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    中低壓電纜附件的基本知識發佈時間: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,能經受故障電流的衝擊,運行中的接頭電阻不大於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於電纜本身,介質損耗應達到相應國家標準和廠家要求;戶外部分還要考慮有嚴酷氣候條件下能安全運行,一般應按電力部標準中三級污穢確定外絕緣長度,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

    對於中低壓電纜附件,由於XLPE絕緣電纜附件多爲乾式絕緣結構的附件,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。對於超高壓電纜,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、電力電纜的基本類型及結構

    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

    橡膠電纜:10kV以下

       2)油紙絕緣電纜:現很少使用

    2、電纜結構及作用

       35kV單芯交聯聚乙烯絕緣鋼絲鎧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、 屏蔽層具有均勻電場和降底線芯表面場強的作用;

    b、 提高了電纜局部放電的起始放電電壓,減少局放的可能性;

    c、 抑制樹枝生長;

    d、 熱屏障作用。

    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產生氣隙的弱點,而把氣隙屏蔽在工作場強之外,在附件製作中也普遍採用這一技術。

    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儘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、鎧裝)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佈與結構特性:

    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佈狀況。

    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)電場分佈

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

         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,在外屏蔽端口將產生電應力集中現象,電場突然變化,並且電纜終端處電場分佈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,以控制電場分佈。

    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係變化的特性,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:

    從上述分析可知,在應力控制中,雖然應力層控制電場分佈有體積小、結構簡單等優點,但對於超高壓電纜來說,應力層中材料參數的選擇至關重要,體積電阻率選擇太小,會使應力層在運行時電阻電流發熱而老化,同時介電常數過大,電容電流也會產生熱量而使應力層發熱老化,故必須根據電壓等級選擇應力材料參數。應力錐結構雖然參數比較容易控制,但體積較大,加工工藝要求嚴格,如果喇叭口製做的不合適會引起電場在此集中,特別是現場繞包的應力錐更易出現操作缺陷,而預製式應力錐基本能夠克服上述缺點,因而目前是國外較常採用的一種方法。

    4、接頭電場分佈

    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佈。

           

    5、電纜附件中的界面特性

    XLPE絕緣電纜,由於其絕緣材料的特殊性能,使這種電纜的絕緣強度很高,在一般情況下,本體主絕緣擊穿的可能性很小,同時配合交聯聚乙烯的電纜附件,不論是什麼形式(如熱縮、預製、冷縮等)都是用很好的絕緣材料製成,附件本身的絕緣不成問題,所以關鍵要解決電纜絕緣本體和附件之間的界面問題。

    儘管我們設計附件時採用了適當的裕度,保證一般電纜使用中不會出現問題,但由於電纜製造工藝的千差萬變,使得同一截面的電纜絕緣外徑相差非常大,例如:240mm2 XLPE電纜標稱絕緣外徑應爲φ21.5mm,而目前大多數電纜爲φ19.2mm,這就帶來了預製電纜附件的安裝困難。

    熱縮形電纜附件主要靠附件加熱收縮過程中產生界面握緊力來保證界面特性,當附件安裝完成後進入運行,隨着電纜負荷的變化,氣候條件溫差影響,電纜本體熱脹冷縮,運行過程中附件不能再進行加熱,就造成了熱縮管對電纜絕緣表面界面壓力不足,僅憑熱縮管內壁很薄的熱溶膠彈性來保證界面特性,顯然是不夠的,以致於熱縮附件密封性能較差,油浸紙絕緣電纜最好不要使用。

    交聯聚乙烯電纜附件界面的絕緣強度與界面上受到的握緊力有指數關係,如圖所示:

       界面壓力與擊穿強度關係曲線

    界面正是這樣一個力的作用下保持電性能穩定的,根據國外技術人員分析,界面壓力達到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,而設計附件時,一般界面的工作場強均取擊穿場強的1/10—1/15,0.2 kV/mm以下,甚至更低,這主要取決於電纜附件的材料特性,如熱縮附件取0.05 kV/mm以下,而預製冷縮附件可以取到0.2 kV/mm。這種設計參數國內外都用於附件設計中,通過較長運行時間,證明這樣的基礎場強對於XPLE絕緣電纜是非常合適的。

    值得注意的是,這樣一個場強必須是在界面有一定壓力的前提條件下,如果不存在界面壓力,界面的長度就要和戶外的長度一樣計算。

    6、終端電氣計算

    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、溼閃距和爬距(見下表)。這三個參數對外絕緣將產生不同的影響。對於一種附件,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:電纜附件基礎外絕緣距離

    1)、幹閃距

    幹閃距離是指上金屬電極至下金屬電極間的最短直線距離。例如,我國電纜運行規程規定:10 kV戶內電纜終端金具與地和其它相的最小距離不得小於125mm,這就是指最小幹閃距離,因爲在戶內不

    存在污閃和溼閃問題。現在很多10kV附件,雖然

    主絕緣露出長度都小於這一數值,但由於在安裝工

    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,使得總長度仍然大於125mm

    對於戶外10kV附件,一般幹閃距離應大於250mm

    如右圖所示,終端外絕緣長度L = a + c + d

    2)、溼閃距

        溼閃距離是指當雨水以45°角淋在附件上時,附件上仍存在的幹區長度,如右上圖所示,a+b等的組合。溼閃電壓一般爲幹閃的70~80%,當正常運行時,在電壓一定的情況下,一般附件設計主要以溼閃爲依據,如果能滿足溼閃要求,幹閃基本可以說沒有問題,當然這不包括其它金屬物接近附件引起的閃絡。如上圖中所示:

    溼閃距離= n×b(cm)

    式中n爲裙邊數。

    3)、污閃距(泄漏比距)

       污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。這是由於污穢是均勻附着於附件絕緣表面上的,當有潮溼空氣將其溼潤時,就發生導電現象,以至閃絡。電力工業部對污閃劃分了等級,由於我國環境污染嚴重,因此附件污閃距離一般取四級污穢等級爲好,也就是取77.5px/kV;對於戶內一般取三級,即2.5 cm/kV(見下表)。例如,10kV戶外污閃距離一般應大於3.1 cm/kV×8.7 kV=278.4mm110 kV戶外污閃距離一般應大於3.2 cm/kV×69 kV=2208mm

    泄漏比 = 泄漏距離/額定電壓(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。我們在前面已經講了應力控制,並作了對比,因比就不再詳述。但是有一點還要強調,不同的應力控制方式,對於主絕緣厚度影響較大,用應力管控制終端電場,一般絕緣厚度爲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年內外絕緣性能,機械性能不會下降。對於用應力錐的形式控制電場的附件,附加絕緣取得較厚,因爲它是通過幾何形狀的改變(一條複對數曲線)來改變終端電場的,一般10kV15mm左右,此時一般不從老化角度考慮問題,主要從改善電場角度出發。35kV20~35mm110kV50~70mm

    終端界面長度影響因素較多,如絕緣光滑程度、乾淨程度、界面壓力、材質等,因而不能一概而論。但從前面所述的理論看,界面長度與擊穿電場強度有一定關係,在這個基礎之上,再加一裕度和安全係數就能確定界面長度。目前所遇見的幾種附件界面長度大致可以由下面的方法確定。

    1)熱縮附件

        10 kV  戶內  8.7 / 0.04 =217 mm

                戶外  8.7 / 0.02 = 434 mm (考慮裕度及安全係數)

        35 kV  戶內  26 / 0.09 =290 mm

                戶外  26 / 0.05 = 520 mm (考慮裕度及安全係數)

    2)預製類附件

        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

    以上數據是分析國內外各製造廠商及試驗室的試驗分析結果而得到的。可以明顯看出,預製附件的界面工作場強高於熱縮附件。

     

    C、終端接地

    終端接地線首先應滿足良好的接地要求,只有這樣才能保證安全運行。根據國家標準(簡稱國標)要求,電纜附件接地線應採用鍍錫編織銅線,10kV電纜截面爲120mm2及以下的採用16mm2編織銅地線,120mm2及以上的採用25 mm2接地線。目前爲了更好地檢測電纜外護套,有些地區供電局要求中低壓附件採用雙接地線制,即銅屏蔽層和鋼帶鎧裝的接地線分開焊接兩根地線,正常運行時將兩根地線均接地。當預試時用搖表測量護套對地阻,從而證明護套的完整性。對於35kV及以上電壓等級電纜的接地,國標也作了明確規定,如下表所示:

      高壓電力電纜接地線推薦截面

    對於35kV及以上電壓等級電力電纜的接地應考慮採用單端直接接地,另一端通過保護器接地。這是因爲高壓電力電纜多爲單芯電纜,因而會在銅帶屏蔽層上產生感應電壓。如果兩端均直接接地,就會在屏蔽層中形成環流,造成損耗,減少電纜輸電能力。感應電壓的大小地國標中明確規定:“未採取不能任意接觸金屬護層的安全措施時,不得大於50V;如採用安全措施時,不得大於100V”。對於較長電纜,感應電壓必定大於100V,這時應採用中間交叉互聯方式以消除感應電壓。

    7、接頭電氣計算

    電力電纜接頭的電氣性能主要是由內絕緣結構來確定的,對於中低壓附件,接頭的設計比較簡單,一般取附加絕緣厚度爲主絕緣的2倍,同時考慮連接管表面的光滑,並恢復內屏蔽和外屏蔽,最後對外屏蔽斷開點的電場集中處通過採用應力管或應力錐方式控制該處電場,確保恢復的外護套能夠和原電纜外套具有同等密封性能,因此中低壓電纜接頭中最關鍵的問題仍然是界面問題,界面的好壞,直接影響接頭質量。目前國內外各種附件,由於所選材料不同,使得接頭大小有很大差別。熱縮和冷澆注式接頭由於界面壓力小,必須選擇較長界面來改變這種狀態,所以熱縮和冷澆注接頭的界面一般都取在200—250mm爲好。對於冷縮、預製和接插式以及繞包式接頭,在連接部位及半導電斷口處理較好的情況下,界面長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

    所有電纜接頭的形狀都能通過接頭的電氣計算確定,特別是高壓電纜接頭的附加絕緣厚度、應力錐和反應力錐長度必須進行嚴格理論計算,才能確保運行安全。

    A、附加絕緣厚度

    附加絕緣厚度是根據連接表面的最大工作場強取定後而計算出來的,且電纜本體的最大工作場強爲3—4kV/mm(XPLE絕緣電纜),國外電纜的最大工作場強有時選取得還要高,一般連接管表面最大工作場強取電纜本體最大工作場強的45--60%。但有一點必須記住,該處最大工作場強不要超過空氣遊離時的場強,即2.1kV/mm

    Δn=RnR=r1exp(U/r1En)R

    式中   r1—— 連接管外半徑,mm;

    R—— 電纜工廠絕緣層外半徑,mm;

    U —— 電纜承受最大相電壓,kV;

    En —— 連接管表面最大工作場強,kV/mm。

    B、應力錐長度及形狀

    對於中低壓電纜接頭,如採用應力控制管,就應按照應力控制管參數來確定形狀。這裏主要說明應力錐改善電場的情況。設計原理是按其界面在一定壓力作用下,界面所能承受的最大擊穿場強的(1/10)--(1/15)來計算。也就是說,首先確定在一定壓力作用下界面的擊穿場強,然後依此爲基礎確定出最大界面工作場強(Et)和應力錐長度,參看下圖

    圖   接頭幾何尺寸示意圖

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

    式中   Et —界面最大工作場強,kV/mm;

    U  — 電纜承受最高系統相電壓,kV;

    Rn  — 附加絕緣半徑,mm;

    R  — 電纜工廠絕緣半徑,mm;

    r線芯半徑,mm。

    由於式中計算的應力錐應爲一曲線,但在實際安裝中,手工繞包這樣的曲線是不可能的,因而現場常用一直線來代替。目前各國生產的預製接頭中的應力錐,在工廠中通過工藝使之達到標準曲線。

    C、反應力錐長度及形狀

    反應力錐也是根據沿面軸向場強爲一常數而確定的。計算反應力錐長度見上頁圖的公式爲:

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

    式中   Et— 界面最大啊作場強,kV/mm;

    U — 電纜承受最高系統相電壓,kV;

    Rn 附加絕緣半徑,mm;

    R — 電纜工廠絕緣半徑,mm;

    rc 線芯半徑,mm。

    同樣,按上式計算出的反應力錐爲一曲線,在實際電安裝中多用直線代替,正、反應力錐之間的距離一般取10—150mm。

    D、界面狀況

    交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜接頭中的界面長度的確定主要取決於界面情況。對於預製或繞包式接頭如能保證界面良好,界面長度可以取得很短,如3M公司和ABB公司、F&G公司的接頭絕緣長度都在100mm以下,有的甚至接近50mm,日本騰倉公司、住友公司、昭和公司110kV預製接頭中絕緣長度也小於200mm,因此最大工作場強可達到0.345kV/mm,大於2.1/10,即空氣遊離場強的1/10。這主要是因爲預製件能夠保證界面壓力大於3kg/cm2,而一般國內10kV熱 縮接頭,界面長度一般應大於150mm,這時的最大工作場強爲8.7/150=0.058kV/mm,預製附件一般在150—100mm之間,因而最大工作場強爲8.7/100=0.087kV/mm。對於35kV及以上電壓等級電纜,由於製作時工藝要求嚴格,幾何形狀一定,對電場改善好,因此可以適當提高最大界面工作強,以提高材料利用率。在綜合考慮安全係數的情況下,最大工作場強可達到2.1/10=0.21kV/mm,再加上15%的安全裕度,即

    0.21×85%=0.178kV/mm。對於110kVXLPE絕緣電纜繞包式接頭,除反應力錐以外絕緣長度L=69/0.178=387mm;對於66Kv XLPE絕緣電纜,L=42/0.178=235mm;對於35kV XLPE絕緣電纜,L=26/0.178=146mm。其它接頭形式可根據具體情況計算出界面長度。

    五、導電的連接技術

    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、   壓痕數量:端  子:2~4

                   連接管:4~8

    六、附件的標準和試驗

    1、標準

    中低壓:IEC60502(1~30kV),GB12706(1~35kV),JB/T 8144(代替:GB 11033,26/35kV及以下),GB/T 18889(6~35kV試驗標準)

    高  壓:IEC 60840(30~110kV),IEC 60859(GIS 終端、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:是鑑定絕緣強度的最有效和最直接的方法

           b、局部放電試驗:是一種判斷絕緣在長期運行中性能好壞的較好的方法

            c、循環試驗:檢驗附件材料的老化水平

           d、衝擊電壓試驗:用來檢驗附件在雷電過電壓和操作過電壓作用下的絕緣性能或保護性能

            e、直流耐壓試驗:考覈經以上試驗後的絕緣水平

    七、附件安裝的注意事項

    1、電纜和附件的清潔處理

    2、檢查電纜的受潮情況

    3、嚴格按安裝工藝提供的尺寸進行剝切,注意剝切中不能損傷電纜

    4、半導電層與絕緣層光滑過渡

    5、去線芯表面氧化層

    6、去金具等的毛刺、飛邊

    7、不能有產品開裂現象

    8、冷縮產品骨架不能鬆動

     

    八、電纜附件典型事故分析

    (縮終端擊穿故障    (湖北)

       冷澆注樹脂中間接頭結構

    事故原因:由於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:應控管體積電阻率過低,擊穿故障一般出現於應控管以上;

              應控管體積電阻率過高,擊穿故障一般出現於應控管以內。

     

    (三)、35kV熱縮終端頭應控管附近電暈    (蘇州)

       35kV熱縮終端頭結構

    原因分析:電纜屏蔽未端及應控管內部由於存在氣隙,在高壓電場下發生電暈。

     

    (四)、10kV熱縮中間頭反應力錐處擊穿    (武漢)

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