电缆基础知识文档格式.docx
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a、优良的电气性能：
耐电强度高（长期工频击穿强度20—30kV/m，冲击击穿强度40—65kV/m），介损小（工频时tgδ=0.0002—0.001）,介电常数小（2.3—2.5）；
（注：
空气的工频击穿强度为1.7—2.1kV/m，也是局部放电起始场强）
b、耐热性能好（连续工作温度90℃），因而载流量较大；
c、不受落差限制。
因而，对于超高压长距离输电非常有利。
但它也有明显的缺点：
a、耐局部放电性能差，受杂质和气隙及水份的影响很大，在这些缺陷处易产生局部电场集中，发生局部放电，造成不可恢复的永久性损坏；
b、热膨胀系数大，热机械应力效应严重。
所以，交联电缆的生产特别强调纯净，尤其是高压超高压电缆的质量更是由材料的纯净度决定的。
对于交联电缆附件，除了结构设计正确合理外，最重要的问题也是清洁问题，尤其是附件所涉及绝缘界面往往是电场易变的地方，一但有杂质、气隙等，其绝缘性能会显著下降。
（1）绝缘材料：
交联聚乙烯与聚乙烯性能对比：
性能项目
聚乙烯
交联聚乙烯
体积电阻率/（Ω•cm）
3×
1015
5×
1014
介质损耗角正切
0.0002
0.0006
相对介电常数
2.11
击穿强度/（kV•mm-1）
43.6
37.8
抗张强度/Pa
130×
105
176×
在10％盐酸70℃浸7天后
78×
82×
在苯溶液70℃浸7天后
溶
33×
伸长率
600％
526％
37％
83％
碎
94％
在50℃二甲苯中应力开裂时间/h
1—5
7500
耐热老化性能
在110℃以上完全
熔融
在150℃下浸14天，机械性能基本不变
耐热变形性能
在110℃加5N负荷，完全压出，变形率达95％
有120℃下加5N
负荷变形达30％—40％
聚乙烯经过交联后大大地提高了聚乙烯的机械、耐热抗蠕变以及抗环境开裂性能。
各种绝缘材料的物理性能：
材料
常用符号
抗拉强度
（kg•cm2）
伸张度
（%）
密度
（g•cm3）
抗
磨
性
抗切割性
聚氯乙烯
PVC
168
260
1.2-1.5
差
聚乙烯
PE
98
300
0.92
交联聚乙烯
XLPE
210
120
1.2
适中
聚四氯乙烯
TFE
150
2.15
费化乙30丙烯
FEP
ETFE
Tefzel
（ETFE）
420
1.7
好
氯丁（二烯）橡胶
Kynar
497
1.76
硅胶
Silicone
56-126
100-800
1.15-1.38
氯丁橡胶
Neoprene
10.5-280
60-700
1.23
丁基橡胶
Butyl
49-105
500-700
EPDM
84-119
0.86-0.87
橡胶碳氧化合物
Viton
350
1.4-1.95
聚氨酯
Urethane
350-560
100-600
1.24-1.26
聚酰亚胺
Nylon
280-490
300-600
1.1
薄膜
Kapton
1260
707
1.42
优
聚酯薄膜
Mylar
910
185
1.39
Polyakene
140-490
200-300
各种绝缘材料的电性能：
绝缘强度（kV•cm-1）
介电
常数
损耗系数
体积电阻率（Ω•cm）
16
5-7
0.02
2×
19
2.3
0.005
1016
28
2.1
0.0003
1018
20
2.6
6
7.7
23-28
3-3.6
0.003
45
9
0.03
1011
24
1017
4.2
0.14
1013
18-20
6.7-7.5
0.055
15
4-10
4.5×
106
3.5
102
3.1
0.15
6×
74
0.028
（2）、绝缘层厚度：
64/110kVXLPE电缆绝缘层厚度（GB11017—89）：
导体截面/mm2
标称绝缘层厚度/mm
240
400
500
630
800
1000
1200
19.0
18.5
17.5
17.0
16.5
16.0
（3）气隙和杂质对绝缘的影响：
几个国家厂商对绝缘中气隙尺寸要求及生产水平：
厂商及品种
气隙尺寸/μm
内层
中外层
上海电缆厂干法工艺
<
3
上海电缆厂湿法工艺
数微米
10-30
德国110kV电缆
日本住友电工干法
≈5
日本住友电工湿法
30-50
日本高电压试验专业委员会电缆高压试验分委员会（RPST）规定11—77kV电缆
80
美国联合爱迪生照明公司交联聚乙烯电缆规范
76，且>
50的在16.4cm3中不超过30个
我国交联电缆小组拟订
电缆<
4）绝缘屏蔽层：
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：
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。
单芯电缆线路接地系统的处理
单芯电缆的导线与金属屏蔽的关系，可看作一个变压器的初级绕组。
当电缆的导线通过交流电流时，其周围产生的一部分磁力线将与屏蔽层铰链，使屏蔽层产生感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比，电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，屏蔽上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。
如果屏蔽两端同时接地使屏蔽线路形成闭合通路，屏蔽中将产生环形电流，电缆正常运行时，屏蔽上的环流与导体的负荷电流基本上为同一数量级，将产生很大的环流损耗，使电缆发热，影响电缆的载流量，减短电缆的使用寿命。
因此，电缆屏蔽应可靠合理的接地，电线外护套应有良好的绝缘。
以下是单芯电缆线路的几种接地方式：
1、屏蔽一端直接接地，另一端通过护层保护接地：
当线路长度大约在500~700m及以下时，屏蔽层可采用一端直接接地
（电缆终端位置接地），另一端通过护层保护器接地。
这种接地方式还须安装一条沿电缆线路平行敷设的回流线，回流线两端接地。
敷设回流线时应使它与中间一相电缆的距离为0.7s（s为相邻电缆间的距离），并在线路一半处换位。
（见下图）
1-电缆2-终端3-电缆金属屏蔽（护套）接地线
4-护层保护器5-接地保护箱6-回流线7-接地箱
2、屏蔽中点接地
当线路长度大约在1000~1400m时，须采用中点接地方式。
在线路的中间位置，将屏蔽直接接地，电缆两端的终端头的屏蔽通过护层保护器接地。
中间接地点一般需安装一个直通接头（见下图）
中点接地方式也可采用第二种方式，即在线路中点安装一个绝缘接头，绝缘接头将电缆屏蔽断开，屏蔽两端分别通过护层保护器接地，两电缆终端屏蔽直接接地。
3、屏蔽层交叉互联：
电缆线路很长时（大约在1000~1400m以上），可以采用屏蔽层交叉互
联。
这种方法是将线路分成长度相等的三小段或三的倍数段，每小段之间装设绝缘接头，绝缘接头处三相屏蔽之间用同轴电缆，经交叉互联箱进行换位连接，交叉互联箱装设有一组护层保护器，线路上每两组绝缘接头夹一组直通接头。
6）护层：
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。
二、电缆附件的结构原理
1、电缆接头及终端的电场分布与结构特性：
A、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。
B、电缆末端（电缆终端）电场分布
图电缆终端电场分布图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，电场在该处不但有垂直分量，而且出现切向分量。
C、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。
应力锥结构图
应控管是通过控制材料的特殊电气参数，如高介电常数ε>
20，体积
电阻率ρν为108—1012Ω•cm，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（应力控制片<
FSD>
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）。
界面上折射图
由此可见，两种介质的介电常数差别越大，发生折射的角度也越大，当高介电常数的材料有一定厚度时，电力线在另一面的位移就大，位移越大，场强越小。
图应力层中电力线位移
图终端应力层等值电路模型
a、等值电路；
b、等值参数电路
应力控制管的最小长度按经验公式确定，即
L=KU0
式中U0—相电压，kV；
K—泄漏距离，一般取K=1.2cm/kV。
6―35kV级电缆的应力管长度可按下表查取：
6―35kV应力管的长度表：
额定电压/kV
U0/kV
Lmin/cm
8
4.6
10
5.8
7
8.7
11
35
20.2
25
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。
D、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。
电场分布图
2、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：
240mm2XLPE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，油浸低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：
图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98KPA时，它的击穿强度能达到3kV/mm以上，如界面压力达到500—588KPA，它的击穿强度能达到11kV/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,为0.2kV/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0.05kV/mm以下，而预制冷缩附件可以取到0.2kV/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。
3、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
电压
绝缘等级
距离/mm/kV
分类
110
户内
户外
干闪
125
250
900
1100
湿闪
―
175
污闪
280
2200
（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：
10kV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
或L=0.32（U干–14）,式中U干为干
放电电压，kV。
图终端外绝缘
（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3.2cm/kV；
对于户内一般取三级，即2.5cm/kV（见下表）。
例如，10kV户外污闪距离一般应大于3.2cm/kV×
8.7kV=278.4mm。
110kV户外污闪距离一般应大于3.2cm/kV×
69kV=2208mm。
国际污秽等级的划分表：
污秽环境等级
泄漏比距
（cm·
kV-1）
试验方法
盐雾法
（kg·
m-3）
固体层法
等值盐（NaCL）密度
（mg·
cm-2）
电导
（μS）
Ⅰ―轻
1.6
5―10
0.03―0.06
Ⅱ―中
2.0
14―28
0.05―0.20
10―15
Ⅲ―重
2.5
40―80
0.10―0.60
15―25
Ⅳ―很重
80―160
0.25―1.0
25―40
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10kV取15mm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。
35kV取20~35mm；
110kV取50~70mm。
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
10kV户内8.7/0.04=217mm
户外8.7/0.02=434mm（考虑裕度及安全系数）
35kV户内26/0.09=290mm
户外26/0.05=520mm（考虑裕度及安全系数）
（2）预制类附件
10kV户内8.7/0.09=97mm
户外8.7/0.08=110mm
35kV户内26/0.1=260mm
户外26/0.08=325mm
65kV户内42/0.08=525mm
户外42/0.06=700mm
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25mm2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：
表高压电力电缆接地线推荐截面
系统电压/kV
66
220
接地线截面/mm2
50
70
95
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。
4、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
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