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中低壓電纜附件的基本知識發布時間:2018-9-8??來源:電氣樣本網??

低壓電纜附件" href="http://www.lsdlfj.cn/" target="_self">低壓電纜附件的基本知識

一、附件的基本概念和要求

1、基本概念

a、電纜附件:在電纜線路中各種電纜終端和接頭的統稱。

b、電纜終端頭:安裝在電纜線線路的末端與架空線或電氣設備連接的一種裝置。

c、電纜接頭:指電纜與電纜之間相互連接的裝置。

2、基本要求

a、線芯連接要好

接觸電阻應小而穩定,能經受故障電流的沖擊,運行中的接頭電阻不大于電纜線芯本身電阻的1.2倍。

b、絕緣性能

附件絕緣的耐壓強度不應低于電纜本身,介質損耗應達到相應國家標准和廠家要求;戶外部分還要考慮有嚴酷氣候條件下能安全運行,一般應按電力部標准中三級汙穢確定外絕緣長度,而外露導電部分對地距離和相間距離應符合下表的要求:

c、密封性能

對于中低壓電纜附件,由于XLPE絕緣電纜附件多爲幹式絕緣結構的附件,同時密封的主要作用就是防止運行中環境的潮氣和導電介質浸入絕緣內部,引起樹枝放電等危害。對于超高壓電纜,如110kV及以上電壓等級XLPE絕緣電纜,密封不但有上述作用,而且對防止附件內部充油的泄漏起關鍵作用。

d、良好的機械強度

附件在安裝和運行狀態下要受到很多外力作用,如人爲內力、電動力等,特別是110kV以上電壓等級電纜附件、電纜本身回縮、彈力等也對附件本身提出較高的要求。

二、電力電纜的基本類袌D敖Y構

1、電纜類型

1)擠包絕緣電纜

交聯電纜:6kV以上

PVC電纜:1kV以下

橡胶電纜:10kV以下

   2)油纸绝缘電纜:现很少使用

2、電纜結構及作用

   35kV單芯交聯聚乙烯絕緣鋼絲铠裝聚氯乙烯護套電力電纜爲例


 

1)         導體(緊壓型線芯)的作用:

a傳送電流;

b使外表面光滑,避免引起電場集中;

c防止擠塑半導電屏蔽層時半導電料進入線芯;

d可有效地防止水分順線芯進入。

2導電屏蔽層的作用:

a、 屏蔽层具有均匀電場和降底线芯表面場强的作用;

b、 提高了電缆局部放電的起始放電電压,减少局放的可能性;

c、 抑制树枝生长;

d、 热屏障作用。

3絕緣層的作用:

   絕緣是將高壓電極與地電極可靠隔離的關鍵結構

a承受工作電壓及各種過電壓長期作用,因此其耐電強度與長期穩定性能是保證整個電纜完成輸電任務的最重要部分;

b能耐受發熱導體的熱作用保持應有的耐電強度

4)絕緣屏蔽層的作用:

保證能與絕緣緊密接觸,克服了絕緣與金屬無法緊密接觸而産生氣隙的弱點,而把氣隙屏蔽在工作場強之外,在附件制作中也普遍采用這一技術。

5)金屬屏蔽層的作用:

a形成工作電場的低壓電極,當局部有毛刺時也會形成電場強度很大的情況,因此也要力圖使導體表面盡量做到光滑完整無毛刺;

b提供電容電流及故障電流的通路,因此也有一定的截面要求。

6)護層(內、外護套、铠裝)的作用:

是保護絕緣和整個電纜正常可靠工作的重要保證,針對各種環境使用條件設計有相應的護層結構,主要是機械保護(縱向、經向的外力作用)防水、防火、防腐蝕、防生物等,可以根據需要進行各種組合。

三、電纜附件的分類

1、按安裝位置分類:

   終端:戶外、戶內

   接頭:直通接頭、絕緣接頭、分支接頭

2、按安裝方式和使用材料分:

3、影響附件質量的主要因素

a、電氣絕緣性能

b、熱性能(抗老化性能、散熱性能)

c、附件結構

d、安裝工藝

e、環 

四、電纜接頭及終端的電場分布與結構特性:

1、電力線及等位線

    爲了分析電纜附件電場情況,通常用電力線及等位線(等電位線)來形象化的表示電場分布狀況。

1)、電力線與等位線直角相交(正交);

2)、用電力線分析電場時,集中的部位電場強度高;

3)、用等位線分析電場時,曲率半徑愈小的地方場強越高。

 

2、電纜末端(電纜終端)電場分布

電纜終端電場分布                    外半導體屏蔽端口電場分布

     1—線芯;  2—電纜絕緣;          1—絕緣;2—導體;3—軸向磁力線;

   3—鉛護套                        4—外半導體屏蔽層;5—徑向磁力線

當電纜的絕緣屏蔽層切開之後,在外屏蔽端口將産生電應力集中現象,電場突然變化,並且電纜終端處電場分布畸變要比接頭中的電場畸變嚴重。

3、應力控制結構

電力電纜終端或接頭中的應力結構主要有兩種:  

   1)、幾何法:應力錐(如冷縮附件、高壓附件);

   2)、參數法:應力帶或應控管(如熱縮附件)。

        應力錐主要由絕緣和半導電兩部分組成,其中絕緣部分用以增強電纜絕緣,半導電部分與電纜外半導電屏蔽結合,以控制電場分布。

應控管是通過控制材料的特殊電氣參數(對材料性能要求相當嚴格),如高介電常數ε>20,體積電阻率ρν   108—1012Ω?cm,應控管安裝在附件中,使電場中電力線在兩種不同介電常數介質的界面上遵循一定的折射規律(如瑞典的FSD應力控制片,是利用其電阻率與外施電場成非線性關系變化的特性,即當外施電場增加時,電阻率下降將這種材料施加在電纜屏蔽切斷處絕緣表面,從而降低該處電場強度)。

兩種應力控制方式性能對比:

从上述分析可知,在应力控制中,虽然应力层控制電場分布有体积小、结构简单等优点,但對于超高压電缆来说,应力层中材料参数的选择至关重要,體積電阻率选择太小,会使应力层在运行时電阻電流发热而老化,同时介電常数过大,電容電流也会产生热量而使应力层发热老化,故必须根据電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電場在此集中,特别是现場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、接頭電場分布

應力錐的曲線曲率,及屏蔽套的兩端口曲率半徑直接影響到電場分布。

       

5、電缆附件中的界面特性

XLPE绝缘電缆,由于其绝缘材料的特殊性能,使这种電缆的绝缘强度很高,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電缆附件,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,所以关键要解决電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,保证一般電缆使用中不会出现问题,但由于電缆制造工艺的千差万变,使得同一截面的電缆绝缘外径相差非常大,例如:240mm2 XLPE電缆标称绝缘外径应爲φ21.5mm,而目前大多数電缆爲φ19.2mm,这就带来了预制電缆附件的安装困难。

热缩形電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,随着電缆负荷的变化,气候条件温差影响,電缆本体热胀冷缩,运行过程中附件不能再进行加热,就造成了热缩管对電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,油浸纸绝缘電缆最好不要使用。

交联聚乙烯電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,如圖所示:

   界面壓力與擊穿強度關系曲線

界面正是这样一个力的作用下保持電性能稳定的,根据国外技术人员分析,界面压力达到98 KPA時,它的擊穿強度能達到3kV/mm以上,如界面壓力達到500—588 KPA,它的擊穿強度能達到11 kV/mm,而设计附件时,一般界面的工作場强均取击穿場强的1/10—1/15,0.2 kV/mm以下,甚至更低,这主要取决于電缆附件的材料特性,如热缩附件取0.05 kV/mm以下,而預制冷縮附件可以取到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,证明这样的基础場强對于XPLE绝缘電缆是非常合适的。

值得注意的是,这样一个場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,界面的长度就要和戶外的长度一样计算。

6、终端電气计算

A、終端外絕緣

終端外絕緣有三個要素必須計算,這就是幹閃距、濕閃距和爬距(見下表)。這三個參數對外絕緣將産生不同的影響。對于一種附件,只有取三個參數計算出的最大絕緣距離,才能保證整個運行時的安全。

表:電缆附件基础外绝缘距离

1)、幹閃距

干闪距离是指上金属電极至下金属電极间的最短直线距离。例如,我国電缆运行规程规定:10 kV戶內電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,因爲在戶內不

存在汙閃和濕閃問題。現在很多10kV附件,雖然

主絕緣露出長度都小于這一數值,但由于在安裝工

藝中,將接線端子和接地線的一部分金屬絕緣起來,

從而延長了主絕緣,使得總長度仍然大于125mm

對于戶外10kV附件,一般幹閃距離應大于250mm

如右圖所示,终端外绝缘长度L = a + c + d

2)、濕閃距

    濕閃距離是指當雨水以45°角淋在附件上时,附件上仍存在的干区长度,如右上圖所示,a+b等的组合。湿闪電压一般爲干闪的70~80%,当正常运行时,在電压一定的情况下,一般附件设计主要以湿闪爲依据,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。如上圖中所示:

濕閃距離= n×b(cm)

式中n爲裙边数。

3)、汙閃距(泄漏比距)

   汙閃距離是指附件外絕緣從上金具至下接地部位全部絕緣表面距離。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,就发生导電现象,以至闪络。電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爲好,也就是取77.5px/kV;對于戶內一般取三級,即2.5 cm/kV(見下表)。例如,10kV戶外汙閃距離一般應大于3.1 cm/kV×8.7 kV=278.4mm110 kV戶外汙閃距離一般應大于3.2 cm/kV×69 kV=2208mm

泄漏比 = 泄漏距離/额定電压(cm/kV

B、終端內絕緣

終端內絕緣的設計應從三個方面考慮,即附加絕緣厚度、界面長度和應力控

 

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,對于主绝缘厚度影响较大,用应力管控制终端電場,一般绝缘厚度爲3~5mm,就可滿足要求,同時3~5mm厚的絕緣老化壽命能夠保證在15~20年内外绝缘性能,机械性能不会下降。對于用应力锥的形式控制電場的附件,附加绝缘取得较厚,因爲它是通过几何形状的改变(一条复对数曲线)来改变终端電場的,一般10kV15mm左右,此时一般不从老化角度考虑问题,主要从改善電場角度出发。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,界面长度与击穿電場强度有一定关系,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)熱縮附件

    10 kV  戶內  8.7 / 0.04 =217 mm

            戶外  8.7 / 0.02 = 434 mm (考慮裕度及安全系數)

    35 kV  戶內  26 / 0.09 =290 mm

            戶外  26 / 0.05 = 520 mm (考慮裕度及安全系數)

2)預制類附件

    10 kV  戶內  8.7 / 0.09 =97 mm

            戶外  8.7 / 0.08 = 110 mm

    35 kV  戶內  26 / 0.1 =260 mm

            戶外  26 / 0.08 = 325 mm

    65 kV  戶內  42 / 0.08=525 mm

            戶外  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場强高于热缩附件。

 

C、終端接地

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,電缆附件接地线应采用镀锡编织铜线,10kV電缆截面爲120mm2及以下的采用16mm2編織銅地線,120mm2及以上的采用25 mm2接地線。目前爲了更好地检测電缆外护套,有些地区供電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。對于35kV及以上電壓等級電缆的接地,國標也作了明確規定,如下表所示:

  高压電力電缆接地线推荐截面

對于35kV及以上電壓等級電力電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。这是因爲高压電力電缆多爲单芯電缆,因而会在铜带屏蔽层上产生感应電压。如果两端均直接接地,就会在屏蔽层中形成环流,造成损耗,减少電缆输電能力。感应電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;如采用安全措施時,不得大于100V”。對于较长電缆,感应電压必定大于100V,这时应采用中间交叉互联方式以消除感应電压。

7、接头電气计算

電力電缆接头的電气性能主要是由内绝缘结构来确定的,對于中低压附件,接头的设计比较简单,一般取附加绝缘厚度爲主绝缘的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電場集中处通过采用应力管或应力锥方式控制该处電場,确保恢复的外护套能够和原電缆外套具有同等密封性能,因此中低压電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爲好。對于冷缩、预制和接插式以及绕包式接头,在连接部位及半导電断口处理较好的情况下,界面长150—100mm就可以達到絕緣要求。較先進的附件,接頭的界面長度只有80mm

所有電缆接头的形状都能通过接头的電气计算确定,特别是高压電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、附加絕緣厚度

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

Δn=RnR=r1exp(U/r1En)R

式中   r1—— 连接管外半径,mm;

R—— 電缆工厂绝缘层外半径,mm;

U —— 電缆承受最大相電压,kV;

En —— 连接管表面最大工作場强,kV/mm。

B、應力錐長度及形狀

對于中低压電缆接头,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電場的情况。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場强的(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場强,然后依此爲基础确定出最大界面工作場强(Et)和应力锥长度,参看下圖

圖   接头几何尺寸示意圖

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

式中   Et —界面最大工作場强,kV/mm;

U  — 電缆承受最高系统相電压,kV;

Rn  — 附加絕緣半徑,mm;

R  — 電缆工厂绝缘半径,mm;

r線芯半徑,mm。

由于式中计算的应力锥应爲一曲线,但在实际安装中,手工绕包这样的曲线是不可能的,因而现場常用一直线来代替。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、反應力錐長度及形狀

反应力锥也是根据沿面轴向場强爲一常数而确定的。计算反应力锥长度见上页圖的公式爲:

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

式中   Et— 界面最大啊作場强,kV/mm;

U — 電缆承受最高系统相電压,kV;

Rn 附加絕緣半徑,mm;

R — 電缆工厂绝缘半径,mm;

rc 線芯半徑,mm。

同样,按上式计算出的反应力锥爲一曲线,在实际電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、界面狀況

交联聚乙烯(XLPE)绝缘電缆接头中的界面长度的确定主要取决于界面情况。對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,因此最大工作場强可达到0.345kV/mm,大于2.1/10,即空气游离場强的1/10。这主要是因爲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,这时的最大工作場强爲8.7/150=0.058kV/mm,预制附件一般在150—100mm之间,因而最大工作場强爲8.7/100=0.087kV/mm。對于35kV及以上電壓等級電缆,由于制作时工艺要求严格,几何形状一定,对電場改善好,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,最大工作場强可达到2.1/10=0.21kV/mm,再加上15%的安全裕度,即

0.21×85%=0.178kV/mm。對于110kVXLPE绝缘電缆绕包式接头,除反应力锥以外绝缘长度L=69/0.178=387mm;對于66Kv XLPE绝缘電缆,L=42/0.178=235mm;對于35kV XLPE绝缘電缆,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、导電的连接技术

1、連接方法:壓接、焊接、機械連接

2、影響壓接接頭質量的主要因素:

a、   材料的材質

b、   金具與導體的配合尺寸:間隙大約1mm

c、   金具實體截面與導體截面的比值:≥1.5

d、   壓縮比18%~30%

e、   壓接方式:點壓、六方圍壓

f、   压痕数量:端  子:2~4

               連接管:4~8

六、附件的標准和試驗

1、標准

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開關)

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

    2、試驗

       a、1min工頻耐壓試驗:是鑒定絕緣強度的最有效和最直接的方法

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

        c、循環試驗:檢驗附件材料的老化水平

       d、冲击電压试验:用来检验附件在雷電过電压和操作过電压作用下的绝缘性能或保护性能

        e、直流耐壓試驗:考核經以上試驗後的絕緣水平

七、附件安裝的注意事項

1、電缆和附件的清洁处理

2、检查電缆的受潮情况

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電缆

4、半导電层与绝缘层光滑过渡

5、去線芯表面氧化層

6、去金具等的毛刺、飛邊

7、不能有産品開裂現象

8、冷縮産品骨架不能松動

 

八、電缆附件典型事故分析

(縮終端擊穿故障    (湖北)

   冷澆注樹脂中間接頭結構

事故原因:由于中間接頭連管壓接不緊發熱,導致絕緣碳化相間擊穿。

一)、10kV冷澆注樹脂中間接頭擊穿   (昆明)

熱縮終端頭應控管上方擊穿              熱縮終端頭應控管內擊穿

事故原因:应控管体积電阻率过低,击穿故障一般出现于应控管以上;

          应控管体积電阻率过高,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電晕    (蘇州)

   35kV熱縮終端頭結構

原因分析:電缆屏蔽未端及应控管内部由于存在气隙,在高压電場下发生電晕。

 

(四)、10kV熱縮中間頭反應力錐處擊穿    (武漢)

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