在钢管(或铝管)内,其间用环氧树脂等浇注件来支撑。
钢管内充以SF6或SF6与N2的混合气体作绝缘。
这种管道充气电缆是以具有一定气压的绝缘气体为绝缘介质,所以电容比油纸绝缘小得多,介质损耗极低,导热性能也好。
但刚性结构的管道充气电缆因护层尺寸大、接头多、安装及制造工艺要求高,一般认为当电压在400kV以上、传输容量达千兆伏安级时,其经济意义才明显。
国外研制的管道充气电缆见表4—11。
表4-11国外研制的管道充气电缆
电压
(Kv)
结构型式
电流(kA)
SF6压力(Mpa)
导体材料
外护层材料及直径(mm)
电气性能(kV)
备注
工频
(有效值)
BIL(幅值)
BSL(幅值)
500
单芯、刚性
2.54
0.35
铝(φ171mm)
铝(φ508)
—
1550
—
美国:
已运行
1200
单芯
5
0.44
铝(φ286mm)
铝(φ760)
1200
2175
1800
美国:
研究品
500
三芯、刚性
4~6
0.27
铝(φ230mm)
铝(φ1200)
840
1860
1200
日本
420
单芯
2
0.4
—
—
680
1640
1250
德国:
已运行
275
单芯、可能
760(MVA)
1.40
铝(1290mm2)
波纹不锈钢(φ152)
—
1050
—
英国:
研究品
2.低温电缆
在很低温度时超纯金属(99.999%)的铜和铝的电阻已显著降低:
如降到液氮温度(77K)时,铜和铝的电阻下降到l/10,降到液氢温度(20K)时,电阻下降到l/l00。
于是同样的导体,载流量分别可提高约3倍及10倍。
其次是液氮或液氢本身又能组成优良的绝缘,如液氮浸渍的聚乙烯,其tgδ仅l0-5级,且在工频及冲击电压下的击穿场强分别可达44、100kV/mm以上。
所以低温电缆很适宜于制造500kV或更高电压的大容量电缆。
3.超导电缆
如载流芯采用超导材料,载流量还可大大提高,例如直流超导电缆中用的直径5mm的铌钛超导合金线,允许电流达44kA,即电流密度达2.2kA/mm2,而常用的电缆中,电流密度仅1—3A/mm2。
在超导电缆中,作为绝缘材料的有液氦浸渍的聚乙烯(或电缆纸、聚酯薄膜)或就用液氦本身(以环氧浇注件为支撑)。
但低温及超导电缆造价贵,保护及连接盒等复杂,从技术经济分析来看,低温或超导电缆的适用范围分别应在3、6GVA以上。
如果同样输送10GVA的容量,几种电缆的损耗对比如表4—12所示。
表4—12各种型式电缆的损耗对比
项目
容量(GVA)×回线
损耗(kW/km)
损耗率(%/100km)
架空线
2.8×4
1080
0.96
充油电缆
0.5×20
3200
3.2
管道充气电缆
2.5×4
1800
1.8
液氮低温电缆
5.0×2
1250
1.25
交流超导电缆
10×1
170
0.17
直流超导电缆
10×1
85
0.085
三、电缆许用场强选取
在选取许用场强时,应考虑该电缆所处的工作条件、可能遇到的过电压等,做到既能确保长期安全运行,而又尽量经济合理。
例如为了保证电缆能可靠运行40年,不少国家对电缆试品进行2年左右的实用化试验(亦称高场强下热循环试验)来对电缆的设计与工艺进行电、热等综合性考核:
每天16h加负荷电流,另外8h无电流,而在两年期间一直施加以较高的电压(如采用相电压Up的1.0~1.38倍,所以施加1.38倍那是考虑到电缆运行中如一相对地闪络时,健全相上出现的电压就可能有
×0.72×1.1Up=1.38Up,式中0.72为接地系数)。
同理,也可制作一批试样在不同场强下进行加速老化试验,从而获得寿命曲线。
根据从这些试样上得到的长期的及冲击下的击穿场强,再加一定的安全系数m,就可相应地选取长期的及冲击下的许用场强值。
例如在工频电压下,常取m≥2;在冲击电压下,取m≥1.2。
实际上,由于材料、结构以及运行条件的不同,老化过程也各不相同。
1.油纸电缆
在交流电缆中引起绝缘老化的最常见的原因是局部放电,然后慢慢扩展,使绝缘进一步地受损伤。
图4—14即为在局部放电发展过程中,试样的tg
值增长情况。
只有当放电强度微弱到10-10C/s以下时,才不会明显影响老化过程。
在解剖已击穿的油纸电缆中,常常能发现像树枝形状的放电痕迹,它从缆芯开始而沿着绝缘层可能延伸很长的距离,这种放电形式与电缆的结构特点——纸带缠包绝缘有关。
在电缆中,很可能首先在靠近导电线芯附近场强最大处的油隙或气隙中发生局部放电[见图4—15(a)中A的位置3,如果持续发生较强烈的局部放电,它不但使浸渍剂分解、气隙扩
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