电力电缆的绝缘性能

电力电缆的绝缘性能

一、电力电缆绝缘层中的电场分布

1.单芯电缆绝缘层中电场的分布

任何导体在电压的作用下，均会在其周围产生一定的电场，其强度与电压的高低、电极的形式和电极间的介质等因素有关。在大多数情况下，电缆线芯和绝缘层表面具有均匀电场分布的屏蔽层，电缆的长度一般比它的直径大得多，边缘效应不予考虑。因此，单芯或分相屏蔽型圆形线芯电缆的电场均可看作同心圆柱体场。垂直于轴向的每个截面的电场分布均是一样的，由于截面为轴对称的缘故，这个平面电场分布仅与半径有关，经过数学推导，计算单芯电缆绝缘层内在距线芯中心点为r处的电场强度的公式为∶

式中   E——电场强度;

      R——绝缘层的外径，亦即绝缘屏蔽层的内径;

      Kc——导体屏蔽层的外径;

      U——电压。

2.多芯电缆绝缘层中电场的分布

多芯电缆绝缘层中电场的分布比较复杂，一般用模拟实验方法来确定，在此基础上再近似求最大电场强度。三芯电缆绝缘层中的电场可视为一平面场，外施三相平衡交流电压时，此电场为一随时间变化的旋转电场。由于三芯电缆电场的互相堆积作用，使电场的分布很不规则。当导体为圆形时，统包型电缆的最大电场强度在线芯中心连接线与线芯表面交点上。

3.集肤效应和邻近效应

导线中流过交流电时，电流在导体截面上分布是不均匀的，越接近表面电流密度越大。这种电流比较集中地分布在导体表面的现象称为集肤效应。集肤效应增加了导体的电阻，减小了内电感。

由于导体之间电磁场的相互作用影响了导体中传导电流分布的现象称为邻近效应。当导体截面较大、相距很近或频率很高时，需考虑邻近效应。

对于电缆线路来说，集肤效应和邻近效应的存在将使电缆线芯的交流电阻（也叫有效电阻）增大，从而使电缆的允许载流量减小。集肤效应系数的大小主要与线芯的结构有关，为了降低集肤效应，大截面电缆可采用分裂导体结构线芯。邻近效应系数的大小主要与线芯的直径和间距有关，为了降低邻近效应，可增加电缆间的距离，但必须结合电缆路径综合考虑。

二、电力电缆绝缘层厚度的确定

（1）工艺上允许的最小厚度。根据工厂制造工艺的可能性，绝缘层肯定有一个最小厚度。lkV及以下的电缆的绝缘厚度如果按电气计算结果是很小的，在工厂中无法生产，所以基本上是按工艺上规定的最小厚度来确定的。

（2）电缆在制造和敷设安装过程中承受的机械力。电缆在制造和敷设安装过程中，要受到拉力、压力、扭力等机械力的作用。1kV及以下的电缆，在确定绝缘厚度时，必须考虑其可能承受的各种机械力。同电压的较大截面低压电缆比较小截面低压电缆的厚度要大一些，原因就是前者所受的机械力比后者大。当满足了所承受的机械力的绝缘厚度，其绝缘击穿强度的安全裕度是足够的。

（3）电缆绝缘材料的击穿强度。6kV及以上电压等级的电缆，决定绝缘厚度的主要因素是所用绝缘材料的电气性能，特别是绝缘材料的击穿强度。

三、物理因子对电缆绝缘性能的影响

1.油浸纸绝缘击穿机理

油浸纸绝缘电缆的外面有铅包或铝包金属护套，浸渍剂的体积膨胀系数为铅或铝金属固体材料的十几倍。随着电缆运行温度上升时，电缆各组成部分发生热膨胀。由于浸渍剂的膨胀系数较大，金属护套必然受到浸渍剂的膨胀压力而胀大，而当电缆温度下降时，浸渍剂会收缩，由于金属护套的塑性变形不可逆变，因此在金属护套内部的绝缘层中就会形成气隙。气隙一般分布在绝缘层的内层、靠近线芯表面，因为在电缆冷却时，热量首先从电缆绝缘最外层散出，这时绝缘内层温度相对较高，黏度较低的浸渍剂向外层流动来补偿外层浸渍剂的体积收缩，因此在绝缘外层形成气隙的可能性较小。当绝缘内层也开始冷却时，此时浸渍剂的黏度已经较高，流动性减小，浸渍剂由于体积收缩而得到补偿的机会也越小，越往线芯方向，则这种现象越严重。所以说越靠近线芯形成气隙的可能性越大，而最终形成的气隙量也最大。

2.交联聚乙烯绝缘击穿机理

经过大量的试验研究和数十年交联聚乙烯绝缘电缆的运行，都已经证明树枝老化是导致交联聚乙烯绝缘发生击穿的主要原因。树枝可以分为三种类型。

（1）水树枝。这是交联聚乙烯绝缘最常见也是最多的一种树枝现象，它是在交联聚乙烯绝缘电缆进水受潮的情况下，由于电场和温度的作用而使绝缘内形成树枝状老化现象。水树枝现象在较低的电场作用下即可发生，其特点为树枝内凝聚有水分，树枝密集而且大多不连续。电场使水分不断迁移，树枝不断生长，最终导致电缆击穿。

（2）电树枝。存在于导体表面的毛刺和突起、绝缘层中的杂质等形成绝缘层中电场分布畸变，场强高度集中引发局部放电，导致绝缘成树枝状老化现象。其特点为树枝内无水分，树枝连续和清晰。电树枝导致电缆击穿要比水树枝快得多。

（3）电化树枝。交联聚乙烯电缆在长期运行过程中，周围的化学溶液渗入电缆内部，与金属发生化学反应并形成有腐蚀性的硫化物，最终在电场作用下伸入绝缘内而形成电化树枝。这种树枝与水树枝一样可以在较低的场强下产生。其特点为树枝呈棕褐色，分支少且较粗。

3.温度对绝缘性能的影响

一般随着温度升高，电缆绝缘材料性能，如绝缘电阻、击穿场强等，均呈明显下降趋势。为防止电缆绝缘加速老化或发生热击穿，电缆的运行温度必须控制在绝缘材料所允许的最高工作温度以下。

4.水分对绝缘性能的影响

电缆绝缘中含有水分，无论是油纸绝缘还是挤包绝缘，都会对绝缘性能产生不良影响。水分会使油纸绝缘的电气性能明显降低。含水率大，会使油纸绝缘击穿电压下降，会使电缆纸损耗角正切值增大，体积电阻率下降。电缆纸含水，其机械性能也有明显变化，抗拉断强度下降。水分的存在，还可使铜导体对电缆油的催化活性提高，从而加速绝缘油老化过程的氧化反应。

挤包绝缘中如果渗入了水分，在电场作用下会引发树枝状物质——水树枝。水树枝逐渐向绝缘内部伸展，导致挤包绝缘加速老化直至击穿。当导体表面含有水分时，由于温度较高的缘故，由此引发的水树枝对挤包绝缘产生的加速老化过程要更快些。

5.气隙、杂质的影响

如果电缆绝缘中含有气隙，由于气隙的相对介电常数远小于电缆绝缘的相对介电常数，在工频电场的作用之下，气隙承受的电压降要远大于附近绝缘中的电压降，即承受较大的电场强度，而气隙的击穿强度比电缆绝缘的击穿强度小很多，就会造成气隙的击穿，也就是局部放电，随着气隙的多次击穿，气隙会不断扩大，放电量逐渐增加，直至发生电击穿或热击穿而损坏电缆。

杂质的击穿强度比绝缘的击穿强度小得多，如果电缆中含有微量的杂质，在电场的作用下，杂质首先发生击穿，随着杂质的炭化和气化，会在绝缘中生成气隙，引发局部放电，最终导致电缆损坏。如果电缆中含有大量的杂质，在电场的作用下会直接导致电击穿而损坏电缆。

四、电力电缆局部放电及击穿机理

1.局部放电及击穿机理

电力电缆绝缘中部分被击穿的电气放电，可以发生在导体附近，也可以发生在绝缘层中的其他地方，称为局部放电。由于局部放电的开始阶段能量小，它的放电并不立即引起绝缘击穿，电极之间尚未发生放电的完好绝缘仍可承受住设备的运行电压。但在长时间运行电压下，局部放电所引起的绝缘损坏继续发展，导致热击穿或电击穿，最终导致绝缘事故发生。

电力电缆绝缘内部由于各种原因，存在一些气隙、杂质突起和导体的毛刺等。这些气隙、杂质、内外屏蔽的突起、导体的毛刺等，就是发生局部放电的根源。

2.电缆附件安装中容易引起局部放电的注意事项

（1）安装环境要保持清洁，防止灰尘等杂质落入电缆绝缘外表面或应力控制管和应力锥的内表面而引起局部放电。

（2）电缆绝缘表面的半导电颗粒要去除和擦拭干净，不能用擦拭过半导电层的清洁纸（布）擦拭绝缘表面，防止引入半导电杂质而引起局部放电。

（3）电缆绝缘表面要打磨光滑，不能出现小凹陷，在绝缘外表面与应力锥内表面之间出现气隙而引起局部放电。

（4）电缆绝缘外径与应力锥内径的过盈配合一定要符合要求，防止出现局部气隙而引起局部放电。

（5）连接管和端子压接等连接后的表面一定要打磨光滑，防止出现毛刺而引起局部放电。

（6）中间接头的连接管与屏蔽罩的等电位连接一定要可靠，防止松动而引起局部放电。

（7）高压及超高压电缆在安装附件前，加热调直一定要充分，防止以后的绝缘回缩产生空隙而引起局部放电。

五、电力电缆绝缘的老化和寿命

1.绝缘老化和寿命的基本概念

绝缘材料的绝缘性能发生随时间不可逆下降的现象称为绝缘老化。绝缘老化主要表现在以下几个方面∶击穿场强降低、介质损失角正切值tanδ增大、机械强度或其他性能下降等。按产生绝缘老化的原因分类有电老化和化学老化，此外受潮、受污染等也会导致老化。

由于老化的逐步发生和发展，使绝缘性能逐步降低，当达到规定的容许范围之下，致使电缆绝缘不能继续承受电网运行电压、操作过电压或大气过电压，这一过程所需的时间称为电缆绝缘的寿命。绝缘材料性能随时间下降的曲线称为老化曲线或寿命曲线。

在正常运行情况下，油纸电缆绝缘的寿命一般为40年以上，交联聚乙烯电缆绝缘的寿命一般为 30年以上。

2.交流电压下电缆绝缘老化的主要原因

（1）局部放电。如果绝缘中存在长期的局部放电，油纸绝缘浸渍剂及纸纤维分解，形成气体析出，产生高分子聚合物一x蜡。局部放电能使交联聚乙烯绝缘内部空隙处逐步形成电树枝，并向纵深发展，直至发生绝缘电击穿或热击穿。

（2）绝缘干枯。黏性浸渍纸绝缘电缆，在冷热循环作用下金属护套产生不可逆的塑性变形，在绝缘中产生空隙，使起始放电电压降低，tanδ增大，当电缆线路垂直落差较大时，高端浸渍剂流失，绝缘干枯，加速绝缘老化，导致高端电缆容易击穿。

（3）温度对老化的影响。在温度较高时，任何绝缘材料的绝缘电阻都会大幅降低，纸绝缘中纤维素生热分解，挤包绝缘在高温下也会加速老化作用。

（4）电缆导体和金属护套与浸渍剂接触加速绝缘油老化。尤其是当浸渍剂中含有水分时，会使金属对绝缘油老化的催化作用加速。

六、直流电缆的绝缘性能

1.直流电压作用下电缆绝缘特性

随着直流输电的发展，也出现了直流电缆，但目前投入使用的主要是黏性油浸纸电缆和充油电缆，在有些国家，110kV交联聚乙烯直流电缆投入了试运行。在交流和直流电压下，电缆绝缘表现出显著不同的特性，如表8-4所示。

2.直流电缆的特点

（1）直流电缆主要使用黏性油浸纸电缆和充油电缆。在直流电压下，电压分配合理，气隙承受场强较小。供直流输电的高压充油电缆击穿场强可达100kV/mm，最大工作场强可选取30~45 kV/mm。

（2）直流电压下，没有集肤效应和邻近效应影响电缆的载流量，铠装层不产生损耗，绝缘层中的介质损耗也可忽略。

（3）直流电压下，需采取措施防止电缆周围的电蚀。

3.一般不采用交联聚乙烯直流电缆的原因

（1）长期在直流电压作用下，交联聚乙烯绝缘内会逐步积累空间电荷和产生内部绝缘损伤的积累效应，绝缘性能因此有所下降。

（2）直流电缆在随着负荷的增加，最大场强可能出现在绝缘层表面，因此设计直流电缆，既要保证在空载时导体表面场强不超过允许值，又要保证在满载时绝缘层表面的场强不超过允许值。