【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 繩等材料，外面再包纏內(nèi)襯層將線(xiàn)芯固定，最后 再擠壓上外護(hù)套層。此種電纜的外護(hù)套有三種形式：無(wú)鎧裝、內(nèi)鋼帶或內(nèi)鋼絲鎧裝、裸鋼絲鎧裝。 聚氯乙烯電纜有如下特點(diǎn)： （ 1）具有良好的電氣性能，耐油、耐燃，價(jià)格便宜。 （ 2）化學(xué)性能穩(wěn)定，安裝維護(hù)方便。 （ 3）介質(zhì)損失大，且溫度升高時(shí)其電氣性能和機(jī)械性能明顯下降，因此限制其使用電壓在 6KV 及以下電壓 等級(jí)，且運(yùn)行溫度不得超過(guò) 65KV。 交聯(lián)聚乙烯電纜 交聯(lián)聚乙烯電纜的結(jié)構(gòu)與聚乙烯電纜基本相同，它是在電纜線(xiàn)芯上先擠包一層1mm 厚的半導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯，在絕緣層外面也要包一層半導(dǎo)體丁基橡膠或擠包一層半導(dǎo)體 層，半導(dǎo)體層外再包一層 厚的鋼帶。成纜時(shí)線(xiàn)間的空隙也用填料填充使其成圓形，再纏內(nèi)襯層將三芯固定，最后再擠壓外護(hù)套進(jìn)行鎧裝。 交聯(lián)聚乙烯電纜具有如下特點(diǎn)： （ 1）耐熱性能和絕緣性能好，載流量大。 （ 2）重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。 （ 3）線(xiàn)芯分相屏蔽，不容易發(fā)生相間短路事故。但其價(jià)格較貴，成本較高。 [4][5][7] 電力電纜故障分類(lèi) 電力電纜經(jīng)過(guò)敷設(shè)和長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行使用，可能會(huì)發(fā)生故障，影響電力網(wǎng)的安全運(yùn)行。必須及時(shí)分清故障原因，準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)，從而消除 故障。了解電纜的故障原因及故障類(lèi)型，對(duì)于快速 的 定出故障點(diǎn)十分重要。 電力電纜故障的原因是多方面的，大致可分為以下幾種： [8] (1)機(jī)械損傷。機(jī)械損傷引起的電纜故障占電纜故障事故的比例較大。例如在安裝過(guò)程中，不小心碰傷電纜；機(jī)械牽引力過(guò)大而拉傷電纜；或電纜過(guò)度彎曲而損傷電纜，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后就有可能發(fā)展成故障。 (2)電纜絕緣的破壞。電纜絕緣的破壞是故障產(chǎn)生的主要原因，特別是塑料絕緣的電力電纜，絕緣在長(zhǎng)期電場(chǎng)的作用下，就會(huì)發(fā)生樹(shù)枝化放電，使絕緣降解破壞，造成貫 14 穿擊穿。 電纜密封不 嚴(yán)，絕緣層進(jìn)入水分而受潮，使電纜絕緣性能下降，甚至造成樹(shù)枝狀放電或直接貫穿性擊穿，導(dǎo)致電纜出現(xiàn)故障。另外，在大氣過(guò)電壓和電力系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓的作用下，使電纜絕緣層擊穿，形成故障，這種情形下?lián)舸c(diǎn)一般是由于存在材料缺陷。 (3)護(hù)層的腐蝕。由于地下酸堿腐蝕、雜散電流的影響，使電纜鉛包外皮受到腐蝕出現(xiàn)麻點(diǎn)、開(kāi)裂 或穿孔，致使水分進(jìn)入電纜也可以造成故障。 電力電纜故障的分類(lèi)方法比較多，通常有以下幾種方法： (1)從故障形式上可分為串聯(lián)與并聯(lián)故障。串聯(lián)故障是指電纜一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體 (包括鉛、鋁外 皮 )斷開(kāi)；并聯(lián)故障是指導(dǎo)體對(duì)外皮或?qū)w之間的絕緣下降，而不能承受正常運(yùn)行電壓。導(dǎo)體斷路往往是電纜故障電流過(guò)大而燒斷的，這種故障一般伴有并聯(lián)接地或相間絕緣下降的情況。實(shí)際發(fā)生的故障絕大部分是單相對(duì)地絕緣下降故障。電纜故障點(diǎn)可用 圖 21 所示 的電路來(lái)等效。 Rf 代表故障點(diǎn)處絕緣電阻， G 是擊穿電壓為 Ug的擊穿間隙， Cf 代表局部分布電容，上述 3 個(gè)數(shù)值隨不同的故障情況變化很大，并且相互之問(wèn)并沒(méi)有必然的聯(lián)系。 間隙擊穿電壓 Ug的大小取決于放電通道的距 離，電阻 R 的大小取決于電纜介質(zhì)的碳化程度，電容 C 的大小取決于電纜絕緣材料的 性質(zhì)和故障點(diǎn)受潮的程度，數(shù)值很小，一般可忽略。 15 圖 21 電纜故障等效電路圖 [8] (2)根據(jù)故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為開(kāi)路、低阻、高阻與閃絡(luò)性故障。①開(kāi)路 (斷路 )故障：電纜的各線(xiàn)芯絕緣良好，但有一芯或數(shù)芯導(dǎo)體斷開(kāi)。具體表現(xiàn)為電纜相間或相對(duì)地絕緣電阻達(dá)到所要求的范圍值，但工作電壓不能傳送到終端，或終端有電壓，但負(fù)載能力很差 (低壓脈沖測(cè)試時(shí)，故障有反射且反射波與發(fā)射波同相 )。②低阻絕緣故障：按照過(guò)去工程慣例，凡是電纜故障點(diǎn)的殘余絕緣電阻小于 10 倍電纜特性阻抗的電纜絕緣 故障稱(chēng)為低阻絕緣故障。有時(shí)把故障點(diǎn)殘余絕緣電阻接近零的故障稱(chēng)為短路故障 (低壓脈沖測(cè)試時(shí)，故障有反射且反射波與發(fā)射波反相 )。③高阻故障：按照過(guò)去工程慣例，把電纜故障點(diǎn)的殘余絕緣電阻大于 10倍電纜特性阻抗的故障均稱(chēng)為高阻故障 (低壓脈沖測(cè)試時(shí)反射不明顯 )。④閃絡(luò)性故障：試驗(yàn)電壓升至某值時(shí)，泄漏電流突然升高，監(jiān)視泄漏電流的表針間歇性擺動(dòng)。電壓稍下降時(shí)，此現(xiàn)象消失，但電纜絕緣仍有極高的阻值。閃絡(luò)性故障多是在進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)發(fā)生，并多出現(xiàn)于電纜中間接頭或終端頭內(nèi)。 絕緣老化的原因及類(lèi)型 對(duì)于固體絕緣材料在使用一 定的年限以后，絕緣性能都會(huì)呈現(xiàn)一定程度的劣化，這被稱(chēng)為“絕緣老化”。這些損壞和劣化主要是由于機(jī)械力的作用、熱的作用、電場(chǎng)的 作用、化學(xué)腐蝕等因素綜合作用產(chǎn)生的。由于絕緣層的介質(zhì)損耗，可能造成電纜過(guò)熱，進(jìn)而加速了絕緣層老化。電纜過(guò)負(fù)荷或散熱不良，安裝于電纜密集區(qū)、電纜溝及電纜隧道等通風(fēng)不良處的電纜，穿在干燥管中的電纜以及與熱力管道接近的電纜，都會(huì)因過(guò)熱而使絕緣加速老化。絕緣材料老化的表現(xiàn)主要有絕緣電阻下降、介質(zhì)損耗增大等，對(duì)老化了的絕緣材料進(jìn)行顯微觀察，可以發(fā)現(xiàn)樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)存在。 絕緣材料的老化原因是多樣的、復(fù) 雜的，最具代表性的主要有 :熱老化、機(jī)械老化、電壓老化等。 [9] 熱老化 熱老化指的是絕緣介質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)在熱量的作用下發(fā)生變化，使得絕緣性能下降的現(xiàn)象。熱老化的本質(zhì)是絕緣材料在熱量的影響下發(fā)生了化學(xué)變化，所以熱老化也被稱(chēng)為化學(xué)老化。一般情況下，化學(xué)反應(yīng)的速度隨著環(huán)境溫度的升高而加快。用于絕緣的高分子有機(jī)材料會(huì)在熱的長(zhǎng)期作用下發(fā)生熱降解，主要是氧化反應(yīng)，這種反應(yīng)也被稱(chēng)為自氧化游離基連鎖反應(yīng)，如聚乙烯的氧化反應(yīng)就是從 CH 鍵中 H 的脫離開(kāi)始的。 16 熱老化使得絕緣材料的電氣和機(jī)械性能同時(shí)產(chǎn)生劣化，絕緣壽命減 少，但是最顯著的表現(xiàn)還是材料的伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度等機(jī)械特性的變化。例如 ,XLPE 材料被認(rèn)為當(dāng)拉伸率從初始的 400%～ 600%降低到 100%時(shí)壽命終止。 [9] 一般地區(qū)，大氣的溫度對(duì)熱老化的作用不明顯，炎熱高溫的地區(qū)作用相對(duì)大些，但不是主要因素，熱老化主要是電力設(shè)備自身產(chǎn)生的比較大的熱量所致，如電能損耗、局部放電等引起的較大的溫升。為了防止絕緣材料被氧化，減緩連鎖反應(yīng)的速度，一般都是采用添加抗氧化劑的方法。聚乙烯的抗氧化劑常使用苯酚系化合物，其主要作用是提供 H，與氧化老化連鎖反應(yīng)中產(chǎn)生的 ROO 結(jié)合，以阻止連鎖反 應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。 大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累表明絕緣材料的熱老化壽命與溫度的關(guān)系服從 Arrhenius 定律，即式 : （ ） f(T):表示老化狀態(tài)的物理量 ； EA:引起老化所必須的能量； T:熱力學(xué)溫度； fC, k:常數(shù)，式中 ,fC, k 和 k 由材料的特性決定。由上式可以看出 T 越高，對(duì)材料的絕緣要求也越高，相同絕緣材料的使用壽命成指數(shù)下降。 熱氧化老化是熱和空氣中氧長(zhǎng)期聯(lián)合作 用所引起的一種老化形式。由于應(yīng)用中的絕緣材料大部分都是要和空氣接觸 (空氣中氧對(duì)氧化機(jī)理有很大影響 )，熱氧化老化是有機(jī)絕緣材料老化的一種主要形式，習(xí)慣上又稱(chēng)為熱老化。 機(jī)械老化 機(jī)械老化是固體絕緣系統(tǒng)在生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行過(guò)程中受到各種機(jī)械應(yīng)力的作用發(fā)生的老化。這種老化主要是絕緣材料在機(jī)械應(yīng)力作用下產(chǎn)生微觀的缺陷，這些微小的缺陷隨著時(shí)間的流逝和機(jī)械應(yīng)力的持續(xù)作用慢慢惡化，形成微小裂縫并逐 漸擴(kuò)大，直至引起局部放電等破壞絕緣的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也被稱(chēng)為“電 機(jī)械擊穿” 。它對(duì)絕緣老化的速度有很大的影響。 電老化 電老化指的是在電場(chǎng)長(zhǎng)期作用下，電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)中發(fā)生的老化。電老化機(jī)理很復(fù)雜，它包含因?yàn)榻^緣擊穿產(chǎn)生的放電引起的一系列物理和化學(xué)效應(yīng)。一般可以用絕緣材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)表示絕緣材料耐強(qiáng)電場(chǎng)的性能。各種高分子材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)都在 MV/cm 的數(shù)量級(jí)。但是，實(shí)際中絕緣材料的絕緣擊穿強(qiáng)度比本征擊穿強(qiáng)度要小很多。這其中的原因是多種的，比如厚度效應(yīng)、雜質(zhì)的混入、制造時(shí)產(chǎn)生的氣孔、材料的不均勻形成的凸起產(chǎn)生的電極效應(yīng)等等?？傊菊鲹舸?qiáng)度表征的是理想情況下材料的擊( ) e xp( )Ac Ef T f kT?? 17 穿場(chǎng)強(qiáng)。 [9] 固體絕緣材料的絕緣擊穿機(jī) 理主要有以下兩種理論 : (1).達(dá)到一定電場(chǎng)時(shí)，電子數(shù)量急劇增加，使得絕緣材料遭到擊穿破壞，由于擊穿破壞的主要原因是電子，因而稱(chēng)為“電擊穿” ； (2).在絕緣體上加上電壓后，有微電流通過(guò)，由這一電流產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致材料擊穿破壞， 這被稱(chēng)為“熱擊穿”。 此外，還有上文提到的“電 — 機(jī)械擊穿”，也是原因之一。 和熱老化壽命類(lèi)似，絕緣材料的電老化壽命 t與電場(chǎng)強(qiáng)度 E的關(guān)系滿(mǎn)足“ n次方法則”，如式 2. 2 所示： （ ） 前已提及，介質(zhì)電老化的主要原因是介質(zhì)中的局部放電。固體介質(zhì)耐受局部放電的性能是有差別的，例如有機(jī)高分子聚合材料的短時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高，但因耐受局部放電的性能差，因此長(zhǎng)時(shí)間擊穿場(chǎng)強(qiáng)并不高。在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)必須將工作場(chǎng)強(qiáng)選得比局部放電起始場(chǎng)強(qiáng)低，以保證電氣設(shè)備有足夠長(zhǎng)的壽命。 其它類(lèi)型 其它類(lèi)型還包括光氧化，臭氧氧化，生物氧化，高能輻射氧化等。 當(dāng)然絕緣老化是電場(chǎng)、熱、機(jī)械力、環(huán)境 (水分、陽(yáng)光等 )等眾多因素綜合作用的結(jié)果，是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，在推算絕緣材 料使用壽命時(shí)應(yīng)該盡量綜合以上因素考慮。 絕緣介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的 特性 絕緣介質(zhì)在電場(chǎng)作用下， 會(huì)呈現(xiàn)出極化、電導(dǎo)、損耗等其它重要特性。 任何不同的絕緣材料，都可以認(rèn)為是置于電極之間的電介質(zhì)，并呈現(xiàn)電介質(zhì)的特性，極化現(xiàn)象就是其一。極化是指置于電場(chǎng)中的電介質(zhì)，沿著電場(chǎng)方向產(chǎn)生偶極矩、在電介質(zhì)表面產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。根據(jù)形成極化機(jī)理的不同，介質(zhì)極化可以分為以下四種 : （ 1）電子和離子的位移極化；（ 2） 熱離子位移極化 ；（ 3） 偶極子極化 ；（ 4） 夾層極化 。 電導(dǎo) 對(duì)于理想絕緣介質(zhì)而言，不 含任何自由的帶電粒子，電導(dǎo)率 ζ 等于 0，介質(zhì)是不導(dǎo)電的。但是實(shí)際上， ζ 總會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)很小的值，就是說(shuō)，介質(zhì)中有少量自由的帶電粒子* nt k E?? 18 存在。帶電粒子在電場(chǎng)的作用下會(huì)定向運(yùn)動(dòng)，形成微弱的電流，這就是平時(shí)所說(shuō) 的 絕緣漏電流。 介質(zhì)中的載流子一般是自由離子，它們來(lái)源于介質(zhì)本身，也有的來(lái)自外部雜質(zhì)。外部溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)就越劇烈，對(duì)自由離子的約束也越小，形成的電導(dǎo)電流越大，這一點(diǎn)和金屬的導(dǎo)電特性是完全相反的。此外，介質(zhì)在外加高壓電場(chǎng)的作用下，會(huì)形成一定程度的電離，使得載流子數(shù)目增多， ζ 下降。當(dāng)然，介質(zhì)受潮后 ζ 也會(huì)下降。 表征 電導(dǎo)的參數(shù)是電導(dǎo)率 γ，在高電壓工程中一般常用電阻率 ρ（ ρ=1/γ）來(lái)表征介質(zhì)的絕緣電阻。電介質(zhì)電導(dǎo)主要是離子電導(dǎo)，其電導(dǎo)隨溫度的變化規(guī)律與屬于電子電導(dǎo)的金屬材料是相反的。 損耗 絕緣介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生電能的損耗，這些損耗主要來(lái)自以下三個(gè)方面 ：（ 1）電導(dǎo)損耗 ；（ 2） 極化損耗 ；（ 3） 游離損耗 。 [9] 如 圖 22 所示， 介質(zhì)兩端施加交流電壓 U 時(shí)，由于介質(zhì)中有損耗，所以電流 I 不是電容電流，而是包含有有功和無(wú)功兩個(gè)分量 Ir 和 Ic。 圖 22 介質(zhì)在交流電壓作用下的電流相量圖 由 圖 23 所示，介質(zhì)在交流電壓作用下的功率三角形可見(jiàn)，介質(zhì)損耗 P=Qtanδ=U2ωCtanδ （ ） 19 圖 23 介質(zhì)在交流電壓作用下的功率三角形 用介質(zhì)損耗 P 表示介質(zhì)品質(zhì)好壞是不便的，因此 P 值和試驗(yàn)電壓、試品電容量等因素有關(guān)，不同試品間難以相互比較，所以改用介質(zhì)損失角的正切 tanδ（介質(zhì)損失角 δ 是功率因數(shù)角 θ 的余角）來(lái)判斷介質(zhì)的品質(zhì)。 tanδ 同 εr 一樣，是僅取決于材料的特 性而與材料的尺寸無(wú)關(guān)的物理量。 有損介質(zhì)可用電阻、電容的串聯(lián)或并聯(lián)等效電路來(lái)表示。如果損耗主要是電導(dǎo)引起的，則常用并聯(lián)等效電路；如果損耗主要由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線(xiàn)的電阻等引起，則常用串聯(lián)等效電路。 絕緣介質(zhì)的吸收現(xiàn)象 許多電氣設(shè)備的絕緣都是多層的，多層介質(zhì)的特性可以粗略地用雙層介質(zhì)來(lái)分析，如下圖 24所示。 圖 24（ a） 雙層介質(zhì)的等效電路 圖 24(b) 吸收曲線(xiàn) C C2介質(zhì) 2 的等效電容 20 R R2介質(zhì) 2 的絕緣 電阻 當(dāng)開(kāi)關(guān) Q 合上，直流電壓加到絕緣介質(zhì)上后，電流表 A 的讀數(shù)變化 如圖 24(b)中曲線(xiàn)所示。 直流電壓加上瞬間，電流很大，回路電流主要由電容電流分量組成。而加壓時(shí)間很久之后，電容 C1 和 C2 相當(dāng)于開(kāi)路，回路電流為泄露電流 Ig，此時(shí) Ig 取決于絕緣電阻R1 與 R2 之和，這就出現(xiàn)了由最初的電容電流到最終的泄露電流之間的過(guò)渡過(guò)程。當(dāng)試品電容量較大時(shí)，這一過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得很慢，