高壓電纜分析
| 簡(jiǎn)介： 按照故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分類大致分為以下幾類：廠家制造原因、施工質(zhì)量原因、設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)原因、外力破壞四大類。制作電纜頭應(yīng)用的材料分析及改善電場(chǎng)分布的措施。 關(guān)鍵字：電場(chǎng)應(yīng)力、電纜終端頭 一、高壓電纜故障分析 按照故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分類大致分為以下幾類：廠家制造原因、施工質(zhì)量原因、設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)原因、外力破壞四大類。下面進(jìn)行分類介紹： 1、廠家制造原因 廠家制造原因根據(jù)發(fā)生部位不同，又分為電纜本體原因、電纜接頭原因、電纜接地系統(tǒng)原因三類。 1.1電纜本體制造原因 一般在電纜生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題有絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻、絕緣內(nèi)有雜質(zhì)、內(nèi)外屏蔽有突起、交聯(lián)度不均勻、電纜受潮、電纜金屬護(hù)套密封不良等，有些情況比較嚴(yán)重可能在竣工試驗(yàn)中或投運(yùn)后不久出現(xiàn)故障，大部分在電纜系統(tǒng)中以缺陷形式存在，對(duì)電纜長(zhǎng)期安全運(yùn)行造成嚴(yán)重隱患。 1.2電纜接頭制造原因 高壓電纜接頭以前用繞包型、模鑄型、模塑型等類型，需要現(xiàn)場(chǎng)制作的工作量大，并且因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)條件的限制和制作工藝的原因，絕緣帶層間不可避免地會(huì)有氣隙和雜質(zhì)，所以容易發(fā)生問(wèn)題?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)普遍采用的型式是組裝型和預(yù)制型。 電纜接頭分為電纜終端接頭和電纜中間接頭，不管什么接頭形式，電纜接頭故障一般都出現(xiàn)在電纜絕緣屏蔽斷口處，因?yàn)檫@里是電應(yīng)力集中的部位，因制造原因?qū)е码娎|接頭故障的原因有應(yīng)力錐本體制造缺陷、絕緣填充劑問(wèn)題、密封圈漏油等原因。 1.3電纜接地系統(tǒng) 電纜接地系統(tǒng)包括電纜接地箱、電纜接地保護(hù)箱（帶護(hù)層保護(hù)器）、電纜交叉互聯(lián)箱、護(hù)層保護(hù)器等部分。一般容易發(fā)生的問(wèn)題主要是因?yàn)橄潴w密封不好進(jìn)水導(dǎo)致多點(diǎn)接地，引起金屬護(hù)層感應(yīng)電流過(guò)大。另外護(hù)層保護(hù)器參數(shù)選取不合理或質(zhì)量不好氧化鋅晶體不穩(wěn)定也容易引發(fā)護(hù)層保護(hù)器損壞。 2、施工質(zhì)量原因 因?yàn)槭┕べ|(zhì)量導(dǎo)致高壓電纜系統(tǒng)故障的事例很多，主要原因有以下幾個(gè)方面：一是現(xiàn)場(chǎng)條件比較差，電纜和接頭在工廠制造時(shí)環(huán)境和工藝要求都很高，而施工現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度、灰塵都不好控制。二是電纜施工過(guò)程中在絕緣表面難免會(huì)留下細(xì)小的滑痕，半導(dǎo)電顆粒和砂布上的沙粒也有可能嵌入絕緣中，另外接頭施工過(guò)程中由于絕緣暴露在空氣中，絕緣中也會(huì)吸入水分，這些都給長(zhǎng)期安全運(yùn)行留下隱患。三是安裝時(shí)沒(méi)有嚴(yán)格按照工藝施工或工藝規(guī)定沒(méi)有考慮到可能出現(xiàn)的問(wèn)題。四是竣工驗(yàn)收采用直流耐壓試驗(yàn)造成接頭內(nèi)形成反電場(chǎng)導(dǎo)致絕緣破壞。五是因密封處理不善導(dǎo)致。中間接頭必須采用金屬銅外殼外加PE或PVC絕緣防腐層的密封結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)施工中保證鉛封的密實(shí)，這樣有效的保證了接頭的密封防水性能。 3、設(shè)計(jì)原因 因電纜受熱膨脹導(dǎo)致的電纜擠傷導(dǎo)致?lián)舸?。交?lián)電纜負(fù)荷高時(shí)，線芯溫度升高，電纜受熱膨脹，在隧道內(nèi)轉(zhuǎn)彎處電纜頂在支架立面上，長(zhǎng)期大負(fù)荷運(yùn)行電纜蠕動(dòng)力量很大，導(dǎo)致支架立面壓破電纜外護(hù)套、金屬護(hù)套，擠入電纜絕緣層導(dǎo)致電纜擊穿。 二、高壓電纜頭制作技術(shù) 1、高壓電纜頭的基本要求 電纜終端頭是將電纜與其他電氣設(shè)備連接的部件，電纜中間頭是將兩根電纜連接起來(lái)的部件，電纜終端頭與中間頭統(tǒng)稱為電纜附件。電纜附件應(yīng)與電纜本體一樣能長(zhǎng)期安全運(yùn)行，并具有與電纜相同的使用壽命。良好的電纜附件應(yīng)具有以下性能： 線芯聯(lián)接好: 主要是聯(lián)接電阻小而且聯(lián)接穩(wěn)定，能經(jīng)受起故障電流的沖擊；長(zhǎng)期運(yùn)行后其接觸電阻不應(yīng)大于電纜線芯本體同長(zhǎng)度電阻的1.2倍；應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、耐振動(dòng)、耐腐蝕性能；此外還應(yīng)體積小、成本低、便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。 絕緣性能好: 電纜附件的絕緣性能應(yīng)不低于電纜本體，所用絕緣材料的介質(zhì)損耗要低，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)對(duì)電纜附件中電場(chǎng)的突變能完善處理，有改變電場(chǎng)分布的措施。 2、電場(chǎng)分布原理 高壓電纜每一相線芯外均有一接地的（銅）屏蔽層，導(dǎo)電線芯與屏蔽層之間形成徑向分布的電場(chǎng)。也就是說(shuō)，正常電纜的電場(chǎng)只有從（銅）導(dǎo)線沿半徑向（銅）屏蔽層的電力線，沒(méi)有芯線軸向的電場(chǎng)（電力線），電場(chǎng)分布是均勻的。 在做電纜頭時(shí)，剝?nèi)チ似帘螌樱淖兞穗娎|原有的電場(chǎng)分布，將產(chǎn)生對(duì)絕緣極為不利的切向電場(chǎng)（沿導(dǎo)線軸向的電力線）。在剝?nèi)テ帘螌有揪€的電力線向屏蔽層斷口處集中。那么在屏蔽層斷口處就是電纜最容易擊穿的部位。電纜最容易擊穿的屏蔽層斷口處，我們采取分散這集中的電力線（電應(yīng)力），用介電常數(shù)為20~30，體積電阻率為108~1012Ω•cm 材料制作的電應(yīng)力控制管（簡(jiǎn)稱應(yīng)力管），套在屏蔽層斷口處，以分散斷口處的電場(chǎng)應(yīng)力（電力線），保證電纜能可靠運(yùn)行。 要使電纜可靠運(yùn)行，電纜頭制作中應(yīng)力管非常重要，而應(yīng)力管是在不破壞主絕緣層的基礎(chǔ)上，才能達(dá)到分散電應(yīng)力的效果。在電纜本體中，芯線外表面不可能是標(biāo)準(zhǔn)圓，芯線對(duì)屏蔽層的距離會(huì)不相等，根據(jù)電場(chǎng)原理，電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)有大小，這對(duì)電纜絕緣也是不利的。為盡量使電纜內(nèi)部電場(chǎng)均勻，芯線外有一外表面圓形的半導(dǎo)體層，使主絕緣層的厚度基本相等，達(dá)到電場(chǎng)均勻分布的目的。 在主絕緣層外，銅屏蔽層內(nèi)的外半導(dǎo)體層，同樣也是消除銅屏蔽層不平，防止電場(chǎng)不均勻而設(shè)置的。 為盡量使電纜在屏蔽層斷口處電場(chǎng)應(yīng)力分散，應(yīng)力管與銅屏蔽層的接觸長(zhǎng)度要求不小于20mm，短了會(huì)使應(yīng)力管的接觸面不足，應(yīng)力管上的電力線會(huì)傳導(dǎo)不足（因?yàn)閼?yīng)力管長(zhǎng)度是一定的），長(zhǎng)了會(huì)使電場(chǎng)分散區(qū)（段）減小，電場(chǎng)分散不足。一般在20~25mm左右。 在做中間接頭時(shí)，必須把主絕緣層也剝?nèi)ヒ徊糠?，芯線用銅接管壓接后，用填料包平（圓）。有二種制作方法： 熱縮套管: 用熱縮材料制作的主絕緣套管縮住，主絕緣套管外縮半導(dǎo)體管，再包金屬屏蔽層，最后外護(hù)套管。 預(yù)制式附件: 所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠。為中空的圓柱體，內(nèi)孔壁是半導(dǎo)體層，半導(dǎo)體層外是主絕緣材料。 預(yù)制式安裝要求比熱縮的高，難度大。管式預(yù)制件的孔徑比電纜主絕緣層外徑小2~5mm。中間接頭預(yù)制管要兩頭都套在電纜的主絕緣層外，各與主絕緣層連接長(zhǎng)度不小于10mm。電纜主絕緣頭上不必削鉛筆頭（在電纜芯線上盡量留半導(dǎo)體層）。 銅接管表面要處理光滑，包適量填料。 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：附件的尺寸與待安裝的電纜的尺寸配合要符合規(guī)定的要求。另外也需采用硅脂潤(rùn)滑界面，以便于安裝,同時(shí)填充界面的氣隙，消除電暈。預(yù)制附件一般靠自身橡膠彈力可以具有一定密封作用，有時(shí)可采用密封膠及彈性?shī)A具增強(qiáng)密封。預(yù)制管外面同熱縮的一樣，半導(dǎo)體層和銅屏蔽層，最外面是外護(hù)層。 3、電纜終端電應(yīng)力控制方法 電應(yīng)力控制是中高壓電纜附件設(shè)計(jì)中的極為重要的部分。電應(yīng)力控制是對(duì)電纜附件內(nèi)部的電場(chǎng)分布和電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)行控制，也就是采取適當(dāng)?shù)拇胧?，使得電?chǎng)分布和電場(chǎng)強(qiáng)度處于******狀態(tài)，從而提高電纜附件運(yùn)行的可靠性和使用壽命。 對(duì)于電纜終端而言，電場(chǎng)畸變最為嚴(yán)重，影響終端運(yùn)行可靠性******的是電纜外屏蔽切斷處，而電纜中間接頭電場(chǎng)畸變的影響，除了電纜外屏蔽切斷處，還有電纜末端絕緣切斷處。為了改善電纜絕緣屏蔽層切斷處的電應(yīng)力分布，一般采用以下幾種方法： 3.1 幾何形狀法 采用應(yīng)力錐緩解電場(chǎng)應(yīng)力集中： 應(yīng)力錐設(shè)計(jì)是常見(jiàn)的方法，從電氣的角度上來(lái)看也是最可靠的最有效的方法。應(yīng)力錐通過(guò)將絕緣屏蔽層的切斷處進(jìn)行延伸，使零電位形成喇叭狀，改善了絕緣屏蔽層的電場(chǎng)分布，降低了電暈產(chǎn)生的可能性，減少了絕緣的破壞，保證了電纜的運(yùn)行壽命。 采用應(yīng)力錐設(shè)計(jì)的電纜附件有繞包式終端、預(yù)制式終端、冷縮式終端。 3.2 參數(shù)控制法 采用高介電常數(shù)材料緩解電場(chǎng)應(yīng)力集中 高介電常數(shù)材料：采用應(yīng)力控制層---上世紀(jì)末國(guó)外開(kāi)發(fā)了適用于中壓電纜附件的所謂應(yīng)力控制層。其原理是采用合適的電氣參數(shù)的材料復(fù)合在電纜末端屏蔽切斷處的絕緣表面上，以改變絕緣表面的電位分布，從而達(dá)到改善電場(chǎng)的目的。另一方法是增大屏蔽末端絕緣表面電容（Cs)，從而降低這部分的容抗，也能使電位降下來(lái)，容抗減小會(huì)使表面電容電流增加，但不會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，由于電容正比于材料的介電常數(shù)，也就是說(shuō)要想增大表面電容，可以在電纜屏蔽末端絕緣表面附加一層高介電常數(shù)的材料。 目前應(yīng)力控制材料的產(chǎn)品已有熱縮應(yīng)力管、冷縮應(yīng)力管、應(yīng)力控制帶等等，一般這些應(yīng)力控制材料的介電常數(shù)都大于20，體積電阻率為108-1012Ω.cm。應(yīng)力控制材料的應(yīng)用，要兼顧應(yīng)力控制和體積電阻兩項(xiàng)技術(shù)要求。 雖然在理論上介電常數(shù)是越高越好，但是介電常數(shù)過(guò)大引起的電容電流也會(huì)產(chǎn)生熱量，促使應(yīng)力控制材料老化。同時(shí)應(yīng)力控制材料作為一種高分子多相結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，在材料本身配合上，介電常數(shù)與體積電阻率是一對(duì)矛盾，介電常數(shù)做得越高，體積電阻率相應(yīng)就會(huì)降低，并且材料電氣參數(shù)的穩(wěn)定性也常常受到各種因素的影響，在長(zhǎng)時(shí)間電場(chǎng)中運(yùn)行，溫度、外部環(huán)境變化都將使應(yīng)力控制材料老化，老化后的應(yīng)力控制材料的體積電阻率會(huì)發(fā)生很大的變化，體積電阻率變大，應(yīng)力控制材料成了絕緣材料，起不到改善電場(chǎng)的作用，體積電阻率變小，應(yīng)力控制材料成了導(dǎo)電材料，使電纜出現(xiàn)故障。這就是應(yīng)用應(yīng)力控制材料改善電場(chǎng)的熱縮式電纜附件為什么只能用于中壓電力電纜線路和熱縮式電纜附件經(jīng)常出現(xiàn)故障的原因所在，同樣采用冷縮應(yīng)力管和應(yīng)力控制帶的電纜附件也有類似問(wèn)題。 采用非線性電阻材料---非線性電阻材料（FSD）也是近期發(fā)展起來(lái)的一種新型材料，它利用材料本身電阻率與外施電場(chǎng)成非線性關(guān)系變化的特性，來(lái)解決電纜絕緣屏蔽切斷處電場(chǎng)集中分布的問(wèn)題。非線性電阻材料具有對(duì)不同的電壓有變化電阻值的特性。當(dāng)電壓很低的時(shí)候，呈現(xiàn)出較大的電阻性能；當(dāng)電壓很高的時(shí)候，呈現(xiàn)出較小的電阻性能。采用非線性電阻材料能夠生產(chǎn)出較短的應(yīng)力控制管，從而解決電纜采用高介電常數(shù)應(yīng)力控制管終端無(wú)法適用于小型開(kāi)關(guān)柜的問(wèn)題。 非線性電阻材料亦可制成非線性電阻片（應(yīng)力控制片），直接繞包在電纜絕緣屏蔽切斷處上，緩解這一點(diǎn)的應(yīng)力集中的問(wèn)題。 4、中低壓電纜附件主要種類 中低壓電纜附件目前使用得比較多的產(chǎn)品種類主要有熱收縮附件、預(yù)制式附件、冷縮式附件。它們分別有以下特點(diǎn)： 4.1 熱收縮附件 所用材料一般為以聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯（EVA）及乙丙橡膠等多種材料組分的共混物組成。該類產(chǎn)品主要采用應(yīng)力管處理電應(yīng)力集中問(wèn)題。亦即采用參數(shù)控制法緩解電場(chǎng)應(yīng)力集中。主要優(yōu)點(diǎn)是輕便、安裝容易、性能尚好，價(jià)格便宜。 應(yīng)力管是一種體積電阻率適中（1010-1012Ωcm），介電常數(shù)較大（20--25）的特殊電性參數(shù)的熱收縮管，利用電氣參數(shù)強(qiáng)迫電纜絕緣屏蔽斷口處的應(yīng)力疏散成沿應(yīng)力管較均勻的分布。這一技術(shù)一般用于35kV及以下電纜附件中。因?yàn)殡妷旱燃?jí)高時(shí)應(yīng)力管將發(fā)熱而不能可靠工作。 其使用中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是： 要保證應(yīng)力管的電性參數(shù)必須達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值方能可靠工作。另外要注意用硅脂填充電纜絕緣半導(dǎo)電層斷口出的氣隙以排除氣體，達(dá)到減小局部放電的目的。交聯(lián)電纜因內(nèi)應(yīng)力處理不良時(shí)在運(yùn)行中會(huì)發(fā)生較大收縮，因而在安裝附件時(shí)注意應(yīng)力管與絕緣屏蔽搭蓋不少于20mm，以防收縮時(shí)應(yīng)力管與絕緣屏蔽脫離。熱收縮附件因彈性較小，運(yùn)行中熱脹冷縮時(shí)可能使界面產(chǎn)生氣隙，因此密封技術(shù)很重要，以防止潮氣浸入。 4.2 預(yù)制式附件 所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠。主要采用幾何結(jié)構(gòu)法即應(yīng)力錐來(lái)處理應(yīng)力集中問(wèn)題。 其主要優(yōu)點(diǎn)是材料性能優(yōu)良，安裝更簡(jiǎn)便快捷，無(wú)需加熱即可安裝，彈性好，使得界面性能得到較大改善。是近年來(lái)中低壓以及高壓電纜采用的主要形式。存在的不足在于對(duì)電纜的絕緣層外徑尺寸要求高，通常的過(guò)盈量在2～5mm（即電纜絕緣外徑要大于電纜附件的內(nèi)孔直徑2～5mm），過(guò)盈量過(guò)小，電纜附件將出現(xiàn)故障；過(guò)盈量過(guò)大，電纜附件安裝非常困難（工藝要求高）。特別在中間接頭上問(wèn)題突出，安裝既不方便，又常常成為故障點(diǎn)。此外價(jià)格較貴。 其使用中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是： 附件的尺寸與待安裝的電纜的尺寸配合要符合規(guī)定的要求。另外也需采用硅脂潤(rùn)滑界面，以便于安裝,同時(shí)填充界面的氣隙。預(yù)制附件一般靠自身橡膠彈力可以具有一定密封作用，有時(shí)可采用密封膠及彈性?shī)A具增強(qiáng)密封。 4.3 冷縮式附件 所用材料一般為硅橡膠或乙丙橡膠。冷縮式附件一般采用幾何結(jié)構(gòu)法與參數(shù)控制法來(lái)處理電應(yīng)力集中問(wèn)題。幾何結(jié)構(gòu)法 |
