电力电缆的结构及试验-刘增文

电力电缆的结构及试验电力电缆的结构及试验刘增文刘增文目录一、电力电缆的结构、型号二、电力电缆的交接及例行试验三、交叉互联系统的设计及试验电力电缆应用范围城市地下电网，为减少占地或环境美观。发电厂、工厂、工矿企业等厂房设备拥挤，引出线多的地方。严重污染地区，用以提高供电可靠性。跨越江河、海峡的输电线路，解决大跨度问题。国防需要，为避免暴露目标。总之，电力电缆已成为近代电力系统不可缺少的组成部分。例如，瑞士苏黎世整个城市供电的14个170kV变电站，全部为电缆出线，没有一条架空线路，组成了全电缆环网。电力电缆的分类电力电缆可按绝缘材料、结构特征、敷设环境、电压等级等进行分类，按绝缘材料分类如下：油浸纸绝缘粘性浸渍纸绝缘型，如统包和分相屏蔽型不滴流浸渍纸绝缘型，如统包和分相屏蔽型油压浸渍纸绝缘型，如自容式充油型和钢管充油型气压浸渍纸绝缘型，如自容式充气型和钢管充气型聚氯乙稀绝缘型聚乙烯绝缘型交联聚乙烯绝缘型塑料绝缘橡胶绝缘天然橡胶绝缘型乙丙橡胶绝缘型交联聚乙烯绝缘电缆我们常用的10kV、35kV、110kV电缆，绝缘材料都是交联聚乙烯材料。分子结构图：C C C C C C CH2 C C C CH2 CH3 C XLPE 橡塑绝缘电力电缆的结构 单芯电缆单芯电缆单芯电缆典型结构由内向外依次为：电缆线芯、线芯屏蔽、绝缘层、绝缘屏蔽、内衬层(缓冲阻水层）、金属护层、外护层等。11600mm2 220kV电缆 12500mm2 220kV电缆交联聚乙烯绝缘电缆剖面 三芯电缆典型结构由内向外依次为：电缆线芯（导体）、线芯屏蔽、绝缘层、绝缘屏蔽、内衬层(填充层）、金属铠装、外护层等。橡塑绝缘电力电缆的结构 三芯电缆三芯电缆线芯、内屏蔽、绝缘层的作用（1）线芯线芯 线芯是电力电缆的导电部分，用来输送电能，是电缆的主要部分。（2）内屏蔽内屏蔽 填平导体表面的凹槽，使绝缘层所承受的电场强度的高电极表面平滑，均匀绝缘层中的电场强度。（3）绝缘层绝缘层 绝缘层是将线芯与大地以及不同相的线芯间在电气上彼此隔离，保证电能输送，是电力电缆结构中不可缺少的组成部分。外屏蔽的作用（1）外屏蔽是绝缘层中所承受的电场强度的地电位端，均匀绝缘材料中的电场强度。金属屏蔽、外护套的作用（1）金属屏蔽层（铝护套）均匀电场；电缆发生故障时，通过金属屏蔽层泄放短路故障电流。（2）外护套外护套的作用是保护电力电缆免受外界杂质和水分的侵入，以及防止外力直接损坏电力电缆。电缆产品的表示电缆产品用型号、额定电压和规格表示。其方电缆产品用型号、额定电压和规格表示。其方法是在型号后再加上说明额定电压、芯数和标法是在型号后再加上说明额定电压、芯数和标称截面积的阿拉伯数字。称截面积的阿拉伯数字。例如：例如：YJV22-26/35 1*300电缆的型号：电缆的型号：YJV22表示交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装额定电压：额定电压：26/35表示额定电压为35kV 芯数和标称截面积：芯数和标称截面积：1*300表示单芯，截面为300平方毫米电缆的型号电缆型号按电缆结构的排列一般依次序为：绝缘材料；导体材料；电缆型号按电缆结构的排列一般依次序为：绝缘材料；导体材料；内护层；外护层。内护层；外护层。a、绝缘种类：、绝缘种类：V代表聚氯乙稀；代表聚氯乙稀；X代表橡胶；代表橡胶；Y代表聚乙烯；代表聚乙烯；YJ代表交联聚乙烯；代表交联聚乙烯；Z代表纸。代表纸。b、导体材料：、导体材料：L代表铝；代表铝；T（省略）代表铜。（省略）代表铜。c、内护层：、内护层：V代表聚氯乙稀护套；代表聚氯乙稀护套；Y聚乙烯护套；聚乙烯护套；L铝护套；铝护套；Q铅铅护套；护套；H橡胶护套；橡胶护套；F氯丁橡胶护套。氯丁橡胶护套。d、特征：、特征：D不滴流；不滴流；F分相；分相；CY充油；充油；P贫油干绝缘；贫油干绝缘；P屏蔽；屏蔽；Z直流。直流。e、控制层：、控制层：0无；无；2双钢带；双钢带；3细钢细钢 丝；丝；4粗钢丝。粗钢丝。f、外被层：、外被层：0无；无；1纤维外被；纤维外被；2聚氯乙稀护套；聚氯乙稀护套；3聚乙烯护套。聚乙烯护套。g、阻燃电缆在代号前加、阻燃电缆在代号前加ZR；耐火电缆在代号前加；耐火电缆在代号前加NH。h、例如：、例如：YJV22YJV22表示交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套钢带铠装电力电缆的额定电压电力电缆的额定电压是电缆及其附件设计和电气性能试验用的基准电压，用U0/U表示。U0为电缆及其附件设计导体和金属屏蔽（地）之间的额定工频电压有效值，单位kV。U为电缆及其附件设计的各相导体之间的额定工频电压有效值，单位kV。同样额定电压的电力系统，中性点接地方式不同，U相同的电缆，其U0值是不相同的。所以有类似6/10kV、8.7/10kV、8.7/15kV；21/35kV、26/35kV这样相同U，不同U0电压的电缆。橡塑绝缘电力电缆附件包括：户外终端、GIS终端、中间接头，现在一般应用的为预制式结构。橡塑绝缘电力电缆附件 户外终端、户外终端、GISGIS终端、中间接头终端、中间接头交联聚乙烯电缆的试验项目电缆主绝缘的绝缘电阻测量电缆主绝缘耐压试验电缆外护套绝缘电阻测量电缆外护套直流耐压试验测量金属屏蔽层电阻和导体电阻比交叉互联系统试验主绝缘绝缘电阻测量试验目的：初步判断主绝缘是否受潮、老化，检查耐压试验后电缆主绝缘是否存在缺陷。绝缘电阻下降表示绝缘受潮或发生老化、劣化，可能导致电缆击穿和烧毁。只能有效地检测出整体受潮和贯穿性缺陷，对局部缺陷不敏感。测量方法：分别在每一相测量，非被试相及金属屏蔽（金属护套）、铠装层一分别在每一相测量，非被试相及金属屏蔽（金属护套）、铠装层一起接地。起接地。测量时，被测相两端引线拆掉，并与电缆保持测量时，被测相两端引线拆掉，并与电缆保持20cm20cm以上的安全距离；以上的安全距离；电缆回路中如有接地刀闸或接地线，试验前应拆除接地线、拉开接电缆回路中如有接地刀闸或接地线，试验前应拆除接地线、拉开接地刀闸。地刀闸。采用采用10000V10000V绝缘电阻表进行测量绝缘电阻表进行测量主绝缘绝缘电阻值要求电缆主绝缘绝缘电阻值参考标准 序号电压等级(kV)电缆种类绝缘电阻(M)10.5聚氯乙烯绝缘3021聚氯乙烯绝缘4033聚氯乙烯绝缘5046聚氯乙烯绝缘605610交联聚乙烯绝缘10006=35交联聚乙烯绝缘2500注：表中所列数值均为换算到长度为注：表中所列数值均为换算到长度为1 1kmkm时的绝缘电阻值。时的绝缘电阻值。试验值除符合上述规定外，还应符合与历次数据相比无明显差试验值除符合上述规定外，还应符合与历次数据相比无明显差别。别。主绝缘交流耐压试验的条件对电缆主绝缘进行耐压试验时，其他两相导体、金属屏蔽或金属套和铠装层一起接地。耐压试验前，电缆两端引线应拆除，电缆与对侧线路应保持2米以上的安全距离，对侧线路可靠接地。电缆终端是组合电器时，应至少有一个刀闸或开关断口隔离，并且对侧可靠接地。对金属屏蔽或金属套一端接地，另一端装有护层过电压保护器的单芯电缆主绝缘进行耐压试验时，必须将护层过电压保护器短接，使这一端的电缆金属屏蔽或金属套临时接地。（1000米以下）电缆停电时间超过1周不满1个月的，测量绝缘电阻；停电超过1个月但不满1年的，做规定试验电压的50%耐压1分钟；停电时间超过1年的电缆线路必须做常规耐压试验。橡塑绝缘电力电缆主绝缘耐压试验GB50150-2006交接试验标准的说明：IEC标准的安装后试验要求中，均提出“推荐进行外护套试验和（或）进行主绝缘交流试验。对仅进行了外护套试验的新电缆线路，经采购方与承包方同意，在附件安装期间的质量保证程序可以代替主绝缘试验”的观点和规定，指出了附件安装期间的质量保证程序是决定安装质量的实质因素，试验只是辅助手段。但前提是能够提供经过验证的可信的“附件安装期间的质量保证程序”。目前我国安装质量保证程序还需要验证，安装经验还需要积累，一般情况下还不能省去主绝缘试验。但应该按这一方向去努力。电缆线路的电容很大，常规的工频耐压设备无法满足其容量要求。传统的方法是对电缆线路进行直流耐压。实践证明这种方法对油纸绝缘的电缆是合适的,但对高电压等级的橡塑绝缘电缆是低效而且有害的。随着技术的发展,大家都在不断地开发和寻求合理可行的技术手段解决这个问题,付诸于实践,逐步积累经验,并提供给 IEC 和 CIGRE(国际大电网会议)等权威的国际机构，不断地修订和发展相关的标准。目前己有的对电缆线路竣工试验的手段主要有直流耐压、0.1Hz 耐压、振荡波试验、工频谐振以及变频谐振耐压等几种方法。橡塑绝缘电力电缆主绝缘耐压试验直流耐压试验的局限性直流耐压所需的设备容量很小,因此传统上电缆线路的现场耐压试验均采用直流耐压，直流耐压在油纸绝缘电缆上的应用是成功的。直流电场下场强的分布按介质的电阻系数成正比分布，直流试验时油纸电缆纸绝缘相较于油承受较高的试验电压，容易检测出纸绝缘中存在的局部空隙缺陷。交流电场下场强按介电常数成反比分布，橡塑绝缘是整体型的绝缘，交联聚乙烯绝缘介电常数为2.12.3，且一般不受温度变化的影响，因此交流电压下电场分布比较稳定。橡塑绝缘电缆绝缘电阻系数分布不均匀，且受稳定和场强的影响较大，直流电场的分布取决于绝缘本身及所含杂质的多少、分布的不均匀性以及附加的其它介质，电场分布不同于理想圆柱体绝缘结构。直流耐压试验的局限性由于在绝缘层中交、直流电压的电场分布不同，导致击穿不一致性，即：电缆的某些部位，如电缆接头在交流情况下存在的某些缺陷，在直流耐压时却不会击穿，造成交流电压下会导致击穿的缺陷直流耐压下发现不了，而某些在交流电压下不会导致击穿的地方，在直流高压试验时却会击穿。即一方面缺陷捡出率低，另一方面容易造成不应出现的击穿。电缆及附件在直流耐压下会在两极间形成空间电荷，导致运行中击穿或滑闪。交流耐压试验设备 调感式串联谐振耐压试验装置调感式串联谐振耐压试验装置 交流耐压试验设备调频式串联谐振耐压试验装置调频式串联谐振耐压试验装置LCf21交流耐压试验设备调频式串联谐振耐压试验装置调频式串联谐振耐压试验装置交流耐压试验设备调频式串联谐振耐压试验装置调频式串联谐振耐压试验装置交流耐压试验设备调频式串联谐振耐压试验装置调频式串联谐振耐压试验装置交流耐压试验参数估算实例电缆参数如下：电缆参数如下：电缆型号：电缆型号：YJLW03 规格：规格：11200mm2 额定电压：额定电压：127/220kV 单位电容：单位电容：0.178 F/km 电缆长度：电缆长度：5023m/相相 每相电容：每相电容：0.894 F估算试验参数：估算试验参数：高压电抗器电感值：高压电抗器电感值：L=40/3=13.33H 试验电压频率：试验电压频率：f=46.12Hz 试验电压试验电压U1=180kV 高压试验电流：高压试验电流：I1=46.62A 估计品质因数估计品质因数Q=100 激励电压激励电压U2=1800V 励磁变压器低压电流：励磁变压器低压电流：I2=220A 变频器输入电流：变频器输入电流：I3=I2/1.732=128A 考虑一定预度电源电流要求：考虑一定预度电源电流要求：I4=1.2 I3=150A试验发生击穿可能出现的现象电压异常波动：电压异常波动：du/dtdu/dt超过一定范围，一般系统都据此设置设备保护超过一定范围，一般系统都据此设置设备保护。失去电压：系统失谐，一般不会发生过流现象失去电压：系统失谐，一般不会发生过流现象。可能有放电声、放电火花：试品电缆放电发生反击，在电抗器上产可能有放电声、放电火花：试品电缆放电发生反击，在电抗器上产生过电压。生过电压。耐压后绝缘电阻降低：大部分显著降低，个别也可能变化不明显。耐压后绝缘电阻降低：大部分显著降低，个别也可能变化不明显。变频谐振方法的有效性分析变频谐振方法的有效性分析中间接头击穿后解剖图片中间接头击穿后解剖图片 主绝缘交流耐压试验典型缺陷主绝缘交流耐压试验典型缺陷缺陷分析：序号中电缆安装完后，曾经进行直流耐压试验通过，但运行后即发生中间接头击穿故障，修理后进行交流耐压试验再次出现接头击穿情况，经修复重做接头后第二次交流耐压试验通过，投入运行后正常，该实例也反映出直流耐压试验有效性较差。序号缺陷原因在于附件安装质量差。序号中电缆在升压过程中，未达到试验电压就发生击穿，经检查发现电缆本体被外力破坏，截断电缆，新加做一个中间接头后试验通过，反映出电缆运行管理不规范。序号、中缺陷事例为同一电缆工程施工中不同相别电缆在相邻工井出现的问题，检查发现击穿接头所在工井靠近公路，附件安装环境恶劣，加之附件安装工艺差，导致一回电缆出现多次中间接头击穿事例。主绝缘交流耐压试验典型缺陷缺陷分析：序号为运行电缆事故后新做的中间接头试验时击穿，怀疑附件材料可能存在缺陷，重做接头后试验通过，投入运行后正常。从试验检测到的缺陷情况看，交接试验采用工频交流电压或接近工频交流电压试验作为挤包绝缘电缆线路的竣工试验是合适的。除一例原因是由于电缆本体受外力破坏发生击穿外，其它缺陷类型均为电缆终端接头或中间接头击穿，与CIGRE研究结果相符合，电缆竣工试验主要目的是检出电缆与附件预制件间界面的缺陷，更多的反应了现场安装过程施工质量造成的缺陷。另外，对于几个试验缺陷事例的分析也证实现场附件施工质量不高，主要有以下几个方面的问题：施工赶工期或质量控制措施不到位，现场条件比较差，温度、湿度、灰尘都未很好得到控制；电缆接头施工工艺水平不高，有些队伍只经过几天培训就开始施工，有些地方存在盲目施工问题；安装时没有严格按照工艺施工或工艺规定不合理，没有考虑到可能出现的问题。关于电缆耐压试验的结论直流耐压试验不能有效发现橡塑绝缘电缆存在的缺陷，且对电缆直流耐压试验不能有效发现橡塑绝缘电缆存在的缺陷，且对电缆有害。有害。空载运行空载运行2424小时的试验方法不能有效检查电缆可能存在的缺陷。小时的试验方法不能有效检查电缆可能存在的缺陷。电缆竣工试验主要目的是检出电缆与附件预制件间界面的缺陷，电缆竣工试验主要目的是检出电缆与附件预制件间界面的缺陷，更多的反应了现场安装过程施工质量造成的缺陷（如应力锥安装更多的反应了现场安装过程施工质量造成的缺陷（如应力锥安装位置错误或移位、电缆绝缘表面处理不良或是应力锥对电缆绝缘位置错误或移位、电缆绝缘表面处理不良或是应力锥对电缆绝缘表面压力不够等）表面压力不够等）。采用附带局部放电测量的交流耐压试验是一种更有前景，可能有采用附带局部放电测量的交流耐压试验是一种更有前景，可能有效检测电缆及附件内部潜伏性故障与发展的手段。效检测电缆及附件内部潜伏性故障与发展的手段。外护套绝缘电阻测量试验目的：检测电缆在敷设后或运行中外护套是否损伤或受潮。外护套破损的原因有：敷设过程中受拉力过大或弯曲过度；敷设或运行中由于施工和交通运输等直接外力作用；终端/中间接头受内部应力、自然拉力、电动力作用；白蚁吞噬、化学物质腐蚀等。测量方法：三芯电缆三相共用外护套，只进行一次测量；单芯电缆分别在每一相测量，非被试相及金属线芯（导体）接地。采用500V兆欧表，推荐大容量数字兆欧表（如：短路电流3mA）。GB50150-2006、Q/CSG 1 0007-2004要求外护套绝缘电阻值不低于0.5M/km。金属护套接地方式单芯电缆组成的三相输电系统中，金属护层接地方式：a、两端接地 b、单端接地 c、交叉互联接地 a a、两端接地两端接地b b、单端接地单端接地c c、交叉互联接地交叉互联接地外护套直流耐压试验试验目的：检测电缆在敷设后或运行中外护套是否损伤或受潮。试验电压：交接试验直流10kV，持续时间1min预防性试验直流5kV，持续时间1min试验周期：交接试验3年试验判据：不发生击穿。外护套直流耐压试验检测部位：非金属护套与接头外护层（对外护层厚度2mm以上，表面涂有导电层者，基本上即对110kV及以上电压等级电缆进行）。对于交叉互联系统，直流耐压试验在交叉互联系统的每一段上进行，试验时将电缆金属护层的交叉互联连接断开，被试段金属护层接直流试验电压，互联箱中另一侧的非被试段电缆金属护层接地，绝缘接头外护套、互联箱段间绝缘夹板、引线同轴电缆连同电缆外护层一起试验。交叉互联接地方式A相第一段外护层直流耐压试验原理接线图 外护套直流耐压试验典型缺陷外护套直流耐压试验典型缺陷缺陷分析：序号缺陷属典型施工问题，故障点定位后，施工方即说明该处电缆曾经被铁锹扎伤过，经处理后试验即通过，这一缺陷暴露了施工管理存在的问题。序号同类绝缘接头安装错误在两回电缆中发现了4处，反映出附件安装人员水平较低，外护套试验检测出缺陷避免了类似序号运行故障的发生。序号缺陷原因也在于施工管理不严格，序号缺陷原因在于附件安装质量差。序号为某单位一起110kV电缆故障实例，同时暴露出附件安装与交接试验两方面都存在问题。外护套直流耐压试验典型缺陷缺陷分析：首先，厂家工艺要求不合理，电缆预制件的铜编织带外层只要求一层半搭绝缘带，而且预制件在铜壳内严重偏心，导致绝缘裕度不够。其次，在电缆外护层直流10kV/1min耐压试验时，试验电压把仅有的一层绝缘带击穿，但试验时互联箱中另一侧非被试段金属护层未接地，导致缺陷未及时被发现。带电运行后，绝缘接头内部导通，造成电缆护套交叉互联系统失效，护套产生约几十安培感应电流。感应电流流过接头的铜编织与铜壳接触处，产生的热量将中间接头预制件烧融，烧融区域破坏了橡胶预制件的应力锥的绝缘性能，场强严重畸变，接头被瞬间击穿，导体对铜壳放电，导致线路跳闸。外护套直流耐压试验典型缺陷中间接头故障后图片 同类型中间接头解体图片 序号：一起110kV电缆故障实例照片测量金属屏蔽层电阻和导体电阻比试验目的：测量金属屏蔽层电阻和导体电阻可以监视其受腐蚀变化情况，测量电阻比可以消除温度对直流电阻测量的影响。试验周期：交接试验试验方法：用用25mm25mm2 2的短路线将电缆一端的导体、金属屏蔽短接，从另一端测量。的短路线将电缆一端的导体、金属屏蔽短接，从另一端测量。试验判据：与投运前的测量数据相比较不应有较大的变化。当前者与后者之比与投运前相比增加时，表明屏蔽层的直流电阻增大，铜屏蔽层有可能被腐蚀；当该比值与投运前相比减少时，表明附件中的导体连接点的接触电阻有增大的可能。交叉互联系统试验交叉互联系统示意图：金属护层电流：IA=IA1+IB2+IC3=0IB=IB1+IC2+IA3=0IC=IC1+IA2+IB3=0IA1+IB1+IC1=0IA2+IB2+IC2=0IA3+IB3+IC3=0IA1=IB1=IC1IA2=IB2=IC2IA3=IB3=IC3交叉互联系统试验交叉互联效果及构成：相比不交叉互联，金属护层流过的电流大大降低。非接地端金属护层上最高感应电压为最长长度那一段电缆金属护层上感应的电压。交叉互联必须断开金属护层，断口间与对地均需绝缘良好，一般采用互联箱进行电缆金属护层的交叉互联。接地端金属护层通过同轴电缆引入直接接地箱接地；非接地端金属护层通过同轴电缆引入交叉互联接地箱，箱内装有护层过电压保护器限制可能出现的过电压。交叉互联系统试验交叉互联箱保护接地箱：交叉互联系统试验交叉互联箱直接接地箱：交叉互联系统试验交叉互联箱交叉互联箱：交叉互联系统试验电缆外护套、绝缘接头外护套与绝缘夹板的直流耐压试验试验时必须将护层过电压保护器断开，在互联箱中将另一侧的三段电缆金属套都接地，使绝缘接头的绝缘环也能结合在一起进行试验。非线性电阻型护层过电压保护器试验以下两项均为交接试验项目，预防性试验选做其中一个。伏安特性或参考电压，应符合制造厂的规定。非线性电阻片及其引线的对地绝缘电阻，用1000V兆欧表测量引线与外壳之间的绝缘电阻，其值不应小于10M。互联箱闸刀(或连接片)接触电阻和连接位置的检查 连接位置应正确无误。在正常工作位置进行测量，接触电阻不应大于20。交叉互联系统试验交叉互联性能检验 交接试验推荐采用的方式，应作为特殊试验项目。使所有互联箱连接片处于正常工作位置，在每相电缆导体中通以大约100A的三相平衡试验电流。在保持试验电流不变的情况下，测量最靠近交叉互联箱处的金属套电流和对地电压。测量完后将试验电流降至零，切断电源。然后将最靠近的交叉互联箱内的连接片重新连接成模拟错误连接的情况，再次将试验电流升至100A，并再测量该交叉互联箱处的金属套电流和对地电压。测量完后将试验电量降至零，切断电源，将该交叉互联箱中的连接片复原至正确的连接位置。最后再将试验电流升至100A，测量电缆线路上所有其它交叉互联箱处的金属套电流和对地电压。交叉互联系统试验交叉互联性能检验 试验结果符合下述要求则认为交叉互联系统的性能是满意的：1 1）在连接片作错误连接时，试验能表明存在异乎寻常大的金属套电流；2 2）在连接片正确连接时，将测得的任何一个金属套电流乘以一个系数（它等于电缆的额定电流除以上述的试验电流）后所得的电流值不会使电缆额定电流的降低量超过3%；3 3）将测得的金属套对地电压乘以上述2)项中的系数后不超过电缆在负载额定电流时规定的感应电压的最大值。交叉互联箱、保护接地箱试验交叉互联箱的主要设备：避雷器、绝缘子。保护接地箱的主要设备：避雷器避雷器的作用：保护电缆护层绝缘，当电缆护层中感应出过电压时，避雷器放电，减小过电压的危害。谢谢各位，欢迎指正！演讲完毕，谢谢观看！