绝缘电力电缆

绝缘电力电缆（共12篇）

绝缘电力电缆 篇1

防止局部放电的有效措施是采用半导电导体屏蔽结构, 导体屏蔽可分为半导电带绕包式和半导电料挤包式两种。由于半导电带绕包式不可能做到导体和绝缘之间没有空隙, 效果很不理想, 除较低电压级上很少采用外, 现在基本不采用。现在普遍采用的是半导电料挤包结构, 它与导体、绝缘牢固紧密接触且没有空隙, 大大降低了电缆的局放值, 提高了电缆的长期稳定性及使用寿命。

1 屏蔽的主要目的

(1) 缓和绞合导体表面电位梯度的增加, 达到圆柱形均匀电场。 (2) 防止绞合导体和绝缘之间的局部放电。

绞合导体和屏蔽保持等电位, 而且导体和屏蔽、屏蔽和绝缘之间牢固紧密接触, 没有空隙, 可避免局部放电。

2 屏蔽层应具备的性能

(1) 屏蔽和绝缘复合介质的tgδ要小。对tgδ很小的XLPE等绝缘材料而言, 所用的屏蔽层电阻率要适当, 使复合介质tgδ不增加。

(2) 屏蔽层的焦耳损耗及tgδ引起发热时, 屏蔽层不软化。

(3) 屏蔽和导体应牢固紧密接触, 他们之间接触电阻要小。它们之间接触电阻大, 引起局放, 接触电阻部位发热, 使屏蔽层受损伤, 最后有可能导致绝缘击穿。

(4) 分担与屏蔽层的电压, 不致引起屏蔽层先击穿, 进而防止绝缘击穿。

(5) 屏蔽层必须沿长度方向均匀而稳定。要做到这一点必须采用批量之间分散性小的配方和加工方法。

(6) 必须要考虑屏蔽料在挤出机上挤出的可能性。挤出的屏蔽层不发热, 光滑均匀, 挤出容易。

(7) 屏蔽层和绝缘接触良好、牢固、紧密:它们之间接触不良有空隙就引起局部放电。

(8) 长期使用性能要稳定。长期运行中热胀冷缩情况下, 屏蔽导电率要稳定、不裂纹。

以上屏蔽层应具备性能中, 1~4项为屏蔽层本身所需要的性能, 5~8项为材料配方及加工上的问题。

3 屏蔽层最佳电阻率的确定

(1) 从屏蔽和绝缘的复合介质的tgδ要小的角度考虑, 屏蔽层体积电阻率应在1×105Ωcm及以下为宜。电压越高绝缘厚度越厚, 电容越小, 屏蔽层电阻率可取大一些。

(2) 从为了避免屏蔽层过分发热角度考虑, 体积电阻率应在2×107Ωcm以下为宜。

(3) 绞合导体和屏蔽之间, 防止局部放电产生, 希望体积电阻率在1×105Ωcm以下。

(4) 施加冲击电压时, 从不引起屏蔽层先被击穿角度考虑, 希望体积电阻率在1×104Ωcm以下。

(5) 由屏蔽电阻—温度性能考虑:以上1~4项的结论是在常温下试验得到的, 考虑到屏蔽电阻—温度特性, 把屏蔽层体积电阻率, 在上述常温电阻率的基础上降低约一位数量级较为合理。

(6) 由屏蔽体积电阻率的分散性和稳定性考虑:目前用作屏蔽的半导电料, 都是在塑料中加一定量的炭黑得到的, 经试验证明, 聚烯烃类的半导电料的体积电阻率在1×103~1×105Ωcm范围内, 受挤出、硫化、时间及压力等加工条件的影响较大, 因此体积电阻率的分散性也较大。考虑到这一点, 屏蔽电阻率为1×103及以下为宜。

(7) 从长期使用性能稳定性考虑, 其体积电阻率在工作温度和高温下长期运行条件下要稳定, 变化要小。

综合上述可知, 由于考虑的角度不同, 屏蔽层的最佳体积电阻率范围也不同, 但是对以上所有最佳体积电阻率范围综合分析可得出如下结论:满足上述所有不同要求的、比较理想的体积电阻率应控制在1×103Ωcm及以下为宜。

参考文献

[1]HC184.2-90, “交联聚乙烯电缆用半导电料.

[2]GB/T12706-2008, 额定电压35kv及以下铜芯、铝芯塑料绝缘电力电缆.

[3]IEC502.

[4]Wire and cable compounds wire&cable materials union carbide.

[5]Semiconductive compounds AT plastics inc.

[6]BP polyethylene.

[7]超高压架桥木用半导电被覆层的探讨.日本住友电气.

[8]Thernial stability of wire and cable compounds in the dry nitrogen gas-curing process.

[9]NESTE polyethylene.

绝缘电力电缆 篇2

通信电缆的绝缘电阻的维护指标应不低于每公里10M。绝缘电阻测试电压为100~1000V，绝缘电阻分辨率为5 k，实际系统采用的供电电压为3V~24V，为降低设计困难输入电压采用24V，输出最高电压为1000V，输出纹波小于200mV，采用分压模块产生不同的电压。由于电缆绝缘电阻值很大，因此对功率要求比较小，在最小标准绝缘电阻10M时功率大约为10W。由于该便携式测试仪供电电源为蓄电池供电，对系统的功耗有很高要求。在保证基本需求的同时最大程度降低电源电路自身的功耗。

浅析低压电缆绝缘状态检测方法 篇3

【关键词】低压电缆 绝缘参数 电缆故障 测量电路 检测方法

【中图分类号】TD611 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0029-01

一、引言

近年来电力电缆在电力输送、分配与用电设备运行中得到广泛的应用。低压电缆作为配网线路的一个组成部分，以其敷设方便，占地少、供电可靠、系统功率因素可提高等优点，逐步替代普通导线成为配网线路的主力军，电缆绝缘起着尤为关键的作用，其电气安全成为保障生产和人民群众安全的重要屏障。运行中的电缆可能因在施工安装、运行过程中因短路、过负荷运行、绝缘老化或外力作用等原因造成故障。其绝缘状态好坏直接影响供电可靠性。因而迅速准确地检测低压电缆绝缘状态对保证故障电缆的及时修复有着重要意义。

二、电缆故障的影响

低压电缆由线芯（导体）、绝缘层、屏蔽层和保护层组成。当绝缘层加上直流电压时，沿绝缘表面和绝缘内部均有微弱电流通过，对应于这两种电流的电阻分别称为表面绝缘电阻和体积绝缘电阻，通常我们所研究的绝缘电阻均指体积绝缘电阻，所以流经绝缘内部的电流是我们研究的对象。绝缘电阻是反映电缆绝缘特性的主要指标，它反映了电缆产品承受电击穿或热击穿能力的大小，与绝缘的介质损耗以及绝缘材料在工作状态下的逐步劣化等均存在着极为密切的关系，绝缘电阻是判断电缆品质变化的重要依据之一。绝缘电阻测量准确与否直接影响电缆品质的判定。影响电缆绝缘电阻测量的因素有仪器准确度、环境条件和人员素质等几个方面。

对于固体绝缘材料在使用一定的年限以后，绝缘性能都会只呈现一定程度的老化，其老化的表现主要有绝缘电阻下降、介质损耗增大等，最具代表性主要有：热老化、机械老化、电压老化、生物老化等。

无论是高压电缆或低压电缆，在施工安装、运行过程中经常因短路、过负荷运行、绝缘老化或外力作用等原因造成故障。电缆故障可概括为接地、短路、断线三类，其故障类型主要概括有三芯电缆一芯或两芯接地、二相芯线间短路、三相芯线完全短路、一相芯线断线或多相断线等。

对于直接短路或断线故障用万用表可直接测量判断，对于非直接短路和接地故障，用兆欧表摇测芯线间绝缘电阻或芯线对地绝缘电阻，根据其阻值可判定故障类型。

故障类型确定后，继续开始查找故障点，一般传统方法包括：利用低压脉冲反射法、脉冲电压取样法、测量电阻电桥法、二次脉冲法、脉冲电流取样法进行测距；利用声磁同步法、音频感应法、声测法进行测点。

三、低压电缆检测的新方法介绍

1、测距的新方法

（1）利用因果网对电力系统故障定位。因果网络中有4类节点状态、征兆、假设、起始原因。状态节点是表达领域中某部分或某功能的状态，如断路器跳闸；征兆节点是表达状态节点的征兆，如断路器跳闸的征兆是保护动作：假设节点是表达研究系统的诊断假设，如发生线路故障的假设；起始原因节点是表达引起故障的最初原因。各类节点之问可形成对应的基本关系。

（2）实时专家系统。专家系统就是一个具有智能特点的计算机程序，它的智能化主要表现为能够在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题。因此，专家系统必须包含领域专家的大量知识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能用这些知识来解决实际问题。电缆故障测距专家系统将专家知识库作为电脑的基本数据库，用一套规则来维护和更新该数据库。

（3）小波变换应用在电缆故障测距中。小波变换是8O年代后期发展起来的应用数学分支，被誉为信号分析的数学显微镜，是信号处理的前沿课题。小波变换在数字信号处理领域，如滤波、奇异信号检测、边缘检测等方面应用广泛。

小波分析是几个学科共同发展的结晶，这几个学科是数学、信号处理以及计算机视觉。小波分析在数学上是用小波的原型函数来实现的，其中原型函数可以看成是带通滤波器，因此小波分析也可以通过滤波器来实现，其关键是寻求具有恒定相对带宽的滤波器组，而这正是信号处理中滤波器组理论的核心内容。

2、定点的新方法

（1）GPS（全球定位系统）行波故障定位。传统的高压输电线路故障定位主要基于阻抗算法，这种算法对于高阻接地、多端电源线路、直流输电线路等情况存在明显的不适应，通常在实用中其故障定位精度<3%～5%，这对于长线路（>100 km）难以满足寻线要求。现代行波定位是利用故障发生后线路上出现的以固定传播速度（约为光速的98%）运动的电压行波和电流行波进行精确故障定位，其测量精度<1km，且受线路类型、接地阻抗等因素的影响小，目前已有部分产品在现场运行。

（2）分布式光纤温度传感器（FODT）。光纤传感的基本原理是，当光在光纤中传输时，光的特性（如振幅，相位，偏振态等）将随检测对象的变化而变化。因此，光从光纤中射出时，光的特性己得到了调制。通过对调制光的检测，便能感知外界的信息。光纤传感器按其传感原理可分为两类：一类是传光型（或称非功能型）；另一类是传感型（或称功能型）。用于电缆故障检测的分布式光纤温度传感（FODT sensor）属于传感型光纤传感器。

（3）人工神经网络。人工神经网络是以计算机网络系统模拟生物神经网络的智能计算系统。网络上的每个结点相当于一个神经元，经可以记忆（存储）、处理一定的信息，并与其他结点并行工作。求解一个问题是向人工神经网络的某些结点输入信息，各结点处理后向其它结点输出，其它结点接受并处理后再输出，直到整个神经网工作完毕，输出最后结果。

四、电缆故障处理措施

1、电缆存在两个故障点的故障处理

某食品加工厂台架配变低压端到低压配电房电源线为低压聚氯乙烯电缆，全长115 m，故障相对地绝缘电阻为80，用低压脉冲采集波形后，分析波形在距始端较近处。用高压脉冲测试，波形不理想，不能断定其具体位置。探明路径后，用定点仪循路径检测，在距始端30m处，声测法听到较强的放电声，挖开后电缆外皮及钢甲在此处锈蚀断裂，但主绝缘未遭破坏，处理好钢甲后，电缆绝缘仍很低，随后继续查找，用定点仪在距钢甲断裂5 m处听到较弱的放电声，挖开电缆，发现三相已断开，短路接地。象这种有两个以上的故障点的电缆查找起来比较麻烦。

2、高阻故障的处理

有一根全长为90m的电缆，判断为高阻故障，高压脉冲采集波形显示故障点在60m处，经过处理分析原来是电缆被支架碰破外皮，沟内潮湿，长时间后造成绝缘破坏，短路接地放电。

3、故障点放电不充分事故的处理

有的电缆在用低压脉冲定点后，用高压脉冲法在故障点周围却听不到放电声，如某分厂的电源电缆，相间绝缘电阻都为零，相对地52

属三相短路并接地。用低压脉冲法测故障在265m处，但声测法却听不到，这种情况应该用音频电流感应法，即在另端用路径仪发生音频振荡信号，用接收器耳机来接收音频信号，在距发射端61m处音频信号中断，和用低压脉冲法在另端测试的276m距离基本吻合。挖开地面后，发现故障点就在此处，电缆被一蒸气管道井的漏蒸气长期高温熏烤而致绝缘损坏。这种情况不能采用声测法的原因是故障点大面积受潮或故障点大面积放电，由于放电爬距过长，能量不集中，电弧不足以使故障点形成瞬间短路导致的，这是故障点放电不充分的表现。

五、结束语

低压电缆多采用橡胶绝缘，电缆在使用过程中，由于橡胶的氧化分解作用，使硫化橡胶的电物理和机械性能发生变化：变硬、变脆，在橡皮上形成裂纹，空气和水分填充在裂纹中使电缆老化加剧，最终导致绝缘击穿或短路。为了减少设备停机时间和降低生产成本，因此低压电缆绝缘状态检测系统对于保证设备的安全运行起到了非常重要的作用。对电缆目前技术状态的确切评价不仅从保证电力设备工作可靠性的观点来看是重要的，而且从预防火灾的角度来看也是很重要的。

参考文献

[1]陈韶勇，李越，电力电缆常见故障检测方法[J] 科技创新导报，

[2]江日洪，交联聚乙烯电力电缆线路，中国电力出版社（第一版），2005

[3] 谢碧华，电力电缆故障探测技术的应用[J] 广东科技，2009

[4] 速水敏幸（日），电力设备的绝缘诊断[M]，科学出版社，2001

[5] 余文星，浅析电力电缆的故障与检测[J] 硅谷，2008

浅谈电力电缆绝缘瑕疵的检测方法 篇4

目前不论国内国外, 高压电缆 在出厂前 都会进行 交/直流耐压试验、冲击波耐压试验、部分放电试验等, 因此, 电力电缆本身的质量应符合标准。但由历年来国内外所发生 的电力电缆事故分类可知, 大部分事故均出于电缆的接头施工, 其次才是现场电缆埋设时转角过大伤及电缆内部。电缆常因 电缆接续所使用的直线接头与终端接头在施工过程中处理不当, 引起部分放电现象, 使绝缘材质加速老化、破坏。地下配电 系统常用的绝缘检测方式分为停电检测及带电检测两大类, 而社会要求高供电质量, 因此停电检测较不适用。目前, 各国均投 入许多人力进行电力电缆检测研究, 例如:英国电网公司将高频 电流变压器设置于馈线出口端, 用以监测、追踪馈线局部放电 状况及定位绝缘劣化区域。我国则尚处于搜集数据、建立诊断机制阶段。

带电检测方式可分为非电气性及电气 性两大类。以 下介绍3种实际应用于电力电缆部分放电的检测方法: (1) 脉冲电流法检测。利用被测物的接地线串接一个检测阻抗, 当部分放电产生时, 脉冲电流自检测阻抗电路中检出, 该法容易进行 定量测试并具有高的灵敏度, 由IEC所规范量测部分放电脉冲电流的放电电荷量, 以pC为单位。 (2) 电容型检 测。当电缆内部发生部分放电时, 在电缆瑕疵处所产生的电磁脉冲信号会以瑕疵处为原点, 沿着电缆往两端相反方向传递, 若于瑕疵处 的左右两边设置电容型部分放电检测器, 则可利用放电脉冲的极性特性区分目前的A、B区域内是否存在有部分放电源, 并推测瑕疵点的位置。 (3) 音射法检测。当内部部分放电产生时, 它会在介质内部产生机械压力波, 这类似声音放射状态的情 形, 可能是由于材料内部分子和邻近结构中的分子碰撞所产生的现象, 形成一个音源, 放射出音 波。音射法将AE传感器紧 贴在设备表面, 并利用AE传感器内的压电材料将机械压力波转换成电音射信号, 并经由前级放大器放大。

音射法具高度指向性, 优点为定位准确, 相对的缺 点为量测距离短。其波形振 幅大小与AE距离部分 放电位置 远近有关。所以找出振幅最大处对应的位置, 极可能为放 电位置, 达到初步定位的能力。本文主要针对电缆的接头缺陷, 利用不同的检测方式探讨其差异, 以期能研究出适合现场不断电状态的检测方式。

2电缆结构与接头

2.1电缆结构

高压电力电缆由导体、内半导电 层、绝缘体、外半 导电层、中性线遮蔽导体层及外被保护层组成。其中, 导体所使用材质需具导电率高、抗张力强及质量轻等特性, 并符合ICEAClassB的软铜绞线, 以半压缩 方式制成;内半导电 层以导电 性混合物压出制成, 并须紧密贴合于绝缘体, 其作用系在使低电 阻的中心导体与高电阻性绝缘体间的电力线均匀分布;绝缘体以高介质强度的固态热固性交连聚乙烯 (XLPE) 制成, 必须具有耐热性高、连续使用及短路时容许大电流, 过负荷或短路时 损坏率低等特性;外半导电层以导电性混合物压出制成, 并须紧密贴合于绝缘体, 其作用系在使绝缘体电力线对称放射分 布, 以消除正切或纵切的电应力, 以得最小的表面放电;中性遮蔽 导体层以镀锡软铜线构成, 其作用系使充电电流流回, 保持外半导电层对地零电位, 并作为接地故障电流的回路;外被保护 层以PVC或尼龙材料作为外皮, 保护电缆用。

2.2电缆接头

电缆接头用于连接电缆与电缆或电缆与设备 (电缆终端接头或可分离型接头) , 其主要功能为控制电场在电缆绝缘体内的分布, 使电应力在接头处均匀分布, 减低靠近遮蔽体边 缘的电应力或电位梯度。其一般分为直线与终端 接头。电缆直 线接头主要功能是在电缆与电缆接续中使用。终端接头主 要功能为地下配电与架空系统相接时, 引接电杆上、下电缆及开关。

3研究方法

3.1试验准备

本文利用2条约2m长的25kV级电力电缆进行试验, 分别于电缆的直线接头与终端接头制造一些瑕疵, 模拟实际上因人为疏失所产生的缺陷。由于局部放电检测方法国际间 尚无公认的统一标准, 每家仪器 商均宣称 其所生产 的仪器成 效良好, 但事实上均有缺 点。因此本文 探讨几种 检测方式 的差异处。其中, ch1为电容型传感器的输出信号, ch2为音射传感器信号, ch3检测阻抗的脉冲电流信号, ch4为耦合电容的输出信号。音射法使用60~150kHz检测器, 放大器20~300kHz, 电容型使用频宽0.3~70 MHz。

3.2试验结果与讨论

(1) 探讨部分放电发生于电缆直线接头。为探讨上述3种检测方式, 在被试样品端并联耦合电容, 以该信号为参考信号, 仿真IEC60270所述的检测方式。ch1为电容型传感器所量得的信号, ch2为音射法所量得的信号, ch3为脉冲电流法所量得的信号, ch4为耦合电容所量得的信号, 比较各种检测法同时量到的电气信号, 音波传递速度较慢, 时间经延迟后音射传 感器探头才接收到信号。在各种检测信号中, ch2量测到的音射信号, 音波时间长度约5ms, 经傅立叶频谱分析可得到其主频率约在44kHz。当2次连续产生部分放电时, 会造成2个音波重叠。ch3检测阻抗法将信号时间拉长, 其电气信号衰减速度快, 频谱分析可得到主频率约在5 MHz, 由于频率高造成量测信号取样分析成本高。耦合电容检测法电 气信号衰减速度更快, ch4频谱分析最低频率约在200kHz。

(2) 探讨部分放电发生于电缆终端接头。将电缆终端接头处故意制造一间隙使得产生电晕放电现象。为分析放电发 生时间与电压相角的关 系, 本文将ch4的信号改 为电源电 压信号, 再进行试验。检测结果显示, ch3的脉冲电流信号与ch4的电源电压信号存在特 定的相位 关系, ch2为音射法 所得信号, ch1为电容型传感器所得结果。显示脉冲电流信号较强, 音射法次之, 电容型传感器没反应。

3.3瑕疵点的定位

为进一步探讨音射法对瑕疵点的定位特性, 将音射传感器放置于远近不同的位置, 探讨距离瑕疵点的远近相对关系。结果显示, 音射传感器的位置与瑕疵点的位置有密切的关系, 因此可借助移动音射传感器的位置达到瑕疵点搜寻定位的目的。另外, ch3的脉冲电流信号发生后, ch2延迟一段时间后产生音射信号, 若能得知电气信号与音射信号传递时的传播速度的差异, 即可由电气信号与音射信号的时间差, 乘上音射传播速 度求出瑕疵点的正确位置。

4结语

近年来, 由相关的电缆事故发生位置统计得知直线接头与终端接头发生事故的几率较高, 其中施工不良、电缆接续工 程等事故逐年增加, 因而如何借助量测技术的研究与诊断, 分析电力电缆绝缘劣化程度, 将成为十分重要的课题。然而目前尚无统一的量测方法, 本文探讨国际间常用的3种量测方 式, 并比较它们的特性。由试验得知无论是直线接头还是终端接头, 由电缆遮蔽层接地端串接脉冲电流检测阻抗所得的信号灵敏度较高, 但此法易受现场噪声的干扰, 常影响量测的效果, 且所需的信号撷取速度亦非常高, 由于获取速度与系统成本 有关, 因此此法所需的费 用高。电容式 的量测法 适用于直 线接头。音射法在直线接头与终端接头均有效, 由于音射法较不易受现场电磁噪声的干扰, 且信号频宽较脉冲电流法低很多, 约只需数百千赫的取样速率即可获得放电信号。因此设备 的造价较便宜, 且音射法在瑕疵点定位方面具有良好的特性, 也即指向性高, 所以其应用在电缆定位量测应具有发展的潜力。

参考文献

[1]魏朴.探测电缆老化的光纤直流漏电流法[J].电气化铁道, 2007 (5)

电线电缆检验员绝缘护套厚度标准 篇5

电力电缆；T=0.035D+1.0 单芯护套大于等于1.4/ 多芯标称护套为1.8mm 无铠装的护套最薄点为85%-0.1 有铠装的80%-0.2

控制电缆

无铠装型电缆平均厚度不小于标称厚度。最薄点为85%-0.1

铠装型电缆护套厚度≥1.5mm 最薄点为80%-0.2

计算机电缆:

无铠装型电缆平均厚度不小于标称厚度。最薄点为85%-0.1

绝缘电力电缆 篇6

【关键词】配电设计；矿物绝缘电缆；特性；应用研究

矿物绝缘电缆俗称防火电缆或氧化镁电缆（简称MI电缆），是由高导电率的铜芯、铜护套、氧化镁绝缘等全无机物组成的耐火电缆。由于其独特的制造方式：用矿物材料氧化镁作绝缘高度紧密压实在金属铜棒（芯）和无缝铜护套之间，从而在高危防火安全、综合应用经济性方面较其它有机物电缆具有明显特征。

1.高危防火安全性

1.1绝缘电阻

矿物绝缘电缆的绝缘是由紧压成形的粉末矿物密实体组成，导体之间和每根导体与铜护套之间的绝缘标称厚度以及电气性能都必须符合GB/T13033.1-2007要求，20℃时其绝缘电阻（MΩ）与电缆长度（km）的积应不小于1000MΩ·km；当电缆长度小于100m时，其绝缘电阻应不低于10000MΩ。

1.2耐热耐高温防火性

在高温时，无论是线芯或者是铜护套均不产生氧化。由于电缆绝缘内的含氧量很低，线芯氧化并不严重。但电缆护套因暴露在空气介质中而剧烈的氧化，温度越高氧化就越严重。当电缆铜护套的温度超过250℃时，便开始发生急剧氧化，形成氧化层CuO，使护套厚度减薄。电缆在250℃时，护套厚度减薄0.25mm，一般要经过240年左右的时间，而在1000℃时，则只需2.87h，所以允许正常工作温度必须在250℃及以下，当铜护套厚度为0.5mm时，在1000℃高温下可使用6.79h。另外，由于防火电缆是由铜和氧化镁两种无机材料组成的，铜的熔点为1083℃，氧化镁的熔点为2800℃，而且均是非燃烧物质，这是其它有机物材料组成的电缆所无法比拟的。经试验表明，防火电缆在温度高达800℃～900℃的火焰中烧2h，电缆一直能正常运行；在1 000℃的火焰下燃烧30min，电缆仍完好无损，继续正常运行。

1.3耐腐蚀防爆防辐射

由于铜护套具有较好的耐腐蚀性能，一般情况下，无需加防护措施。当电缆应用于化学腐蚀（如酸、碱）较严重的场合或工业污染严重的地点时，宜选用加PVC护套的防火电缆。因无缝铜管作护套，电缆完全密封，氧化镁绝缘是一个密实体，可经受巨大的外界冲击力，不会透水、油和气体，可在水中敷设长期使用防爆；铜护套具有屏蔽层的功能，使电缆也具有耐辐射性。

1.4柔软耐压强过载

由于矿物绝缘电缆的铜护套有一定的强度和韧性，氧化镁在加工过程中又是经高度压缩的，所以电缆在遭受到弯曲、压扁、扭转等变形时，电缆芯线间、芯线和护套间的相对位置保持不变，不会短路，且其铜护套可以达到铠装电缆的机械性能，电缆仍能保持本身的工作性能的特性，具有很好的柔软耐压性能。对于其它相同截面的电缆而言，矿物绝缘电缆由于本身结构特点和允许更高的使用温度，使之比其它类型的电缆能传送更大的电流。根据比较，小规格的电缆载流量提高30%左右，大规格的电缆提高10%左右。在过电压的情况下，即使是矿物绝缘电缆被击穿，但去掉电压后仍可恢复到电缆被击穿前的耐压水平，电缆仍可正常使用。矿物绝缘电缆有如此强的过载能力，也是其它有机物电缆无法比拟的一个明显特征。

1.5高危行业安全性

在石油化工、钢铁冶炼、地铁隧道、核电站等潜在危险爆炸区域、线路等高危行业和场所，有机绝缘电缆在着火或长期过载时会释放出烟雾及有害气体。尤其火灾情况下，由于阴燃时有机物会产生大量烟雾和有害气体，如聚氯乙烯绝缘电缆燃烧的烟雾中除了一氧化碳、二氧化碳外，还有大量的氯化物；阻燃电缆由于采用溴化物阻燃剂，其燃烧时烟雾中会有溴化物；橡皮绝缘电缆燃烧时会释放出大量的硫化氢。有些电缆燃烧时还会产生氟化物，这些有害气体对人的生命安全造成极大的危害。聚氯乙烯在400℃时发烟量为4.0m3/g，而在300℃时为10.4m3/g，由于供气不足，烟雾中大量的是使人窒息的一氧化碳，而二氧化碳较少。同时大量烟雾增加了人们的恐慌，也给救授和消防增加了困难。而矿物绝缘电缆绝对不存在上述问题，因而它也是最安全型的电缆。

2.综合应用经济性

由于组成矿物绝缘电缆的全部材料均为无机材料，它的允许使用温度要比耐火电缆高得多（现耐火电缆一般为70℃），IEC92出版物推荐矿物绝缘电缆的使用温度为95℃，IEC364-5-523修订版规定裸的矿物绝缘电缆使用温度可达105℃。因而它的载流量要比耐火电缆高得多。如果按允许温升到90℃来选择矿物绝缘电缆在25mm2及以下时，其截面比耐火电缆接近小一个截面等级，而在35mm2及以上时，可小两个以上戴面等级。即便按70℃与耐火电缆同样的允许温度选择，在35mm2及以上截面时，也完全可小1个以上的截面等级，因为矿物绝缘电缆35mm2及以上的，全部为单芯电缆。IEC认可，对于70安培负荷，用矿物绝缘电缆可用10mm2，而用聚氯乙烯绝缘、聚氯乙烯护套和钢丝铠装的电缆为25mm2，此时电缆的外径比分别为12.7mm和23mm，体积比为1：4，重量比为0.6kg/m和1.5kg/m。另外矿物绝缘电缆的铜护套就是一个完好的地线，因此与耐火电缆相比，它完全可少一根地线，也就是说3芯电缆可代4芯耐火电缆，4芯可代5芯耐火电缆。恰当的选用矿物绝缘电缆的一次性投资费用，就不会比选用耐火电缆高多少，甚至持平。用矿物绝缘电缆的铜护套做地线，按比耐火电缆降低二种截面等级选择，从性能价格比上看，防火电缆价格不高。

如果考虑到安全就是最大的经济性以及它也是永久型的电缆（在250℃下长期使用寿命可达数百年，而一般型塑料绝缘电缆估计预期寿命20余年），那麽，选用矿物绝缘电缆的综合应用经济性就更可想而知了。

3.附件安装独特性

矿物绝缘电缆在正式安装时，在其两端要用一种永久性的金属终端进行密封，这种终端由两个部分构成，一个用来使电缆绝缘材料氧化镁与外界隔绝的密封部分（一般由黄铜罐、罐盖、密封材料和导体的绝缘套管组成）。另外一个用来把电缆连接到开关柜上的压盖部分（一般由压盖本体、压缩环和压盖螺母组成）。由于矿物绝缘电缆的无机绝缘层易吸潮，若电缆两端不作任何密封处理，则在开始的几周里潮气就会进入100mm，且随着终端头在潮湿空气里的暴露时间的增加，潮气进入深度会逐渐达到200～300mm。用500V兆欧表对芯线进行对地绝缘测试时（注意：如果电缆运行温度载70℃时，线芯的阻值应按其额定阻值再乘以1.21进行修正），若绝缘电阻值达不到100MΩ以上，就必须对电缆受潮段进行驱潮处理，即用喷灯火焰加热电缆受潮段，使电缆逐渐受热而将潮气慢慢驱赶出去。经过烧结后（或切除后）的电缆仍可以保持良好的绝缘。因此，矿物绝缘电缆在仓储和安装时要求做到以下几点：仓储时，电缆必须要由临时封端；安装时需将临时封端换成永久性的封端；在测试绝缘电阻时要切除临时封端的长度。

绝缘电力电缆 篇7

1 交联聚乙烯电力电缆的特性

交联聚乙烯 (XLPE) 属于固体绝缘, 它是由聚乙烯 (PE) 加入交联剂挤出成形后, 经过化学或物理方法交联成交联聚乙烯。聚乙烯绝缘虽然具有优良的电气性能, 但属于热塑性材料, 即有热可塑性, 当电缆通过较大的电流时, 绝缘就会熔融变形, 这是由聚乙烯的分子结构所决定的。聚乙烯的分子结构是呈直链状, 而交联聚乙烯是聚乙烯分子间交联形成网状结构, 从而改善了聚乙烯的耐热变形性能、耐老化性能和机械性能。

交联聚乙烯电缆与油纸电缆相比, 具有结构简单, 制造周期短, 工作温度高, 无油, 敷设高差不限, 运行可靠, 质量轻, 安装、维护简单和输电损耗小等优点。由于耐热性和机械性能好, 传输容量大, 不仅适用于中低压, 而且还可以应用到高压和超高压系统中。

2 交联聚乙烯电缆采用直流耐压试验具有明显的缺陷

传统的电缆现场高压试验采用直流耐压, 主要是由于电力电缆具有很大的电容, 现场采用大容量的试验电源不现实, 所以改为直流耐压试验, 以显著减小试验电源的容量。直流耐压试验一般都采用半波整流电路, 由于电缆电容量较大, 故不用加装滤波电容。对于35千伏以上的电缆, 试验电源采用倍压整流方式。试验中测量泄漏电流的微安表可接在低电位端, 也可接在高电位端。

通常直流试验所带来的剩余破坏也比交流试验小得多 (如交流试验因局部放电、极化等所引起的损耗比直流时大) 。直流试验没有交流试验真实、严格, 串联介质在交流试验中场强分布与其介电常数成反比, 而施加直流时却与其电导率成反比, 因此在直流耐压试验时, 一是适当提高试验电压, 二是延长外施电压的时间。正常的电缆绝缘在直流电压作用下的耐电强度约为400~600k V/cm, 比交流作用下约大一倍左右, 所以直流试验电压大致为交流试验电压的两倍, 试验时间一般选为5~10min。一般电缆缺陷在直流耐压试验持续的5min内都能暴露出来。

但由于交联聚乙烯电缆绝缘性能十分特殊, 进行直流耐压试验就可能不再是十分明智的选择了。曾经多次发生按标准进行直流耐压试验合格, 而正常运行不久就发生击穿故障问题。主要原因如下:

2.1 生产实践及研究均表明, 交联聚乙烯电缆结构具有一种“记忆”效应, 这种“记忆性”是在直流电压作用下产生的。

一旦电缆有了由于直流试验而引起的“记忆性”, 它就需要很长时间才能将这种直流偏压释放, 在此之前如果电缆投入运行, 直流偏压便会叠加在交流电压上, 使得电缆上的电压值远超过电缆的额定电压, 从而导致电缆绝缘击穿。

2.2 直流耐压不能有效地发现交流电压作用下的某些电缆缺陷。

实践表明, 一些直流耐压试验合格的电缆, 投入运行后, 在正常的交流工作电压作用下也会发生绝缘损坏。

2.3 交联聚乙烯电缆在运行中, 在主绝缘交联聚乙烯中逐步形成水树枝、电树枝, 这种树枝化老化过程, 伴随着整流效应。

由于有整流效应的存在, 致使在直流耐压试验过程中, 在水树枝或电树枝端头积聚的电荷难以消散, 并在电缆运行过程中加剧树枝化的过程。

2.4 由于XLPE绝缘电阻很高, 以致在直流耐压时所注入的电子不易散逸, 它引起电缆中原有的电场发生畸变, 因而更易被击穿。

2.5 由于直流电压分布与实际运行电压不同, 直流试验合格的电缆, 投入运行后, 在正常工作电压作用下也会发生绝缘故障。

3 交联聚乙烯电缆宜采用工频交流法进行耐压试验

对橡塑电缆绝缘施加50Hz正弦波形电压作耐压试验, 是最理想的试验方法。因为试验电压与运行工作电压性质相同, 在机理上有完全充分的代表性, 而且50Hz电压下电缆绝缘的各项特性和技术数据已被充分了解和掌握。近年来, 随着高电压试验技术的发展, 采用谐振法原理, 已经研制出了便于移动和试验电源容量较小的试验设备, 在现场试验中等长度的电缆。此试验方法简单有效, 试验设备可靠, 使用简便, 适合现场应用。采用这种方法, 可以得出满意的检测结果, 从而有效提升电力电缆运行的可靠性。

当然, 对交联聚乙烯电缆采用工频交流法进试验过程中需重视一些应注意的事项。

3.1 试验过程中要防止过电压的产生。

工频耐压试验时, 电压若不是由零逐渐升压, 而是在试验变压器初级绕组上突加电压, 这时将由于励磁涌流而在试品上出现过电压。若在试验过程中突然将电源切断, 对于小电容量试品, 会由于自感电势而引起过电压。上述二种情况, 都有可能造成被试品误击穿。因此, 进行工频耐压试验时, 应严格按照试验操作规程。

3.2 由于工频耐压试验是一种破坏性试验, 试验所采用的试验电压

往往比运行电压高得多, 过高的电压会使绝缘介质损失增大、发热、放电, 会加速绝缘缺陷的发展, 故在对设备进行工频耐压试验时应根据绝缘介质的不同及设备的运行状况的不同, 按照有关规程及试验标准选取相应的试验电压。

3.3 耐压试验过程中, 升压应当从零开始, 禁止在30%试验电压以上冲击合闸。

当试验电压升到40%以上时, 应均匀升压, 升压速度为每秒3%试验电压左右。升压过程中应监视电流的变化, 当保护动作后, 应查明原因, 消除后再进行试验。

3.4 工频耐压试验中, 加至试验标准电压后, 为了便于观察被试品的

情况, 同时也为了使已经开始击穿的缺陷来得及暴露出来, 要求持续1min的耐压时间。耐压时间不应过长, 以免引起不应有的绝缘损伤, 甚至使本来合格的绝缘发生热击穿。耐压时间一到, 应速将电压降至输出电压的25%以下, 再切断电源, 严禁在试验电压下切断电源, 否则可能产生使试品放电或击穿的操作过电压。

3.5 在试验过程中, 若由于空气的湿度、设备表面脏污等影响, 引起试品表面闪络放电或空气击穿, 应不能认为不合格, 应处理后再试验。结束语

直流耐压试验不能有效地发现高压交联聚乙烯主绝缘电缆的缺陷, 在直流电压下, 由于温度和电场强度的变化, 交联聚乙烯绝缘层的电阻系数会随之发生变化, 绝缘层各处电场强度分布因温度不同而各异, 在同样厚度下的绝缘层, 因为温度升高而击穿水平降低, 由于高压交联聚乙烯绝缘层厚, 因此不宜用于直流试验测试;交流耐压试验是检验交联电缆绝缘质量的有效手段。准确有效的掌握电缆各部位的运行状况有利于提高电缆的安全运行, 减少电缆在运行中的故障。

参考文献

[1]曹佳滨.交联聚乙烯电缆现场耐压试验的特点分析[J].绝缘材料2008, (3) .

[2]温定筠等.交联聚乙烯 (XLPE) 电缆交流耐压试验时间参数探讨[J].电网与清洁能源, 2010 (8) .

绝缘电力电缆 篇8

两端直流输电系统或者多端直流输电系统中,换流站之间的电能传输,可采用架空线路、电缆线路和架空—电缆混合线路这3种线路类型。国内基于晶闸管的相控换流器高压直流输电(LCC-HVDC)多用于大容量、长距离、点对点输电,两端换流站均远离城市中心,电压等级均在500kV及以上,两端都采用架空线路连接,没有用直流电缆。基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC),国内也称为柔性直流(简称柔直),非常适用于向海岛供电、城市负荷中心增容、风电并网等,多采用直流电缆线路连接两端或者多端换流站。特别是城市直流配电系统的发展,柔直电缆线路是必不可少的设备,也有在跨海输电工程中采用电缆—架空混合线路连接,不失为一种经济的选择。

直流电缆及其连接件(终端和接头)的电压范围分类,按照绝缘厚度、参照交流挤出绝缘电缆的IEC标准[1,2,3],可以分为低压(30 kV及以下)、中压(30kV以上到150 kV)、高压(150 kV以上到250kV)、超高压(250kV以上到500kV)和特高压(500kV以上)。

从直流电缆制造工艺来分类,主要有绕包绝缘电缆和挤包绝缘电缆2类。绕包绝缘电缆是采用专门的电缆纸带绕包在导体及其屏蔽外面,再使用绝缘油浸渍纸绝缘,消除纸带之间的空气隙。这种电缆又分黏性浸渍纸绝缘和充油纸绝缘2种类型电缆。黏性浸渍纸绝缘电缆可以制造中压、高压直流电缆,超高压、特高压要采用充油电缆的结构形式。挤包绝缘电缆是采用塑料或橡皮,使用橡塑挤出机,将高分子材料挤包在导体及其屏蔽外面。塑料采用最多的是交联聚乙烯(XLPE),可以用来制造低压、中压、高压、超高压电缆;橡皮主要是采用乙丙橡胶,制造低压直流电缆,用于轨道交通机车内等弯曲半径较小的地方。

绕包纸绝缘电缆结构非常适合用于直流输电,其电场分布按电阻率呈正比分布,正好纸部分电阻大而承受的电压高,油隙部分电阻小而承受的电压低,物尽其用,且空间电荷积累不明显。但电缆纸需采用上好的木材制造,消耗森林资源,绝缘油容易污染环境,因此,这种电缆不益于环保,国内几乎没有电缆厂家生产了。

在当今世界范围内,中压、高压和超高压柔直挤包绝缘电缆均采用高聚物XLPE作为绝缘材料。LCC-HVDC的潮流变换需要改变极性,因此,相控换流器(LCC)电缆需要在绝缘上增加极性反转试验;而VSC-HVDC改变潮流不需要变换极性,故不需要进行极性反转试验。所以,柔直挤包绝缘电缆是发展方向。最近十几年发展起来的柔直输电中几乎都是采用挤包绝缘电缆。这种柔直电缆最先由ABB公司所属的电缆厂在几乎看不到市场前景的情况下研发出来,它们已在20多个工程中运用,有相当的运行业绩。世界上知名的电缆公司以及日本、韩国的企业都在研发这种技术和产品。最近半年,因为大连和厦门±320kV两端柔直工程、舟山±200kV五端柔直工程和南澳±160kV三端柔直工程的驱动,已经有五家国内电缆公司正在研发电缆。全球只有一家公司供应柔直电缆绝缘料,而且工作温度只有70℃。与运行温度为90℃的绝缘料相比,使用此柔直电流绝缘料制造的电缆,其输送容量较低。国内五家电缆公司均采用这种70℃绝缘料试制±200kV柔直电缆并套用到±160kV上去。由于国内工程的工期急需,电缆还没有全部完成型式试验和1年的预鉴定试验,就已被招标采购,选用到工程上。

国内尚无厂家供应柔直电缆绝缘料,世界上高载流量的90℃绝缘料也无商品供货;电缆结构尺寸的设计理论缺乏,消除绝缘中空间电荷积累的制造工艺技术还需要研究;电缆连接件的材料和设计理论都急待解决;电缆系统的试验验证技术,比如试验终端等迫切需要解决。

本文拟从柔直挤包绝缘电缆的绝缘料及电缆产品结构等方面出发,探讨柔直电缆结构设计。

1 柔直电缆绝缘料

在直流高压电场作用下,电缆面临的主要问题是绝缘介质中或者界面上会积累一定的空间电荷。如果空间电荷密度足够高,局部电场甚至可能超过绝缘介质的击穿场强,导致介质破坏[4]。因此,绝缘材料的空间电荷问题成为制约直流电缆系统向高压及超高压发展的主要障碍之一。

1.1 直流XLPE电缆绝缘料开发

早在2004年,日本开始研制500 kV直流XLPE电缆[5]。在XLPE电缆绝缘料中引入极性基团消除空间电荷。90℃温度下,在模型直流电缆上施加场强30 kV/mm,加压时间分别为0,5,2 160h,使用电声脉冲法测量了绝缘中的空间电荷分布,根据电荷分布求出了其场强分布,如图1(a)所示。为便于对比,在同样的条件下同时测量了模型交流XLPE电缆绝缘中的场强分布,如图1(b)所示。

由图1可见,在较长时间的直流高压作用下,直流XLPE电缆绝缘料中的电场分布均匀,接近于拉普拉斯电场分布。在图1(b)中,交流XLPE电缆绝缘料中的电场分布随着时间的变化而逐渐变得不均匀,在靠近内半导屏蔽层处出现场强畸变,最大场强超过平均场强的2倍。极性基团作为陷阱点,具有吸引和捕获载流子源(交联分解物等)的能力,其捕获载流子后,载流子不能在绝缘中迁移,使空间电荷密度在绝缘中分布均匀,从而使得场强也均匀分布。

需要说明的是,日本研发的用于500kV直流XLPE电缆的绝缘料并未商品化。绝缘材料中的空间电荷问题是直流电缆面临的最主要的问题之一,如何有效地抑制空间电荷成为科研工作者最为关心的问题,国内外的相关研究人员开始广泛研究抑制空间电荷的方法和寻找添加剂。

1.2 空间电荷测量技术

在绝缘试样的厚度方向上分布的空间电荷会影响其上的电场分布。在平行板结构中,无空间电荷时电场分布是均匀的;而在有空间电荷存在的情况下,电场分布将随厚度的变化而变化。若不计正负号,电场的积分总是等于外加电压。空间电荷使局部电场增加而高于外加电场,因而导致击穿。注入的同号电荷引起了电极附近的电场下降,而相应的,试样中部的电场就上升。反之,在电极附近的载流子积累若形成异号电荷,则引起此界面上电场增加。然而,更多的情况是异号电荷与同号电荷同时存在,这就更需要加以控制。空间电荷的测量具有双重的意义,一方面,在实际的应用上有助于控制因空间电荷而增强的局部电场;在另一方面,从空间电荷的发展演化中可以有助于理解电荷的传输机理[6]。在过去的20年中,对电介质内空间电荷分布的研究和认识已取得了明显的进展。这归功于能获得空间及极化电荷分布详细信息的几种重要测量方法的建立、发展和完善。特别是以分辨率为1μm数量级的声和热方法的应用,已大大地加深了对聚合物薄膜中电荷的建立、积累、储存和运输现象的认识和理解。目前,在直流XLPE电缆中的空间电荷的研究中,压力波(pressure wave propagation,PWP)法和电声脉冲(pulsed electro-acoustic,PEA)法是最有效、常用的2种测量方法。

PWP法的基本原理是[7]:弹性波在介质中以声速传播时,破坏了介质内部原先弹性力和电荷产生电场力的平衡,引起介质中的电荷发生微小位移,电荷的微小位移又导致介质电极上感应电荷量的变化,因此在外电路上可观测到电流或电压信号的变化,从而获得介质中空间电荷分布的有关信息。

PEA法的基本原理是[7]:在介质电极上加上一个窄高压脉冲,则介质中的空间电荷和电极界面都受到这一脉冲电场力的作用而相应地产生声脉冲。声脉冲的压力剖面与空间电荷的分布有关。用声传感器接收与测量这些声脉冲,就可以得到空间电荷的分布信息。

目前,空间电荷测量的试样大多数是平板试样,厚度为0.1~2 mm。而针对电缆的圆柱状且较厚的绝缘试样的空间电荷测量报道很少,这主要是由于国内外较少有单位能自主研发电缆绝缘空间电荷测量装置;另外,作为一种专利技术,已成功开发此装置的单位对此严格保密。总体来说,电缆绝缘空间电荷测量装置研制需注意两点:(1)由于电缆绝缘厚度较大,为了保证设备有足够的灵敏度和分辨率,脉冲发生器的功率必须足够大,建议研制50kV毫微秒脉冲发生器以用于激励空间电荷声波;(2)研制一套半弧形电极,与圆柱形电缆绝缘界面捏合。同时,区别于平板试样,圆柱状试样的空间电荷信号的数学处理必须在极坐标下进行。

1.3 空间电荷的陷阱能级

介质中的空间电荷行为主要取决于它的空间分布与陷阱能级分布。前者的研究基本上用测量空间电荷分布的技术,如前面提到的PEA法与PWP法,后者基本上以热刺激放电(thermally stimulated discharge,TSD)法、等温放电法、光刺激放电(photo-stimulated discharge,PSD)法等进行研究[8,9]。一般说来,聚合物的电击穿是由于介质微观结构的不完整性以及介质中引入的外来杂质所引起的,它们构成了引起介质老化的电荷积累的中心[10],即电荷的物理陷阱和化学陷阱。在目前广泛应用的聚合物材料中,由于材料中存在着链折叠和弯曲、分子链同分异构体转换构成的缺陷等分子间的空隙属于物理陷阱(约为0.1~0.5eV)。聚合物材料中还存在着分子结构的缺陷,分子结构型的无序,分子链上的各种支链、侧链、端基、断链、晶区与无定型区的界面,还有近年来被广泛关注的聚合物/纳米粒子复合电介质中的聚合物与纳米粒子的界面,以及各种极性基团、添加剂、抗氧化剂、交联剂和杂质等,这些因素都会在电介质材料中引入局域态,构成电荷的化学陷阱(深度可大于1eV)[11]。因此,认识聚合物介质的陷阱能量分布对于更好地研究和改善聚合物的绝缘性能具有重要的意义。

TSD法是研究电介质宏观规律及微观性质的基本方法之一。其测量系统简单、操作方便,被广泛地应用于电介质的电荷陷阱研究。分析TSD电流谱就能获得空间电荷的陷阱参数(电荷密度、活化能、平均渡越时间、电荷捕获的平均深度、尝试逃逸频率等)的详细信息。TSD法被认为是假设陷阱深度、捕获截面等陷阱参数与温度无关的前提下建立的理论。然而,加热过程不仅使陷阱中的电荷受到热激发,同时对陷阱本身也有热侵蚀作用[12],会引起陷阱及中心环境的改变,这必将导致陷阱参数的变化。

PSD法是Brodribb等人在20世纪70年代为获取有机晶体陷阱深度的信息提出来的[13]。PSD法是用能量可调的单能光子辐照试样使相应能量的陷阱电荷脱阱,并通过测量脱阱电荷迁移所形成的外电路电流来研究试样中空间电荷的陷阱能量分布。由于实验设备的昂贵性、电介质内陷阱电荷的光致排空并不彻底等问题,在随后的一些年里使用该技术研究介质中电荷陷阱的相关报道较少。然而与TSD法相比,它有如下特点:(1)在PSD实验过程中,试样可始终保持在任意设定的一个低温值,这样可以在保持材料结构或陷阱构造原貌特征的前提下,准确地获取试样的陷阱信息;(2)对于熔点较低的材料,由于陷阱结构的提前破坏,TSD法通常无法得到试样的深陷阱信息;而PSD法能够准确地探测深度高达6eV的深陷阱[14]。近年来,PSD法逐渐被接受并用于实验研究中,一些有意义的结果被不断报道。

文献[15-17]通过PSD法研究了聚乙烯的陷阱能量分布。他们在常规的连续扫描法的基础上,进一步提出了分步扫描法,即通过等能量光照使得陷阱电荷逐步地从浅到深依次释放,然后对记录的光电流积分即可得到各陷阱能量区间的空间电荷数量。图2显示了聚乙烯各陷阱能带中的捕获电荷量占总捕获电荷量的百分比[15],这些陷阱能带的中心陷阱能级分别为4.29,4.60,4.97,5.40,5.92eV,对应的波长分别为290,270,250,230,210nm。中心深度为4.97eV的陷阱能带(4.78~5.18eV)中捕获的电荷量约占总电荷量的57.4%,仅很少量的电荷(约为总电荷量的5%)被捕获在中心深度分别为5.92eV和4.29eV的深陷阱能带(5.65~6.22eV)和浅陷阱能带(4.14~4.44eV)。

1.4 绝缘料空间电荷抑制技术

为改善直流电缆XLPE绝缘中的空间电荷积聚问题,各国科研工作者对空间电荷抑制技术进行了大量的探索,总体来说,可以分为接枝和添加纳米填料两大类。这些工作都取得了一定的进展。如国外化工企业通过在聚乙烯链上接枝一种极性共聚单体,有效地抑制了空间电荷,开发了直流电缆用XLPE绝缘料并全球供应,但其使用温度只有70℃。日本选择在XLPE绝缘料中添加纳米填料,早在1998年首次研制了2根250kV直流电缆[18]。在国内,也有许多科研工作者进行了这方面的研究,其中有代表性的如下。

1)接枝。国内有高分子材料厂用马来酸酐接枝,成功地抑制了XLPE中的空间电荷,并批量生产高压直流电缆的XLPE料,工作温度为70℃。

2)添加纳米填料。文献[19]以质量百分比为0.1wt%,0.2wt%,0.5wt%,1wt%的二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、钛酸钡(BaTiO3)、三氧化铝(Al2O3)和氧化镁(MgO)等5种纳米粒子在150℃下的混炼机上混入低密度聚乙烯(LDPE)中,热压成1mm厚度的薄板试样,试样外贴半导体电极,在40℃下外施DC电场40kV/mm至电荷分布稳定,用PWP法测量了试样中空间电荷分布。研究发现,当质量百分比不小于0.2wt%时,Al2O3和MgO纳米粒子具有显著的抑制空间电荷的作用。另外,文献[20]以纳米MgO为填料,研究了不同含量下聚乙烯试样中空间电荷分布和电导与电场強度、温度的关系,最后确定当MgO含量为1%时,试样不再存在空间电荷。

在电力行业中,交流电缆中的XLPE工作温度为90℃。但在直流电缆中,通过接枝方法改性的XLPE的工作温度均只有70℃,这就较大地降低了电缆的载流能力。通过添加纳米填料的方法可能使得直流电缆在抑制空间电荷的同时,保证90℃的工作温度。上述研究表明,某些纳米填料能较好地抑制XLPE中的空间电荷,但在添加纳米填料的同时,如何使得纳米填料在XLPE中分散均匀是一个技术难点。这是因为聚乙烯属于非极性分子,而纳米填料属于极性分子,这2种材料的相容性较差,这样在XLPE中添加纳米填料的过程中很难保证纳米填料的分散均匀性。

对纳米粒子表面改性,可提高粒子与XLPE的相容性,并最终提高纳米填料在XLPE中的分散均匀性。改性手段可以分为两类。

1)物理表面修饰。通过吸附、涂敷、包覆等物理作用对微粒进行表面改性,利用紫外线、等离子射线等对粒子进行表面改性也属于物理修饰。文献[21]通过Ca2+,Ba2+无机阳离子等活化,使SiO2等纳米粒子表面由负电荷转变为正电荷,再吸附硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠等阴离子表面活性剂,制得了相应的有机化改性样品。

2)化学表面修饰。通过纳米微粒表面与处理剂之间进行化学反应,改变纳米微粒表面结构和状态,达到表面改性的目的称为纳米微粒的表面化学修饰。文献[22]把SiO2加入辛醇中,在甲苯磺酸的催化下,把反应物置于微波炉中照射加热,反应4h,即可得到改性SiO2样品。

最后应当指出,通过这2种改性手段获得的纳米粒子是否均匀地分散于XLPE中必须借助于实验仪器的观察,如扫描电子显微镜、透射电子显微镜等。另外,在改性过程中引入的一些杂质可能会对空间电荷、电导率造成一定的影响,这都有待于实验验证。

2 柔直电缆设计

2.1 电场分布

电缆绝缘层中的电场分布,交流电缆与直流电缆有很大的不同。交流电缆中电场分布是与介电常数ε呈反比分布,ε与温度无关。直流电缆中电场分布是与体积电阻率呈正比分布,电阻率与温度和电场有关。交流电缆中几乎没有空间电荷累积效应,而直流电缆中有明显的空间电荷累积的影响。运行中的直流电缆,受到雷电冲击电压、操作冲击电压时、电场分布受ε影响。这样,直流电缆绝缘层中电场分布比交流电缆复杂得多。

假定电缆绝缘发热已经稳定,绝缘中损耗忽略不计,不考虑空间电荷的影响,那么,距离电缆导体轴线r处的电场强度E为:

式中:U为绝缘层承受的电压;rc为导体屏蔽层外表面的半径;R为绝缘层外表面的半径;α为绝缘电阻温度系数,聚乙烯和XLPE的α=0.15℃-1;θc为导体屏蔽外表面温度;θs为绝缘外表面温度。

式(1)只考虑了温度对电阻率的影响,实际上,绝缘电阻率也受电场强度E的影响,两者同时作用时,有

式中:γ为系数,当E=5.25~21.0kV/mm时,γ为2.1~2.4。

式(1)与式(3)的形式完全一致,式(1)中的β相当于式(3)中的δ。从式(3)可以看出,直流电缆绝缘层中电场分布与电缆绝缘结构尺寸、承受电压大小和导体负载电流大小有关。

当直流电缆导体电流为零,即空载时,最大电场强度在导体屏蔽外表面上。当负载电流增加时,导体屏蔽表面场强减小,绝缘层外表面电场强度将增大,它会超过导体屏蔽上场强。

单纯的暂态电压(包括雷电冲击电压、操作冲击电压、极性转换瞬态电压)作用在直流电缆绝缘上,其电场分布与交流电缆一样,按ε呈反比分布。

运行中的直流电缆系统本身一直承载直流工作电压,暂态电压来袭时,会叠加在直流电压上,直流电压叠加冲击电压,其绝缘中电场分布既不同于交流电缆,又不同于直流电缆,而是两者的综合。

直流电压叠加同极性冲击电压时,叠加瞬间的电场Es为:

式中:Ed为直流工作电压的稳态电场,按电阻分布;Etr为叠加的冲击电压的暂态电场,按电容分布;Vd为直流电缆运行电压;Vs为叠加同极性冲击电压后电缆绝缘上的电压。

同样原理,直流电压上叠加反极性冲击电压时,叠加时的电场Er为:

式中:Vr为叠加反极性冲击电压后电缆绝缘上升高的电压。

运行中直流电缆绝缘上,经受雷击过电压或操作过电压时,叠加反极性冲击电压比同极性冲击电压时的绝缘介质对外表现出击穿强度下降。这是因为在直流电场作用下,靠近电极处存在着与电极极性相同的空间电荷。在施加反极性的冲击电压的极短时间内,被电缆绝缘材料捕获的空间电荷几乎保持不变,且其极性与电极极性相反。这样,在空间电荷与电极间存在着较高的电场,引起绝缘局部场强的畸变。故叠加冲击电压绝缘水平已成为影响电缆绝缘厚度的主要因素,特别是超高压直流电缆绝缘厚度更是决定因素。最近国内直流电缆的试验中,出现的击穿情况,也是在直流电压叠加冲击电压试验中,出现问题较多。

2.2 国内外柔直电缆

ABB公司将电压源换流器(VSC)换流站与聚合物电缆相结合形成柔直输电的概念,较传统的LCC直流输电,成本大大下降。为了提高输电线路可靠性,在柔直输电中通常采用电缆系统作为输电线路。ABB公司研制的直流电缆结构为:中间导体一般为铝材,导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层三层同时挤出均匀包裹在导体外面,形成绝缘结构,采用铜丝绕包在绝缘屏蔽外形成金属屏蔽,最外面由铝箔和聚乙烯形成外护套保护电缆。这种新型的三层聚合材料挤压的单极性电缆,较传统的油纸绝缘结构电缆,具有高强度、绿色环保等特点,适合用于深海等恶劣环境。这种直流电缆重量轻、成本低、传输功率大。例如:一对95mm2铝导体电缆,在直流工作电压为±100kV时,能够传输30MW的功率,其重量为1kg/m,绝缘厚度为5.5 mm,可以非常方便地埋在地下。

国产柔直电缆结构相似于交流电缆结构,就陆地柔直电缆而言,国内五家电缆公司试制的电缆参见图3,其为±200kV陆地柔直电缆,导体截面为1 000mm2。

海底柔直电缆与陆地柔直电缆在7之前结构一致。从7开始,将皱纹铝套改为平滑铅套,外护套改为内护套,增加1层或者2层钢丝铠装,钢丝外热涂沥青防腐,再覆盖聚丙烯绳作为外被层。

关键的材料以及导体屏蔽、直流交联料和绝缘屏蔽料,各厂均进口同一家电缆料公司的同一牌号产品,而且绝缘料的最高工作温度为70℃,比现在的交流交联料工作温度90℃低了许多,这就导致电缆的载流能力偏小,经济性能下降。

国产柔直电缆现状是几乎均采用铜导体,这就造成造价高、重量重、铝套容易电化腐蚀,故外面涂沥青防腐层,外护套外面涂石墨导电层,以便进行外护套直流耐压,但沥青和石墨在电缆制造和使用中均易污染环境。海底电缆的金属套多采用铅套,铅是重金属,也会污染环境。

2.3 新型柔直电缆设计

针对现有柔直电缆弊端,对柔直电缆重新进行设计。成本低、绿色环保的±320kV和±200kV新型柔直陆地和海底电缆分别见图4和图5。

±320kV和±200kV柔直陆地电缆和海底电缆,工作温度为90℃绝缘中的电场分布分别见图6和图7。

图6和图7中,β曲线只考虑了温度对电场分布的影响,δ曲线同时考虑了电场和温度对绝缘中电场分布的影响。可以看出,绝缘中电场和温度同时作用时,对电场分布有均匀作用。

3 柔直电缆发展趋势

国外ABB公司1997年开始试验投运±10kV柔直电缆系统,多采用铝导体和XLPE,外护层采用铝塑综合防水层。逐步淘汰了油纸电缆绝缘结构。2013年5月,ABB公司在德国北部投运了±320kV轻型直流系统,将北海800MW的海上风电接入欧洲输电系统。瑞典国家电网运营商Svenska Kraftnt公司投资1.6亿美元,建设连接瑞典南部和西部的地下输电线路,线路全长200km,电压等级为300kV,输送容量2×660 MW。采用柔直地下电缆系统,电缆为铝导体,挤包绝缘。ABB公司将负责包括终端、接头和其他配件在内的整套电缆系统的设计、生产、供货和安装工作,整个项目将于2014年完工。这套地下电缆解决方案主要是为了提高瑞典国家电网南部的输电能力和抵抗自然灾害能力,有助于提升瑞典与挪威两国间的电力交换容量。未来,该线路还将支持大量风电顺利并入瑞典电网。

欧洲超级电网是一种未来电力系统,主要基于直流输电,将偏远地区的大规模可再生电力传输到消费中心,输电线路大量采用直流交联电缆系统。

在中国,柔直电缆系统采用进口绝缘料的研究尚处于起步阶段,其电缆结构将交流电缆的结构套用过来,几乎都是铜导体铝护套或者铅护套。国内±200kV五端柔直工程和±160kV三端柔直工程的所需要的直流电缆系统正在试验验证之中。±160kV柔直陆地和海底电缆已经定标两家国内电缆公司生产。

国内外的商用柔直电缆导体工作温度都是70℃,而且均是单芯电缆。未来铜价约高于铝价4倍及以上时,国内就会发展铝导体或铝合金导体、铜护套,工作温度要达到90℃。绿色环保高载流量的柔直电缆、双芯电缆是发展方向。

向遥远的海岛供电及海上风电进网时,柔直海底电缆会大量采用。现在都采用2根极线分2次敷设,分开距离一般为2倍水深。这不仅使敷设费用增加,而且电缆线路占用海域面积较大,导致以后每年要交海域使用费用较多,增加了电缆线路运行成本。

未来的发展方向是将2根极线放在一起,一次性敷设完成,甚至还可以将光缆也与2根极线放在一起同时完成敷设。

对于电压低或者导体截面小的海缆,可以在工厂绞合在一起,然后装船敷设。对于电压高或者导体截面大的海缆,可以在敷设时将2根极线平行放在一起,也可加上光缆,采用坚固的带子绕包绑扎后,再敷设到海底。

4 结论

1)应大力开发用于电缆绝缘的空间电荷测量装置。在研究过程中,应重视功率足够大的脉冲发生器及与圆柱形电缆绝缘界面捏合的半弧形电极的研制。空间电荷陷阱电荷能量测量方法主要为TSD法和PSD法,PSD法测量聚乙烯陷阱能量分布的结果显示,电荷主要被捕获在中心深度为4.97 eV的陷阱能带中。

2)通过添加纳米填料抑制电缆XLPE绝缘中空间电荷时,必须解决纳米粒子与XLPE的相容性问题,通常可以通过表面物理修饰和表面化学修饰等改性手段完成,但改性的有效性必须通过实验的进一步验证。

3)柔直XLPE电缆绝缘中电场分布与体积电阻率呈正比分布,而电阻率与导体负载和绝缘中电场有关,运行中柔直电缆经受的反极性冲击电压是电缆绝缘的关键影响因素。

4)现有开发的柔直电缆工作温度较低,部分结构材料不环保,文中提出高载流90℃工作温度绝缘料,并研究设计出绿色环保高压、超高压陆地和海底电缆结构。

绝缘电力电缆 篇9

随着我国电力事业的迅猛发展,电力传输显得至关重要。此前我国中低压电力的传输有相当部分依赖于架空裸导线来实现,但人口密度的增加,城市建筑群、绿化茂密区与城网架空输电线的矛盾日益突出,因无绝缘的裸导线是依靠空间距离及绝缘子架设于塔杆之上,在经过城市街道两侧、工厂内部、住宅小区等人类活动密集地区,经常会引发安全事故。虽然对中低压电力电缆进行埋地敷设可减少安全事故的发生且美化环境,但其开挖工程量大,耗资高,远不如架空敷设经济便捷。为保障用电,同时保障人身财产安全,必须尽可能地消除架空裸线带来的隐患,因此架空绝缘电缆成为了必然的选择。

架空绝缘电缆安全性能高、使用维修方便、敷设费用低、线路布局合理,但其在敷设或使用过程中时而发生绝缘滑脱现象,尤其是1kV架空绝缘电缆因没有导体屏蔽,且绝缘厚度较薄,绝缘拉断力小,相比10kV架空绝缘电缆,其绝缘与导体之间更容易发生滑脱。由于架空绝缘电缆架设于塔杆上,其敷设及使用环境决定了电缆纵向承力较大,一旦承力过大会致使绝缘发生滑脱、断裂,环境中的潮气和水分即会从绝缘断裂处进入导体,大大降低电缆的使用寿命和安全性。虽然现行国家标准GB/T12527《额定电压1kV及以下架空绝缘电缆》对绝缘的滑脱力指标并无要求,但考虑到上述问题,架空绝缘电缆的生产企业必须对其给予足够的重视和关注。

1 绝缘滑脱的原因分析

经过深入分析发现,架空绝缘电缆发生绝缘滑脱的原因主要有以下两种:a.因施工方法不当或受外力破坏使绝缘局部破损而造成滑脱。b.因电缆受到的纵向外力大于绝缘与导体间的作用力及绝缘拉断力之和,导致导体与绝缘之间发生相对位移。因此,为避免或减少绝缘滑脱现象的发生,应严格按操作规程或要求进行施工,且要避免电缆绝缘受到外力作用出现破损,同时应增加架空绝缘电缆的防绝缘滑脱能力,即提高绝缘与导体间的作用力及绝缘拉断力。

2 绝缘滑脱力的影响因素

架空绝缘电缆绝缘拉断力主要与绝缘厚度正相关,而国家标准中已对绝缘厚度做出了相应规定,且考虑到电缆成本因素,也不宜通过增大绝缘厚度,提高绝缘拉断力,改善电缆绝缘滑脱力。因此,从架空绝缘电缆本身出发,通过增大架空绝缘电缆绝缘与导体间的作用力是改善电缆绝缘滑脱力关键。绝缘与导体间的作用力的主要影响因素有导体表面粗糙度、导体最外层单丝紧压程度和绞合节径比、绝缘挤出方式等,下面将对此展开分析和研究。

2.1 导体表面粗糙度

导体表面粗糙程度直接影响导体与绝缘之间的摩擦力,通常导体表面越粗糙,导体与绝缘之间的摩擦力也就越大,绝缘的滑脱力也越大。因此,为增大绝缘与导体之间的摩擦力,可对导体表面进行粗糙处理。由于采用化学和电化学方法对导体表面进行粗糙处理需要较长时间,根据导体的实际生产情况,其很难与导体的绞制工序相结合,无法满足线缆行业产品连续生产的要求,影响生产效率且增加成本,而采用物理方法———喷砂对导体表面进行粗糙处理,可在导体绞制完成后收线前,进入增设的喷砂设备,依靠喷砂设备发射出沙粒高速冲击导体表面,在导体表面留下无数细小且均匀的凹坑,从而达到增加导体表面粗糙程度的目的[1],因此建议采用喷砂方法对导体表面进行粗糙处理。图1示出了喷砂设备,该设备能够实现在线、高速、连续喷砂,且不影响导体绞制的生产效率。

2.2 导体最外层单线紧压程度和绞合节径比

导体的紧压程度通过紧压系数来反映,紧压系数越大,则紧压程度越高。导体最外层单线紧压系数越大,则最外层单线与单线之间的缝隙越小,导体表面的光滑度提高,绝缘挤出时嵌入导体的绝缘材料量减少,导体与绝缘之间的结合强度降低;同时,导体表面越光滑,导体与绝缘之间的摩擦力越小。因此,导体最外层单线紧压程度越高,则绝缘与导体之间的滑脱力越小,反之,导体最外层单线紧压程度越低,绝缘与导体之间的滑脱力越大。由于在标准GB/T 12527中仅要求架空绝缘电缆导体为紧压结构,而未对导体紧压系数作说明,因此架空绝缘电缆的生产企业可以在保证导体紧压的前提下,结合生产工艺及成本适当减小导体外层单线的紧压系数,从而提高绝缘滑脱力。

在架空绝缘电缆导体最外层绞合节径比符合相关要求的前提下,改变导体最外层绞合节径比会对挤出的绝缘嵌入导体间隙的状态产生相应影响。导体最外层绞合节径比越小,则单线间隙与导体纵向夹角越大,挤出的绝缘嵌入单线间隙后,使绝缘与导体沿纵向方向阻止发生滑移的作用力越大,即绝缘滑脱力越大,反之,导体最外层绞合节径比越大,单线间隙与导体纵向夹角越小,纵向阻止发生滑移的作用力越小,即绝缘滑脱力越小。架空绝缘电缆的生产企业可在兼顾导体绞合节径比对导体电阻及生产成本影响的前提下,结合生产情况及需要适当减小导体绞合节径比,提高绝缘滑脱力。

为了了解导体最外层紧压系数和绞合节径比对架空绝缘电缆绝缘滑脱力的影响,分别对导体最外层采用不同紧压系数和绞合节径比的两种相同型号规格的架空绝缘电缆进行绝缘滑脱力对比测试。表1示出了测试时采用的试样电缆的具体参数。测试前,先按照GB/T 14049—2008中附录B对试样电缆进行尺寸处理,再将处理好的试样电缆在室温下放置4h。测试时,测试温度为室温(25±5)℃,先将试样电缆放在专用夹具内,再置于WDW-10电子万能拉伸试验机上,启动设备在(2±1)cm/min速度下进行拉伸,记录下每个试样电缆的绝缘与导体产生滑移时的拉力T,测试结果如表2所示。可见,对于相同型号规格的架空绝缘电缆,导体最外层单线紧压系数越大(紧压程度越高),绝缘滑脱力越小,反之,则绝缘滑脱力越大;导体最外层绞合节径比越小,绝缘滑脱力越大,反之,则绝缘滑脱力越小。

注:1)导体最外层单线间隙与导体纵向夹角约为20°;2)导体最外层单线间隙与导体纵向夹角约为15°。

2.3 绝缘挤出方式

为了提高生产效率,通常电缆生产企业会优先选择挤管式工艺挤出绝缘。虽然挤管式挤出工艺具有生产速度快、易于调整偏心、配模简便且模具的通用性大等特点,但在挤制架空绝缘电缆绝缘时,因挤出模具对绝缘料的挤出压力较小,机头处会有大量空气存留,阻碍绝缘与导体之间紧密结合,致使导体与绝缘之间的紧密程度下降,相互间的作用力变小,从而使绝缘滑脱力减小,绝缘更容易被拉脱。因此,为了提高绝缘滑脱力,必须增加挤出压力,采用挤压式(或半挤压式)挤制架空绝缘电缆绝缘。通过挤压式(或半挤压式)模具产生的挤出压力使绝缘能更好、更彻底地嵌入导体最外层单丝间隙中与导体紧密结合包覆在导体上,同时挤出压力也将绝缘与导体之间的空气排出,进一步提高绝缘与导体之间的结合强度,从而提高绝缘滑脱力。

为了了解绝缘挤出方式对架空绝缘电缆绝缘滑脱力的影响,分别对采用挤管式工艺和挤压式工艺的相同型号规格的架空绝缘电缆进行绝缘滑脱力对比测试。表3示出了测试时采用的试样电缆的具体参数。测试前的试样电缆处理和测试时的温度、过程与2.2节中的相同,测试结果如表4所示。可见,对于相同型号规格的架空绝缘电缆,采用挤管式工艺挤制电缆的绝缘滑脱力远小于挤压式工艺挤制电缆的绝缘滑脱力。

3 结束语

为确保架空绝缘电缆在敷设或使用过程中的安全性,本文着重分析了绝缘滑脱力的影响因素(导体表面的粗糙程度、导体最外层单丝紧压程度和绞合节径比、绝缘挤出方式),并在此基础上指出各影响因素的改善措施,通过相关对比试验验证了改善措施对提高绝缘滑脱力的有效性。因各个架空绝缘电缆生产企业的生产工艺及设备存在差异,可根据自身实际情况选择改善方法。

参考文献

绝缘电力电缆 篇10

现代化建设对电力的需求越来越大,交联聚乙烯(XLPE)绝缘电力电缆以其工作温度高、绝缘特性好、耐过载能力强等特点,正逐步取代传统的PVC绝缘电力电缆。低压XLPE电缆(一般最高电压等级仅达10 kV)大多采用硅烷交联法,与辐照交联法或过氧化物交联法相比,硅烷交联法具有设备投资少、适应性强和工艺简单等优点。

但小规格(6 mm2及以下)硅烷交联聚乙烯(Si-XLPE)绝缘电力电缆,由于绝缘材料和导体的接触面积相对较小,尤其是单芯导体表面光滑圆整附着力不够时,绝缘的热收缩较大,很难达到GB/T 12706-2008标准中不大于4%的要求。有时实测的XLPE绝缘热收缩甚至达到了20%,严重影响了产品质量,客户投诉较多,对此有些客户已经明确要求在技术协议里写明绝缘热收缩不能超过3%。因此电缆生产企业必须着手解决如何控制小规格Si-XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩的难题,生产出符合市场需要的产品。

1 绝缘热收缩原理

采用硅烷交联法生产XLPE电缆有两个过程:接枝和交联。其生产XLPE电缆的方法有一步法、两步法和浸渍法三种:a.一步法是采用直接加入交联剂的PE绝缘料,在挤出电缆绝缘时进行接枝,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联;b.两步法是采用已预先硅烷接枝的PE绝缘料,挤出电缆绝缘,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联;c.浸渍法是采用浸渍了硅烷和助剂的PE绝缘料直接挤出电缆绝缘,而后在温水或蒸汽中使绝缘层交联。目前Si-XLPE电缆生产厂家常用的有一步法和两步法。但由于硅烷交联一步法在挤制XLPE绝缘时,其结晶过程和接枝过程互相作用,因此在挤制过程中应尽可能控制热过程,使XLPE绝缘料的聚集态结构处于合理状态,这样才能使XLPE绝缘具有更优异的性能。

PE是一种结晶型聚合物,其结晶过程就是大分子或链段通过分子间的相互作用力进行重新排列,从无序变为有序的过程。在电缆绝缘挤出时,PE在加热的环境(熔融温度)下受到剪切和牵引拉伸作用,使得PE分子的晶粒沿拉伸方向(纵向)尺寸增大、横向尺寸减小,有序性提高,即PE分子发生取向。这样轻易诱导出许多晶胚,使晶核数量增加,结晶时间缩短,加速了结晶作用,结晶度增大。但当成品PE绝缘电缆放置在室温下时,因PE绝缘挤出时产生的内应力(收缩应力),使得结晶的PE分子容易解取向(回缩的趋势),这就造成了PE绝缘的热收缩现象。

2 绝缘热收缩的因素

为解决绝缘热收缩的问题,必须找出在电缆绝缘挤出过程中,导致XLPE绝缘结晶度增加、取向加强、内应力增大的因素,即熔融温度和时间、冷却速度、外力(牵引拉伸)作用这三方面。

2.1 熔融温度和时间

在高于熔体温度tm时,结晶型聚合物为含有晶核的熔体,且熔融时间越长晶核的数量越少。因此在电缆绝缘挤出过程中,XLPE绝缘料的加热熔融温度越高、在加热温度下停留的时间(保温时间)越长,晶核的数量将越少,PE的结晶性能越低,有利于降低绝缘的结晶度,可使绝缘热收缩达到标准要求。

我们对Φ70挤出机和Φ45挤出机生产的Si-XLPE绝缘的热收缩进行了测试,测试结果如表1所示。可见Φ45挤出机生产的Si-XLPE绝缘的热收缩明显,其原因可能有:a.Φ45挤出机的螺杆较短,再加上生产速度较快,PE在螺膛内的停留时间较短,有利于PE晶核的成长,使得XLPE绝缘的结晶度较高,从而造成绝缘热收缩较大。b.由于Φ45挤出机采用的是一步法硅烷交联的PE绝缘料,在挤出过程中提高加热温度和延长XLPE绝缘料在螺膛内的停留时间,都将增加XLPE绝缘料预交联的可能性,但这是不允许的,因为这将造成挤出的绝缘中含有热固性的XLPE颗粒。

此外,XLPE绝缘料的熔体温度越高,其冷却至凝固所需要的时间就越长,即PE分子的松弛时间较长,可轻易地解取向,最终XLPE绝缘的取向程度也就越低。

2.2 冷却速度

聚合物熔体从熔体温度tm以上冷却到玻璃化温度tg以下的温度降低速度称为冷却速度,冷却速度是影响聚合物结晶的关键。冷却速度除了与熔体温度、室温有关外,还与聚合物本身的结晶速率和热性能有关。PE本身的结晶速率很大,在极快的冷却条件下PE绝缘也能得到较高的结晶度。因此在冬天,这种情况尤其明显,应特别注意XLPE电缆绝缘挤出过程中冷却速度的控制。PE比热容大、热导率小,若PE熔体冷却速度较慢,获得充分冷却,则PE分子的松弛过程延长,可轻易解取向,取向程度下降,并可控制PE晶核的产生和延缓晶粒的长大。

此外,导体温度对XLPE绝缘的冷却速度也有影响。导体温度过低,在挤出机的模口处高温的PE熔体包覆在导体表面时,XLPE绝缘会因与低温导体接触而冷却收缩产生收缩应力,并减小XLPE绝缘与导体间的附着力,降低对热收缩的抵御力,最终影响XLPE绝缘电缆绝缘层的热收缩性能。

2.3 外力(牵引拉伸)作用

在电缆绝缘生产过程中,PE分子在外力(牵引拉伸)作用下沿作用力方向发生取向,这将促进PE晶核的形成,使晶核生成速度加快、晶核数量增加,结晶时间缩短,结晶度增大。在表2中对比了采用挤压式模具和挤管式模具生产的Si-XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩。相比于挤压式模具,在挤出过程中必须进行拉伸的挤管式模具生产的Si-XLPE绝缘电缆的绝缘热收缩要大很多。但即使是挤压式模具生产的电缆的绝缘热收缩也都在8%左右,这远远超过了标准的要求。

对于上述情况,我们研究后发现,为了提高生产速度和挤出表面的光洁度,一般挤压式模具的模套内径比电缆的绝缘外径大几毫米,这样在绝缘生产过程中,为了确保绝缘外径,绝缘不可避免地会受到拉伸,在拉伸过程中,PE分子仍受到了外力影响,产生了取向,使得绝缘热收缩超标。此外,采用挤压式模具,增加了对模距离,可使XLPE绝缘层紧紧包覆导体,增加绝缘和导体之间附着力,以尽量抵消XLPE绝缘挤出时产生的内应力(收缩应力),使绝缘相对不容易产生热收缩。

3 绝缘热收缩的控制措施

由于小规格Si-XLPE电缆绝缘对熔融的温度和时间、环境和导体的温度、外力(牵引拉伸)作用较为敏感,为了确保XLPE绝缘热收缩指标合格,我们在工艺上采取如下措施:

(1)在绝缘挤出时采用缓冷和温水分段冷却,尤其是在冬天环境温度比较低的场合(夏天由于环境温度比较高,则相对来说要好些)。并同时对导体进行合适温度的预热。

(2)为了提高XLPE绝缘料熔融温度和保温时间,最好选用两步法硅烷交联的PE绝缘料,这样可以增加熔融段保温时间,避免XLPE绝缘料在机筒里预交联产生焦烧。

(3)有条件的话,可以尽量选用机筒加长和机头加长的挤出机,以延长XLPE绝缘料在机筒里的时间,更有利于抑制PE晶粒的长大和结晶的产生。

(4)由于小规格Si-XLPE绝缘电缆的绝缘和导体(特别是单根导体)的接触面积相对较小,附着力不够,因此很难阻止绝缘热收缩。在采用挤压式模具时,应注意模套内径尽量不大于绝缘外径,以确保在绝缘挤出过程中XLPE绝缘料没有受到拉伸作用,避免由此造成的取向结晶,从而导致电缆的绝缘热收缩超标。

4 总 结

综上所述,小规格Si-XLPE绝缘电缆绝缘热收缩是因为XLPE绝缘结晶度增加、取向加强、内应力增大等因素造成的。只要在电缆绝缘生产过程中较好地控制这些问题产生的源头:XLPE绝缘熔融的温度和时间、XLPE绝缘冷却速度、XLPE绝缘受外力(牵引拉伸)作用,就能改善绝缘热收缩性能。我们在实际生产中采取了控制分段冷却,对导体进行预热,选择不易预交联的原材料,选择长机筒和长机头设备,选择挤压式模具并严格控制模套内径不大于绝缘外径等措施,使小规格Si-XLPE绝缘电缆达到绝缘热收缩不大于4%的标准要求。选择挤压式模具并严格控制模套内径更利于小规格Si-XLPE绝缘电缆绝缘热收缩的控制。

参考文献

[1]韩中洗.电缆工艺原理[R].上海:上海电缆研究所信息中心,1990.

绝缘电力电缆 篇11

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

0 引 言

随着现代船舶自动化水平的提高以及电力驱动船舶的出现，电缆作为船舶电气系统的动脉，其绝缘性能的好坏与可靠性直接关系到船上人员和设备的安全.[1-2]目前，我国还有很多老龄和超龄船舶在服役，这些船舶的电缆由于长期在恶劣环境和复杂工况下运行，其绝缘层已经严重老化甚至失效.如果不及时对电缆进行修理或更换随时可能引发火灾.[3]另外，由于船用电缆工作环境比较复杂，同一船舶上不同工作环境下电缆的老化程度也不同.但是，对船舶电缆的更换或者维修，都要等到船舶进厂进行大修的时候方可进行，大范围的电缆更换工作需要大量的人力和物力.[4]因此，如何掌握电缆的绝缘性能及其老化程度，引起国内外学者[4-11]的广泛重视.

电缆老化性能评估模型主要有3大类：动力学曲线模型、本构及唯象模型、计算机仿真模拟模型.在动力学曲线模型中，Arrhenius速率常数经验模型外推法已经形成相关标准，得到业界及学术界的广泛认可，但该方法需要进行长时间(几个月至几十个月)的热老化实验才能得出结果，无法实现快速评估.[13-14]本构及唯象模型和计算机仿真模型都有一定局限性，其正确性仍需进一步检验.[7]本文通过理论分析以及实验研究尝试应用硬度这一特征参量达到快速评估电缆老化性能的目的.

1 橡胶的热氧老化反应

橡胶老化最主要的原因是氧化作用，它使橡胶分子结构发生裂解或结构化，致使橡胶材料性能恶化.氧在橡胶中与橡胶分子发生游离基链锁反应，分子链发生断裂或过度交联，引起橡胶性能的改变.温度升高可引起橡胶的热裂解或热交联，提高氧扩散速度和活化氧化反应速度，从而加速橡胶氧化反应速度(这是普遍存在的一种老化现象——热氧老化).

1.1 热氧化机理

研究发现，橡胶热氧老化是一种链式的自由基反应[12]：

引发反应 RH→R·+·H(热、氧、光或催化剂作用)

ROOH→RO·+·OH

2ROOH→RO·+ROO·+H2O

传递反应 R·+O2→ROO·

ROO·+RH→ROOH+R·

RO·+RH→ROH+R·

·OH+RH→R·+H2O

终止反应 R·+R·→R-R

RO·+R·→ROR

RO·+RO·→ROOR

ROO·+ROO·→稳定产物

R·+·OH→ROH

上述反应中:RH表示橡胶大分子;R表示自由基;RO表示氧化自由基;ROO表示过氧化自由基.

1.2 丁苯橡胶的热氧老化反应[15]

丁苯橡胶是目前一些相对老旧船舶上所用电缆广泛采用的绝缘材料，其热氧老化反应过程如下：

这是引发反应1，RH→R·+·H；橡胶链在加热的过程中分解，生成含有自由基的橡胶链和氢离子.

这是传递反应1，R·+O2→ROO·；由引发反应生成的含有自由基的橡胶链与O2发生反应，生成带有过氧化根的橡胶链.

这是传递反应2，ROO·+RH→ROOH+R·；含有过氧化根的橡胶链与橡胶链发生反应，夺取橡胶链中的氢离子，生成含有自由基的橡胶链.

这是引发反应2，ROOH→RO·+·OH；含有过氧化根的橡胶链分解，生成含有氧自由基的橡胶链和羟基.

这是引发反应3，2ROOH→RO·+ROO·+H2O；两条含有过氧化根的橡胶链发生反应，一条橡胶链失去氢离子，另一条橡胶链失去氢氧根离子，生成水和分别含有不同自由基的橡胶链.

这是传递反应3，RO·+RH→ROH+R·；含有氧自由基的橡胶链与橡胶链反应,分别生成含有羟基和自由基的橡胶链.

这是传递反应4，·OH+RH→R·+H2O；氢氧根离子与橡胶链发生反应,生成含有自由基的橡胶链和水.

对于丁苯橡胶来说，热氧老化反应的终止反应以交联反应为主，以引发反应和传递反应生成的产物作为各种类型交联反应的反应物，具体交联反应过程如下:

这是最主要的交联反应过程.含有自由基的橡胶链分子与橡胶链分子发生反应，夺取橡胶链分子中的氢离子，使橡胶链分子中双键打开，形成一条含有自由基的橡胶链，再与其他不含任何自由基的橡胶链发生类似反应，随着反应的不断进行使多根独立的橡胶链分子交联形成一个巨大的橡胶链网络.

这是局部的交联反应:两条含有自由基的橡胶链反应，生成一个小型的橡胶链网络.

这是局部的交联反应:首先含有氧自由基的橡胶链发生分解反应，生成含有氧和自由基的橡胶链；然后两条含有氧的橡胶链发生交联反应，生成一个小型的橡胶链网络.

通过上述分析可以看出在丁苯橡胶的热氧化过程中，主要存在分子链的降解与交联两种反应，老化初期降解反应占优势，后期交联反应占优势，总体上以交联反应为主.令丁苯橡胶试样发生形变前在x,y,z轴上的长度分别为1，1，1.如果λ1，λ2，λ3分别为网络链在x,y,z轴上的伸长比，则形变后试样在x,y,z轴上的长度分别为λ1，λ2，λ3.如上所述，丁苯橡胶在热氧老化时以交联反应为主，即可以增加各橡胶高分子链之间的相互连接，从而使网络链在x,y,z轴上的伸长比减小，即λ1，λ2，λ3减小.

2 橡胶硬度分析

橡胶弹性的本质是分子链在外力作用下引起的构象变化而产生的熵弹性，因此，用构象统计理论可推导宏观应力应变关系.运用聚合物分子链构象分布函数可计算各种构象存在的概率，进而计算橡胶在拉伸过程中的熵变，得出橡胶应力应变关系.在聚合物分子链中，链末端距的3个分量各为x,y,z的几率及聚合物分子链构象的分布函数[18]可表达为

式中：n为主链节数；l为链长，可认为是末端距为r的分子链的构象出现的概率(这种概率分布函数称作高斯分布函数，r2=x2+y2+z2)，也可认为是将链的一端固定在坐标原点，另一端落在距离为r的点(x,y,z)的概率.

玻尔兹曼熵可由式S=klnW表示，其中W为系统宏观态可能对应的微观态数目(即热力学概率)，k为玻尔兹曼常量.对于单根橡胶链来说W=P，所以该橡胶链所对应的熵为

S=C-kβ2r2

现在分析一根橡胶网络链形变前后的熵变化.形变前，链的一端在点(x0,y0,z0)处，末端距为r0；形变后，链端移动到点(x,y,z)处，末端距为r.按仿射形变假定，x=λ1x0，y=λ2y0，z=λ3z0.

橡胶网络在拉伸形变过程中，Helmholtz自由能的变化为ΔA=ΔU-TΔS.对于理想橡胶网络，拉伸过程中内能不变，即ΔU=0，则ΔA=-TΔS.

根据Helmholtz自由能的定义，恒温过程中体系自由能的减少等于体系对外所做的可逆功：因为橡胶被拉伸或压缩时发生的高弹形变在除去外力后可恢复原状，即橡胶的高弹形变是可逆的，所以-ΔA=W；反之，外力对体系所做的功等于体系自由能的增加，即-W=ΔA.外力所做的功作为体系的能量被储存起来，因此也称ΔA为储能函数，于是可得到橡胶网络在拉伸过程中的形变功

橡胶被拉伸时体系对外所做的功包括两部分：拉伸过程中因橡胶体积变化所做的膨胀功pdV和因橡胶长度变化所做的伸长功fdl.伸长功是外界对系统做功，应为负值，则

由于橡胶在拉伸过程中体积几乎不变，dV非常小.如果拉伸在常压下进行，则pdV这一项通常很小，可以忽略，由此可得

利用邵氏硬度仪测量橡胶试样硬度的工作原理是根据探针插入样品的深度计算出试样的硬度.由于探针进入样品的力f是恒定的，进入的深度Δl越深表示试样的硬度越小，反之硬度越大.由前述丁苯橡胶热氧老化分析可知橡胶老化后λ1，λ2，λ3会减小，因此根据上式可知丁苯橡胶在发生热氧老化反应后硬度将增加.

3 硬度测试

为验证上述理论分析结果，对船用丁苯橡胶电缆进行快速热老化试验.根据美国火力电站电缆试验规范中的相关规定，老化试验过程中135 ℃为必须选择的温度点,同时参考IEC 216-1和IEEE 383中相关标准，寿命评定试验中温度的每个级差取15 ℃.因此,本试验中选择135 ℃和150 ℃两个老化温度进行试验，试样老化时间见表1，每个取样组包括6个标准哑铃试样(实际有10个以上试样，其他试样备用)，其尺寸见图1.

表1 试样老化温度及老化时间

图1 哑铃试样尺寸

经老化后的试样在室温下放置24 h，随后用邵氏硬度仪对其进行硬度测试，具体测试结果见表2和3.

表2 135 ℃老化温度下试样硬度测试结果

表3 150 ℃老化温度下试样硬度测试结果

从表2和3可以看出，丁苯橡胶电缆绝缘层随着老化时间增加(即性能老化的加剧)，其硬度明显升高，这也充分印证本文前述的理论分析结果.

4 结 论

通过理论和试验对船用丁苯橡胶电缆绝缘层的老化情况及其硬度的变化情况进行分析.研究结果表明,船用丁苯橡胶电缆绝缘层老化与其硬度之间存在密切关系，随着老化的加剧，丁苯橡胶硬度逐渐增加，因此,可以通过监测船用丁苯橡胶电缆绝缘层的硬度实现对其绝缘性能的快速评估.

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绝缘电力电缆 篇12

0.1Hz超低频耐压试验能有效地检验橡塑绝缘电力电缆、发电机、变压器等设备的运行质量和安装质量, 考核发电机、变压器的主绝缘, 电缆终端头和中间接头的绝缘强度, 能较灵敏地发现机械损伤等明显缺陷。

0.1Hz超低频耐压试验仍属于交流耐压试验, 可以有效地发现容性设备存在的缺陷, 实践证明使用超低频时电缆的击穿电压与使用工频交流所得到的电压值是相当的。

串联谐振试验等效性好, 在现场电缆的交流耐压试验中得到广泛采用, 但调感式或变频谐振试验装置费用高, 体积大, 运输困难, 而0.l Hz超低频测试系统输入功率小、体积小, 比较适合中压容性设备的交流耐压试验。

2 0.1Hz超低频耐压试验的特点和局限性

0.1Hz超低频电压波形主要有正弦波和余弦波两种。0.1Hz超低频耐压试验的特点和局限性主要有:

(1) 在超低频系统中, 所需功率非常低。与50Hz系统相比, 理论上讲, 0.1Hz系统要小500倍, 所以设备体积小、质量轻, 成本接近直流测试系统。

(2) 用于局部放电测量时, 可抑制50Hz交流的干扰。

(3) 由于原理和结构的原因, 目前0.l Hz超低频耐压装置的输出电压较低, 一般只应用于35k V及以下橡塑电缆和其他电容性电气设备的试验。

3 危险点分析及控制措施

(1) 首先要在拆、接试验接线前, 对被试设备充分放电, 避免伤人和影响试验数据。

(2) 测试前与检修负责人协调, 不允许有交又作业, 试验接线应正确、牢固, 试验人员应精力集中, 注意被试品应与其他设备有足够的安全距离, 必要时应加绝缘板等安全措施, 试验设备外壳应可靠接地。

4 试验前的准备工作

4.1 了解被试设备现场情况及试验条件

要充分了解相关技术数据和操作规程, 现场勘查要仔细, 要了解设备前期运行情况。

4.2 试验仪器与设备准备

选择合适的0.l Hz超低频耐压装置、测试线、温 (湿) 度计、放电棒、接地线, 梯子、安全带、安全帽、电工常用工具、试验临时安全遮栏、标示牌等, 并查阅测试仪器、设备及绝缘工器具的检定证书有效期。

4.3 办理工作票并做好试验现场安全和技术措施

必须明确人员分工及试验程序, 说明工作内容、带电部位、现场安全措施、现场作业危险点等。

5 现场试验步骤及要求

5.1 35kv及以下橡塑绝缘电缆0.1Hz试验电压及耐压时间

(1) 0.1Hz交流耐压试验电压峰值:3U0

(2) 耐压时间:60min

5.2 试验接线

0.l Hz超低频电缆耐压试验接线如下图所示

在试验时, 控制箱、高压箱、分压器和被试品非加压部分接地。高压输出端接被试品试验部位, 控制箱输出电缆与高压箱连接, 分压器高压端与高压箱高压输出端连接, 信号端与控制箱连接。

5.3 试验步骤

(1) 对被试品进行充分放电, 拆除被试品对外所有连接线。

(2) 用2500-10000v绝缘电阻表对被试品进行绝缘电阻试验。

(3) 按图进行接线, 仔细检查后, 通电, 设定好试验频率、时间和电压以及高压侧的过流保护值、过压保护值。

(4) 升压试验按升压要求操作, 要注意高压回路, 电缆是否有异声。升到试验电压时, 读取试验电压值, 注意记录时间。

(5) 试验结束要立即降压断电, 并对被试品进行充分放电。

(6) 重复上述步骤进行其他部位试验。

6 试验注意事项

(1) 绝缘电阻试验合格后, 方可进行低频耐压试验。

(2) 试验设备外壳和被试品非加压部分必须接地。

(3) 在升压和耐压过程中, 若有任何异常 (包括发现输出波形异常畸变, 而且电流异常增大, 电压不稳, 被试品发生异味、烟雾、异常响声或闪烙等现象) , 要立即停止试验, 并降压、断电, 查明原因。

7 试验结果分析及试验报告编写

7.1 试验结果分析

在试验中, 若一切正常, 说明被试品绝缘通过0.1Hz交流耐压试验, 耐压合格。

7.2 试验报告编写

试验报告填写应包括试验时间、试验人员、天气情况、环境温度、湿度、使用地点、被试品参数、试验结果、试验结论、试验性质 (交接试验、预防性试验、检查、施行状态检修的应填明例行试验戓诊断试验) 、绝缘电阻表的型号、出厂编号, 备注栏写明其他需要注意的内容, 如是否拆除引线等。

摘要：0.1Hz超低频耐压试验仍属于交流耐压试验, 可以有效地发现容性设备存在的缺陷, 实践证明使用超低频时电缆的击穿电压与使用工频交流所得到的电压值是相当的。

关键词：试验目的,特点,危险点,试验准备,试验步骤,注意事项,结果分析

参考文献

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