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中低压电缆附件的基本知识发布时间:2018-9-8 来源:电气样本网

的基本知识

一、附件的基本概念和要求

1、基本概念

a、电缆附件:在电缆线路中各种电缆终端和接头的统称。

b、电缆终端头:安装在电缆线线路的末端与架空线或电气设备连接的一种装置。

c、电缆接头:指电缆与电缆之间相互连接的装置。

2、基本要求

a、线芯连接要好

接触电阻应小而稳定,能经受故障电流的冲击,运行中的接头电阻不大于电缆线芯本身电阻的1.2倍。

b、绝缘性能

附件绝缘的耐压强度不应低于电缆本身,介质损耗应达到相应国家标准和厂家要求;户外部分还要考虑有严酷气候条件下能安全运行,一般应按电力部标准中三级污秽确定外绝缘长度,而外露导电部分对地距离和相间距离应符合下表的要求:

c、密封性能

对于中低压电缆附件,由于XLPE绝缘电缆附件多为干式绝缘结构的附件,同时密封的主要作用就是防止运行中环境的潮气和导电介质浸入绝缘内部,引起树枝放电等危害。对于超高压电缆,如110kV及以上电压等级XLPE绝缘电缆,密封不但有上述作用,而且对防止附件内部充油的泄漏起关键作用。

d、良好的机械强度

附件在安装和运行状态下要受到很多外力作用,如人为内力、电动力等,特别是110kV以上电压等级电缆附件、电缆本身回缩、弹力等也对附件本身提出较高的要求。

二、电力电缆的基本类型及结构

1、电缆类型

1)挤包绝缘电缆

交联电缆:6kV以上

PVC电缆:1kV以下

橡胶电缆:10kV以下

   2)油纸绝缘电缆:现很少使用

2、电缆结构及作用

   35kV单芯交联聚乙烯绝缘钢丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆为例


 

1)         导体(紧压型线芯)的作用:

a传送电流;

b使外表面光滑,避免引起电场集中;

c防止挤塑半导电屏蔽层时半导电料进入线芯;

d可有效地防止水分顺线芯进入。

2导电屏蔽层的作用:

a、 屏蔽层具有均匀电场和降底线芯表面场强的作用;

b、 提高了电缆局部放电的起始放电电压,减少局放的可能性;

c、 抑制树枝生长;

d、 热屏障作用。

3绝缘层的作用:

   绝缘是将高压电极与地电极可靠隔离的关键结构

a承受工作电压及各种过电压长期作用,因此其耐电强度与长期稳定性能是保证整个电缆完成输电任务的最重要部分;

b能耐受发热导体的热作用保持应有的耐电强度

4)绝缘屏蔽层的作用:

保证能与绝缘紧密接触,克服了绝缘与金属无法紧密接触而产生气隙的弱点,而把气隙屏蔽在工作场强之外,在附件制作中也普遍采用这一技术。

5)金属屏蔽层的作用:

a形成工作电场的低压电极,当局部有毛刺时也会形成电场强度很大的情况,因此也要力图使导体表面尽量做到光滑完整无毛刺;

b提供电容电流及故障电流的通路,因此也有一定的截面要求。

6)护层(内、外护套、铠装)的作用:

是保护绝缘和整个电缆正常可靠工作的重要保证,针对各种环境使用条件设计有相应的护层结构,主要是机械保护(纵向、经向的外力作用)防水、防火、防腐蚀、防生物等,可以根据需要进行各种组合。

三、电缆附件的分类

1、按安装位置分类:

   终端:户外、户内

   接头:直通接头、绝缘接头、分支接头

2、按安装方式和使用材料分:

3、影响附件质量的主要因素

a、电气绝缘性能

b、热性能(抗老化性能、散热性能)

c、附件结构

d、安装工艺

e、环 

四、电缆接头及终端的电场分布与结构特性:

1、电力线及等位线

    为了分析电缆附件电场情况,通常用电力线及等位线(等电位线)来形象化的表示电场分布状况。

1)、电力线与等位线直角相交(正交);

2)、用电力线分析电场时,集中的部位电场强度高;

3)、用等位线分析电场时,曲率半径愈小的地方场强越高。

 

2、电缆末端(电缆终端)电场分布

电缆终端电场分布                    外半导体屏蔽端口电场分布

     1—线芯;  2—电缆绝缘;          1—绝缘;2—导体;3—轴向磁力线;

   3—铅护套                        4—外半导体屏蔽层;5—径向磁力线

当电缆的绝缘屏蔽层切开之后,在外屏蔽端口将产生电应力集中现象,电场突然变化,并且电缆终端处电场分布畸变要比接头中的电场畸变严重。

3、应力控制结构

电力电缆终端或接头中的应力结构主要有两种:  

   1)、几何法:应力锥(如冷缩附件、高压附件);

   2)、参数法:应力带或应控管(如热缩附件)。

        应力锥主要由绝缘和半导电两部分组成,其中绝缘部分用以增强电缆绝缘,半导电部分与电缆外半导电屏蔽结合,以控制电场分布。

应控管是通过控制材料的特殊电气参数(对材料性能要求相当严格),如高介电常数ε>20,体积电阻率ρν   108—1012Ωocm,应控管安装在附件中,使电场中电力线在两种不同介电常数介质的界面上遵循一定的折射规律(如瑞典的FSD应力控制片,是利用其电阻率与外施电场成非线性关系变化的特性,即当外施电场增加时,电阻率下降将这种材料施加在电缆屏蔽切断处绝缘表面,从而降低该处电场强度)。

两种应力控制方式性能对比:

从上述分析可知,在应力控制中,虽然应力层控制电场分布有体积小、结构简单等优点,但对于超高压电缆来说,应力层中材料参数的选择至关重要,体积电阻率选择太小,会使应力层在运行时电阻电流发热而老化,同时介电常数过大,电容电流也会产生热量而使应力层发热老化,故必须根据电压等级选择应力材料参数。应力锥结构虽然参数比较容易控制,但体积较大,加工工艺要求严格,如果喇叭口制做的不合适会引起电场在此集中,特别是现场绕包的应力锥更易出现操作缺陷,而预制式应力锥基本能够克服上述缺点,因而目前是国外较常采用的一种方法。

4、接头电场分布

应力锥的曲线曲率,及屏蔽套的两端口曲率半径直接影响到电场分布。

       

5、电缆附件中的界面特性

XLPE绝缘电缆,由于其绝缘材料的特殊性能,使这种电缆的绝缘强度很高,在一般情况下,本体主绝缘击穿的可能性很小,同时配合交联聚乙烯的电缆附件,不论是什么形式(如热缩、预制、冷缩等)都是用很好的绝缘材料制成,附件本身的绝缘不成问题,所以关键要解决电缆绝缘本体和附件之间的界面问题。

尽管我们设计附件时采用了适当的裕度,保证一般电缆使用中不会出现问题,但由于电缆制造工艺的千差万变,使得同一截面的电缆绝缘外径相差非常大,例如:240mm2 XLPE电缆标称绝缘外径应为φ21.5mm,而目前大多数电缆为φ19.2mm,这就带来了预制电缆附件的安装困难。

热缩形电缆附件主要靠附件加热收缩过程中产生界面握紧力来保证界面特性,当附件安装完成后进入运行,随着电缆负荷的变化,气候条件温差影响,电缆本体热胀冷缩,运行过程中附件不能再进行加热,就造成了热缩管对电缆绝缘表面界面压力不足,仅凭热缩管内壁很薄的热溶胶弹性来保证界面特性,显然是不够的,以致于热缩附件密封性能较差,油浸纸绝缘电缆最好不要使用。

交联聚乙烯电缆附件界面的绝缘强度与界面上受到的握紧力有指数关系,如图所示:

   界面压力与击穿强度关系曲线

界面正是这样一个力的作用下保持电性能稳定的,根据国外技术人员分析,界面压力达到98 KPA时,它的击穿强度能达到3kV/mm以上,如界面压力达到500—588 KPA,它的击穿强度能达到11 kV/mm,而设计附件时,一般界面的工作场强均取击穿场强的1/10—1/15,0.2 kV/mm以下,甚至更低,这主要取决于电缆附件的材料特性,如热缩附件取0.05 kV/mm以下,而预制冷缩附件可以取到0.2 kV/mm。这种设计参数国内外都用于附件设计中,通过较长运行时间,证明这样的基础场强对于XPLE绝缘电缆是非常合适的。

值得注意的是,这样一个场强必须是在界面有一定压力的前提条件下,如果不存在界面压力,界面的长度就要和户外的长度一样计算。

6、终端电气计算

A、终端外绝缘

终端外绝缘有三个要素必须计算,这就是干闪距、湿闪距和爬距(见下表)。这三个参数对外绝缘将产生不同的影响。对于一种附件,只有取三个参数计算出的最大绝缘距离,才能保证整个运行时的安全。

表:电缆附件基础外绝缘距离

1)、干闪距

干闪距离是指上金属电极至下金属电极间的最短直线距离。例如,我国电缆运行规程规定:10 kV户内电缆终端金具与地和其它相的最小距离不得小于125mm,这就是指最小干闪距离,因为在户内不

存在污闪和湿闪问题。现在很多10kV附件,虽然

主绝缘露出长度都小于这一数值,但由于在安装工

艺中,将接线端子和接地线的一部分金属绝缘起来,

从而延长了主绝缘,使得总长度仍然大于125mm

对于户外10kV附件,一般干闪距离应大于250mm

如右图所示,终端外绝缘长度L = a + c + d

2)、湿闪距

    湿闪距离是指当雨水以45°角淋在附件上时,附件上仍存在的干区长度,如右上图所示,a+b等的组合。湿闪电压一般为干闪的70~80%,当正常运行时,在电压一定的情况下,一般附件设计主要以湿闪为依据,如果能满足湿闪要求,干闪基本可以说没有问题,当然这不包括其它金属物接近附件引起的闪络。如上图中所示:

湿闪距离= n×b(cm)

式中n为裙边数。

3)、污闪距(泄漏比距)

   污闪距离是指附件外绝缘从上金具至下接地部位全部绝缘表面距离。这是由于污秽是均匀附着于附件绝缘表面上的,当有潮湿空气将其湿润时,就发生导电现象,以至闪络。电力工业部对污闪划分了等级,由于我国环境污染严重,因此附件污闪距离一般取四级污秽等级为好,也就是取77.5px/kV;对于户内一般取三级,即2.5 cm/kV(见下表)。例如,10kV户外污闪距离一般应大于3.1 cm/kV×8.7 kV=278.4mm110 kV户外污闪距离一般应大于3.2 cm/kV×69 kV=2208mm

泄漏比 = 泄漏距离/额定电压(cm/kV

B、终端内绝缘

终端内绝缘的设计应从三个方面考虑,即附加绝缘厚度、界面长度和应力控

 

制方式。我们在前面已经讲了应力控制,并作了对比,因比就不再详述。但是有一点还要强调,不同的应力控制方式,对于主绝缘厚度影响较大,用应力管控制终端电场,一般绝缘厚度为3~5mm,就可满足要求,同时3~5mm厚的绝缘老化寿命能够保证在15~20年内外绝缘性能,机械性能不会下降。对于用应力锥的形式控制电场的附件,附加绝缘取得较厚,因为它是通过几何形状的改变(一条复对数曲线)来改变终端电场的,一般10kV15mm左右,此时一般不从老化角度考虑问题,主要从改善电场角度出发。35kV20~35mm110kV50~70mm

终端界面长度影响因素较多,如绝缘光滑程度、干净程度、界面压力、材质等,因而不能一概而论。但从前面所述的理论看,界面长度与击穿电场强度有一定关系,在这个基础之上,再加一裕度和安全系数就能确定界面长度。目前所遇见的几种附件界面长度大致可以由下面的方法确定。

1)热缩附件

    10 kV  户内  8.7 / 0.04 =217 mm

            户外  8.7 / 0.02 = 434 mm (考虑裕度及安全系数)

    35 kV  户内  26 / 0.09 =290 mm

            户外  26 / 0.05 = 520 mm (考虑裕度及安全系数)

2)预制类附件

    10 kV  户内  8.7 / 0.09 =97 mm

            户外  8.7 / 0.08 = 110 mm

    35 kV  户内  26 / 0.1 =260 mm

            户外  26 / 0.08 = 325 mm

    65 kV  户内  42 / 0.08=525 mm

            户外  42 / 0.06= 700 mm

以上数据是分析国内外各制造厂商及试验室的试验分析结果而得到的。可以明显看出,预制附件的界面工作场强高于热缩附件。

 

C、终端接地

终端接地线首先应满足良好的接地要求,只有这样才能保证安全运行。根据国家标准(简称国标)要求,电缆附件接地线应采用镀锡编织铜线,10kV电缆截面为120mm2及以下的采用16mm2编织铜地线,120mm2及以上的采用25 mm2接地线。目前为了更好地检测电缆外护套,有些地区供电局要求中低压附件采用双接地线制,即铜屏蔽层和钢带铠装的接地线分开焊接两根地线,正常运行时将两根地线均接地。当预试时用摇表测量护套对地阻,从而证明护套的完整性。对于35kV及以上电压等级电缆的接地,国标也作了明确规定,如下表所示:

  高压电力电缆接地线推荐截面

对于35kV及以上电压等级电力电缆的接地应考虑采用单端直接接地,另一端通过保护器接地。这是因为高压电力电缆多为单芯电缆,因而会在铜带屏蔽层上产生感应电压。如果两端均直接接地,就会在屏蔽层中形成环流,造成损耗,减少电缆输电能力。感应电压的大小地国标中明确规定:“未采取不能任意接触金属护层的安全措施时,不得大于50V;如采用安全措施时,不得大于100V”。对于较长电缆,感应电压必定大于100V,这时应采用中间交叉互联方式以消除感应电压。

7、接头电气计算

电力电缆接头的电气性能主要是由内绝缘结构来确定的,对于中低压附件,接头的设计比较简单,一般取附加绝缘厚度为主绝缘的2倍,同时考虑连接管表面的光滑,并恢复内屏蔽和外屏蔽,最后对外屏蔽断开点的电场集中处通过采用应力管或应力锥方式控制该处电场,确保恢复的外护套能够和原电缆外套具有同等密封性能,因此中低压电缆接头中最关键的问题仍然是界面问题,界面的好坏,直接影响接头质量。目前国内外各种附件,由于所选材料不同,使得接头大小有很大差别。热缩和冷浇注式接头由于界面压力小,必须选择较长界面来改变这种状态,所以热缩和冷浇注接头的界面一般都取在200—250mm为好。对于冷缩、预制和接插式以及绕包式接头,在连接部位及半导电断口处理较好的情况下,界面长150—100mm就可以达到绝缘要求。较先进的附件,接头的界面长度只有80mm

所有电缆接头的形状都能通过接头的电气计算确定,特别是高压电缆接头的附加绝缘厚度、应力锥和反应力锥长度必须进行严格理论计算,才能确保运行安全。

A、附加绝缘厚度

附加绝缘厚度是根据连接表面的最大工作场强取定后而计算出来的,且电缆本体的最大工作场强为3—4kV/mm(XPLE绝缘电缆),国外电缆的最大工作场强有时选取得还要高,一般连接管表面最大工作场强取电缆本体最大工作场强的45--60%。但有一点必须记住,该处最大工作场强不要超过空气游离时的场强,即2.1kV/mm

Δn=RnR=r1exp(U/r1En)R

式中   r1—— 连接管外半径,mm;

R—— 电缆工厂绝缘层外半径,mm;

U —— 电缆承受最大相电压,kV;

En —— 连接管表面最大工作场强,kV/mm。

B、应力锥长度及形状

对于中低压电缆接头,如采用应力控制管,就应按照应力控制管参数来确定形状。这里主要说明应力锥改善电场的情况。设计原理是按其界面在一定压力作用下,界面所能承受的最大击穿场强的(1/10)--(1/15)来计算。也就是说,首先确定在一定压力作用下界面的击穿场强,然后依此为基础确定出最大界面工作场强(Et)和应力锥长度,参看下图

图   接头几何尺寸示意图

Lk=U/EtIn[Ln(R/rc)/In(Rn/rc)]

式中   Et —界面最大工作场强,kV/mm;

U  — 电缆承受最高系统相电压,kV;

Rn  — 附加绝缘半径,mm;

R  — 电缆工厂绝缘半径,mm;

r线芯半径,mm。

由于式中计算的应力锥应为一曲线,但在实际安装中,手工绕包这样的曲线是不可能的,因而现场常用一直线来代替。目前各国生产的预制接头中的应力锥,在工厂中通过工艺使之达到标准曲线。

C、反应力锥长度及形状

反应力锥也是根据沿面轴向场强为一常数而确定的。计算反应力锥长度见上页图的公式为:

Lc=U/EtIn[Ln(R/rc)/In(Rn/rc)]

式中   Et— 界面最大啊作场强,kV/mm;

U — 电缆承受最高系统相电压,kV;

Rn 附加绝缘半径,mm;

R — 电缆工厂绝缘半径,mm;

rc 线芯半径,mm。

同样,按上式计算出的反应力锥为一曲线,在实际电安装中多用直线代替,正、反应力锥之间的距离一般取10—150mm。

D、界面状况

交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆接头中的界面长度的确定主要取决于界面情况。对于预制或绕包式接头如能保证界面良好,界面长度可以取得很短,如3M公司和ABB公司、F&G公司的接头绝缘长度都在100mm以下,有的甚至接近50mm,日本腾仓公司、住友公司、昭和公司110kV预制接头中绝缘长度也小于200mm,因此最大工作场强可达到0.345kV/mm,大于2.1/10,即空气游离场强的1/10。这主要是因为预制件能够保证界面压力大于3kg/cm2,而一般国内10kV热 缩接头,界面长度一般应大于150mm,这时的最大工作场强为8.7/150=0.058kV/mm,预制附件一般在150—100mm之间,因而最大工作场强为8.7/100=0.087kV/mm。对于35kV及以上电压等级电缆,由于制作时工艺要求严格,几何形状一定,对电场改善好,因此可以适当提高最大界面工作强,以提高材料利用率。在综合考虑安全系数的情况下,最大工作场强可达到2.1/10=0.21kV/mm,再加上15%的安全裕度,即

0.21×85%=0.178kV/mm。对于110kVXLPE绝缘电缆绕包式接头,除反应力锥以外绝缘长度L=69/0.178=387mm;对于66Kv XLPE绝缘电缆,L=42/0.178=235mm;对于35kV XLPE绝缘电缆,L=26/0.178=146mm。其它接头形式可根据具体情况计算出界面长度。

五、导电的连接技术

1、连接方法:压接、焊接、机械连接

2、影响压接接头质量的主要因素:

a、   材料的材质

b、   金具与导体的配合尺寸:间隙大约1mm

c、   金具实体截面与导体截面的比值:≥1.5

d、   压缩比18%~30%

e、   压接方式:点压、六方围压

f、   压痕数量:端  子:2~4

               连接管:4~8

六、附件的标准和试验

1、标准

中低压:IEC60502(1~30kV),GB12706(1~35kV),JB/T 8144(代替:GB 11033,26/35kV及以下),GB/T 18889(6~35kV试验标准)

高  压:IEC 60840(30~110kV),IEC 60859(GIS 终端、SF6开关)

        IEC 62067(150~500kV),GB/T 11017( 110kV),GB/Z188890(220kV)

    2、试验

       a、1min工频耐压试验:是鉴定绝缘强度的最有效和最直接的方法

       b、局部放电试验:是一种判断绝缘在长期运行中性能好坏的较好的方法

        c、循环试验:检验附件材料的老化水平

       d、冲击电压试验:用来检验附件在雷电过电压和操作过电压作用下的绝缘性能或保护性能

        e、直流耐压试验:考核经以上试验后的绝缘水平

七、附件安装的注意事项

1、电缆和附件的清洁处理

2、检查电缆的受潮情况

3、严格按安装工艺提供的尺寸进行剥切,注意剥切中不能损伤电缆

4、半导电层与绝缘层光滑过渡

5、去线芯表面氧化层

6、去金具等的毛刺、飞边

7、不能有产品开裂现象

8、冷缩产品骨架不能松动

 

八、电缆附件典型事故分析

(缩终端击穿故障    (湖北)

   冷浇注树脂中间接头结构

事故原因:由于中间接头连管压接不紧发热,导致绝缘碳化相间击穿。

一)、10kV冷浇注树脂中间接头击穿   (昆明)

热缩终端头应控管上方击穿              热缩终端头应控管内击穿

事故原因:应控管体积电阻率过低,击穿故障一般出现于应控管以上;

          应控管体积电阻率过高,击穿故障一般出现于应控管以内。

 

(三)、35kV热缩终端头应控管附近电晕    (苏州)

   35kV热缩终端头结构

原因分析:电缆屏蔽未端及应控管内部由于存在气隙,在高压电场下发生电晕。

 

(四)、10kV热缩中间头反应力锥处击穿    (武汉)

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