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电力电缆的基础知识


电力电缆的基础知识 电力电缆的分类 一. 按绝缘材料的不同可分为(常用) : 1、 3、 5、 油浸纸绝缘电缆(PILC) 聚乙烯电缆(PE) 橡胶电缆(EPR) 2、交联聚乙烯电缆(XLPE) 4、聚氯乙烯电缆(PVC)

二. 按电压等级来分: 可分为低、中压电力电缆(35kV 及以下) ,高压电力电缆(110kV、220kV)和超高压电力电 缆(500k

V) 。 电力电缆的结构 有五种典型结构,其结构示意图如图 1 所示:

图 1-a. 单芯电缆 I

图 1-b、单芯电缆 II

图 1-c 三芯电缆 I

图 1-d 三芯电缆 II 电缆结构示意图

图 1-e 三芯电缆 III

图 1 中,导体芯线和绝缘层是必须的电缆组成部分,导体芯线的材料通常为铜芯和多股铝芯, 绝缘材料如上所述有四大类。
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图 1-a 所示的单芯电缆是油浸纸绝缘介质电缆的典型结构,金属屏蔽层为铅包,外护层由钢 带和塑料材料等组成; 图 1-b 中所示的单芯电缆,通常是塑料交联聚乙烯(XLPE)绝缘介质电缆的典型结构,比图 1-a 中的结构多了内外半导电层和石墨层,而金属屏蔽层一般为铜带,金属护套可能是钢带 (丝) 、铝、铜或不锈钢等材质; 图 1-c 所示的三芯电缆是油浸纸绝缘介质电缆的典型结构,与图 1-a 所示的单芯电缆结构基 本相同; 图 1-d 所示的三芯电缆,多为塑料聚乙烯(PVC)绝缘介质和橡皮绝缘介质电缆,一般为 6kV 以下低等级电缆典型结构,这样的结构也有四芯电缆情况。 图 1-e 所示的三芯电缆,多为 XLPE 绝缘介质电缆的结构与图 1-a 所示的单芯电缆基本相同。 分析五种电缆的典型构造,归总进来,电缆主要由五部分组成:导体芯线、绝缘层、半导电 层、金属屏蔽层、外护套层。

电力电缆故障的基本知识 电力电缆故障分类 由于电力电缆的种类较多,结构组成不尽一致,加上人们的工作属性和人们的目的要求 不同等原因,使得电缆故障的分类方法较多,这里归纳以下几种情况: 按电缆的组成材料分类(物理特性) 一. 按电缆的组成材料分类(物理特性) 分析电力电缆的结构组成,我们可以得出电缆主要由两大部分组成: 金属导体: 金属导体:如导体芯线、金属屏蔽层、金属外护套等;

绝缘体: 、聚乙烯(PVC) 、橡胶(PE);非金属外护 ) 绝缘体:如主绝缘层(油浸纸、聚氯乙烯(XLPE)
层(PE、PVC) ,因此电缆故障也分为两大类: :顾名思义,导体故障是电缆中的金属导体所出现的故障,这里主 1、导体故障(开路故障) 导体故障(开路故障) : 要指芯线导体(如铜线、铝线)和金属屏蔽层(如铅包、铜带)故障。以导体芯线为例,如 图 2 所示:

图2

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在图 2 中,电缆芯线的正常电阻值应为:

RAA′= L/S(Ω)=RO

式中 L 为电缆长度,S 为芯线截面面积, 为导体电阻率,因此当电缆成型后,其电阻值 RO 是一个定值(一般为毫欧级) 。所以,只有当 RAA′>> 中有两种情况,即两种类型故障: 1.1 断线故障:即 RAA′=∞,也就是说电缆的芯线或金属屏蔽层在某一处或多处断开,如实 断线故障: 际中,电缆被人为挖断、电缆被烧断、在电缆接头处,电缆芯线或电缆的两边屏蔽层根 本没有连接上、XLPE 电缆在生产过程中屏蔽层不连续等。 1.2 似断非断故障:即 RAA′<< 似断非断故障: RO ≠∞,如电缆的芯线或金属屏蔽层某处似连非连、接 RO 才认为导体有问题,在实际

头部分芯线或屏蔽线处理不好等。这种故障一般人们不易发现,但实际中是确实存在的。 对于以上两种情况的导体故障我们统称为开路故障。因此,开路故障的确切定义为: 电缆的导体损伤导致导体断开或似断非断的情况。导体包括电缆的芯线和金属屏蔽层。 断线故障是开路故障的一个特例。 2、绝缘故障 电缆中的绝缘层,不管是主绝缘层还是外护套绝缘层(主要对 110kV 及以上等级电缆), 它和导体芯线一样,是电缆必不可少的重要组成部分,但相比之下要比导体材料脆弱的多。 因此,在实际中,电缆的绝大多数故障都是由绝缘层不好引起的。电力电缆绝缘层损伤一般 会出现两种故障:泄漏性故障和闪络性故障。等效电路如图 3 所示: 泄漏性故障和闪络性故障。 泄漏性故障和闪络性故障

图3 2.1 泄漏性故障 在物理上, 绝缘材料也叫电介质, 分析电介质主要考虑它的三个特性: 电介质的电导 (漏 导)特性、电介质的击穿特性和电介质的损耗特性。这里主要考虑前两个特性。 电介质的电导:理论上,绝缘材料即电介质是不导电的,其等效电阻为∞,即当给电介质 两端施加直流电压, 不管是电压多高, 电介质中没有电流流过, 根据欧姆定律知: Ig=U/RJ=0。

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但实际上, 电介质是存在电阻的,流过电介质的电流(泄漏电流用 Ig 表示)一般与外加电 压成正比关系。具体到电力电缆,其几何尺寸和电介质的电阻系数是一定的,所以,在额定 电压下的泄漏电流 Ig 应该不大于某一确定的值 Igm。但如果电介质的电导特性变坏即 RJ 变 小,泄漏电流 Ig 变大,说明电介质存在故障。对电缆来说,这种电缆的绝缘层电导特性变坏 的故障我们称之为泄漏性故障 泄漏性故障。 泄漏性故障 2.2 闪络性故障 电介质的击穿:所有的电介质都不例外,当给电介质上施加电压后,电介质中会流过微小的 泄漏电流 Ig,其值随所施电压的增大基本线性增大,而当所施电压超过某一数值 Us 时,泄 漏电流 Ig 突然增大,电介质完全失去固有的绝缘特性而变成导体,这种现象称之为电介质的 击穿,把电压值 Us 称之为电介质的击穿电压.有些绝缘介质击穿后,当降低外加电压后,绝 缘性能自行恢复,有些则电导特性变坏,泄漏电流明显增大。具体到电力电缆,若电缆的额 定电压为 Um,当给电缆加电压时,在电压加到某一数值 Us 时,在 Us≤Um 条件下,电缆绝缘 击穿,说明电缆存在故障,当降压后绝缘自行恢复,这种故障称之为电缆的闪络性故障 闪络性故障。而降 闪络性故障 压后绝缘性能不可恢复的情况则为上述的泄漏性故障。 其中泄漏性故障可等效为一个电阻 Rg,一般远小于 RJ,Rg 数值有高有低,Rg 高时称为 泄漏性高阻故障, 低时称为泄漏性低阻故障, Rg 简称低阻故障 (具体定义见后分析) 当 Rg=0 , 时,称之为短路故障(俗称死接地) 。实际中可通过Ω表、MΩ表或给电缆加直流电压等方法 来判知。 闪络性故障可等效为一个小间隙,当给电缆加直流电压,若 U<Us 时,其电阻值为 RJ, 若 Um>U≥Us 时,绝缘电阻为零。在实际中一般通过 MΩ表判断不出闪络性故障的存在,只 有通过给电缆加直流电压才能发现。 二. 按电缆的结构特性分类 分析电力电缆的结构组成,我们同时也知道电力电缆有最多三种结构形成:单芯电缆、 三芯电缆、四芯电缆(主要是低压电缆,其结构组成与图 1-d 相同) ,因此有以下故障类型: 1. 单相接地故障 电缆的其中一相对地绝缘层电导特性变坏,形成泄漏性故障,即此相对地绝缘层形成了 固定的电阻通道,其电阻值或大或小或为零,这种故障其电缆导体是良好的。 2. 单相故障 电缆的其中一相对地绝缘层电导特性变坏或击穿特性变低,形成泄漏性或闪络性故障。 这种故障情况其电缆导体芯线和相间绝缘是良好的。 3. 相间故障 电缆中的两相间或三(四)相间绝缘层电导特性变坏或击穿特性变低,形成泄漏性或闪
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络性故障。这种故障情况其电缆导体芯线和相对地绝缘是良好的。 4. 相间并对地故障 电缆的两相之间并对地或三相之间并对地形成泄漏性或闪络性故障。 5. 开路故障 电缆的一芯或多芯导体或者金属屏蔽层完全断线或似断非断的情况,我们称之为开路故 障。 6. 混合性故障 电缆中同时存在两种以上故障的情况而称之为混合性故障。 三. 按电缆故障发生的原因分类 分析电缆故障发生的原因,情况很多,而直接的原因总归起来有三种情况,也即有三种 故障类型: 1. 运行故障 电力电缆在运行过程中发生故障,此类故障通常以单相或多相并对地泄漏性故障较多。 2. 预试故障 电力电缆在做预防性试验时发生故障。由于规程上规定在现场电缆只做直流耐压试验。 因此以往此类故障以闪络性故障居多,也有泄漏性故障。如果以后现场电缆要做交流耐压试 验,那么电缆故障的情况将会有所变化。 3. 外力破坏形成故障 电力电缆由于人为破坏或自然因素破坏而形成的各种类型故障。 四. 按电缆故障发生的部位分类 分析电缆的结构组成和整体线路情况,我们可把电缆故障按照下列形式分类: 1. 主绝缘故障 电缆的导体芯线与地或金属屏蔽层之间绝缘受损形成各种性质故障。一般来讲,35KV 及 以下等级电缆,其绝大多数故障属于此类故障。 2. 护套故障 一般指电缆的金属护套(层)或绝缘护套受损形成的故障,实际中能够发现的是金属护套 对大地之间绝缘护套的故障。此类故障以泄漏性故障居多。护套故障只有在 66KV 及以上高电 压等级电缆才涉及到。 3. 本体故障 完整的输电电缆由电缆本体和电缆接头两大部分组成。因此电缆的故障肯定发生在电缆 本体和电缆接头。电缆的本体可出现不同性质的故障。通常因产品质量和外因损坏为主要原 因。 4. 接头故障 应用电缆供电,不论电缆长短,肯定存在终始端两个接头。对于长距离供电电缆或者当 电缆出现故障修复后,电缆也肯定有连接头,即中间接头。通常电缆故障的相当一部分为接 头故障,其表现性质各不相同。但通常以多相并对地泄漏性高阻故障居多数。 按故障外表特性或人的直觉性分类: 五. 按故障外表特性或人的直觉性分类: 从电缆故障发生的外特性来分析,通常有两种类型故障: 1. 外露性故障 很显然,通过人的眼睛观察,可以直接发现故障点,如:电缆的外护层或绝缘层等有明显 的损坏现象。这种故障多数为单相或多相对地泄漏性故障。 2. 封闭性故障 与外露性故障相比较,电缆的外表完整无缺,电缆的外护层及屏蔽无明显的损坏痕迹,
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这也可以称之为电缆的内伤。在过去,封闭性故障往往和闪络性故障相联系,更确切的讲是 一种故障两种称谓。因为过去油浸纸介质电缆比较多。闪络性故障多以在做预试时发现,而 电缆做预试的过程很短,电压不足以把电缆外护层及铅包损坏,因此而为封闭性。由于近几 年 XLEP 电缆的增多,它的物理特性与油浸纸电缆有所不同,往往泄漏性甚至短路,其故障点 仍然封闭。因此,我们不能把闪络性故障和封闭性故障混为一谈。 六. 按电缆的耐压等级分类 电力电缆按其耐压等级分类,一般有以下几种常规类型:1kV、3kV、6kV、10kV、35kV、 66kV、110kV、220kV、330kV、500kV 电缆,但分析各种等级电缆结构组成,就其共性而言, 一般分为三大类: 1. 低压电缆故障 在这里我们把 6kV 以下的各种电力电缆故障叫做低压电缆故障。实际中,低压电缆故障 以相对地(或金属护套) 、相间或相间并对地泄漏性故障为多数,开路故障也较常见。从外特 性看,低压电缆故障多表现为外露型故障。 2. 中压电缆故障 以 6kV、10kV 及 35kV 等级电缆为代表的中压电缆,在实际中使用的最多。因此中压电缆 故障是人们最关切的。此类电缆通常只考虑导体芯线,金属屏蔽层,主绝缘层三种材料中发 生的故障,经常出现以下几种类型故障:开路故障、相对地、相间或相间并对地泄漏性故障、 闪络性故障。 3. 高压电缆故障 我们把 35kV 级以上的各种电缆称为高压电缆。 近几年高压电缆在我国各地得到了较多的 使用,分析其结构组成和总结各地使用情况,此类电缆故障通常有两大类故障: 3.1 导体芯线与主绝缘层所发生的故障:其故障类型及性质和中压电缆故障情况相同。 3.2 金属护套与非金属护套所发生的故障:其故障性质多以金属护套对大地泄漏性故障较多。 七. 按电缆损坏程度分类 电力电缆出现故障后,其损坏的严重程度差别比较大,我们这里从查找故障的角度出发进行 分类: 1. 单点故障 电力电缆出现故障是在电缆中的某一个点上,不管是单相对地,相间并对地,还是混合型 故障。实际中电缆故障多数为单点故障。 2. 多点故障 相对于单点故障,多点故障指的是同条电缆中有多个距测量端(终始端头)不同距离的 故障点。在实际中也常见到。 3. 大面积或长距离故障 相对于电缆的点故障,大面积故障通常指的是电缆中的某一段绝缘层损坏,如常见的电缆 中大面积受潮故障。 4. 质量问题 这一点本来不属于电缆故障分类范畴,但实际上在我国常常发现有些用户电缆在使用很 短一段时间后,出现整个电缆的主绝缘层电介强度下降,泄漏电流很大,表现为泄漏性故障 的情况。用户在现场有时很难判别是故障点还是质量问题。
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八. 按故障的测量方法分类 电力电缆故障的测量方法比较多,这里我们以最常用的两种电缆故障测量方法为依据对 故障进行分类。 1. 按电桥测量法分类 电桥法测电缆故障大家都比较熟悉,通常有三种电桥测量方法:低压电桥法、高压电桥 法、电容电桥法,因此而把电缆故障分为三种类型故障: 1.1 低阻故障:对应于低压电桥法,凡能用低压电桥法测量的一类相间或相对地故障,通常 当相间或相对地电阻值小于 10kΩ时才能用此方法测量。 因此而把电缆相间或相对地故障 电阻小于 10kΩ的故障称之为低阻故障。但阻值大于数百 kΩ,高压电桥法测量是无能为 力的。 1.2 高阻故障: 相对于低阻故障, 当电缆相间或相对地故障电缆值大于 10kΩ称之为高阻故障, 也对应于高压电桥法。 1.3 开路故障:对应于电容电桥法,一般指电缆的导体芯线出现断线的情况。 因此而看出,由于电桥法本身的测量原理决定了电桥法测电缆故障的局限性,所以,以 电桥法对电缆故障分类带有很大的局限性。 2. 按行波反射理论分类 目前,电力电缆故障使用最多的粗测方法就是行波反射法,也叫脉冲反射法。由于脉冲 反射法有两种基本方法:低压脉冲法和高压脉冲法(通常所说的“闪络法”,这样便将电缆 ) 故障分为以下几种类型故障。 2.1 开路故障:包括导体芯线和金属屏蔽层以及金属外护套等断线和似断非断故障。一般可 采用低压脉法冲进行测试。 2.2 低阻故障:若电缆的相间或相对地出现泄漏性故障,当其电阻值 Rg 小于某一数值 RD 而 能用低压脉冲法测量的一类故障。与电桥法的低阻故障不同,由于有以下几个因素存在 使得 RD 没有一个确切的数值。 原因一:由于低压脉冲法中的低压二字很不确切,测量脉冲的幅值多少为低没有严格的 规定。一般来讲,脉冲幅度越高,RD 越大,反之亦然。也与仪器提供的脉冲宽度有关,脉宽 越宽 RD 就越大,反之就越小。 原因二:RD 的大小与提供的测量仪器灵敏度有关,一般来讲,仪器的灵敏度越高 RD 就 越大,反之 RD 就小。 原因三,与被测电缆结构或衰减程度有关,由于仪器提供的是高频脉冲信号,在实际中, 电信号通过输电线路都会产生损耗,即有衰减现象,信号频率越高衰减越大,传输越远衰减 越大。由于电缆的粗细不同,所用绝缘材料不同及电缆的结构不同等,其衰减程度也不一样。 如 10kV 油浸纸和 10kV XLPE 电缆由于有非常好的金属屏蔽层,信号衰减就很小,而同样粗的 1kV 低压电缆,由于没有好的金属屏蔽层,信号衰减非常大。因此,同样的故障电阻值,在

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10kV 电缆中就能测试出来故障反射,而 1kV 电缆就测不出。 原因四,与故障点和测量仪器的相对距离有关,由于电信号的衰减程度与输电线缆的长 度有关,所以,同一条电缆中的同一个故障点,仪器在距故障点较近的一端测量就可以测得 出来,在距故障点较远的另一端就测不出来。 原因五,与测量仪器与被测电缆的匹配情况有关。 一些地方和相关资料上把泄漏电阻 Rg 小于被测电缆的特性阻抗 Zc 称之为低阻故障,这是个 错误的概念,至少是片面的。电缆的特性阻抗指的是电缆传输微波信号或高频脉冲信号时所 表现的一种参数,只与电缆的几何尺寸和绝缘介质有关,是个常量,一般在十几列几十欧姆。 由理论与实践证明,只有当电缆的泄漏故障在电缆的终端头上而阻值小于电缆的特性阻抗的 情况才叫低阻故障,实际中出现的概率很少。 2.3 高阻故障:相对于低阻故障,凡不能用所提供仪器的低压脉冲法测量的电缆绝缘损伤故 障都叫做电缆的高阻故障。此类故障通常采用“高压脉冲反射法”即“闪络法”进行故 障点测量,包括泄漏性高阻和闪络性高阻两种故障。 九. 电缆故障成因 电力电缆出现故障,其形成原因比较多,这里归纳如下几种情况: 1. 电缆生产质量问题 在我国,常用的中低压电缆其生产技术是非常成熟的,因此电缆的产品质量问题不存在 设计及工艺问题,主要是生产管理和市场管理问题。如一 10kV 运行的 XLPE 电缆,出现故障 才发现电缆中的铜屏蔽层不连续,甚至严重到了有一段电缆没有铜屏蔽层。由于市场竞争激 烈, 出现一些生产的 XLPE 成品电缆竞没有半导电层, 导体芯线易扭断等难已想象的质量问题。 2. 电缆施工质量问题 电缆在安装施工过程中,没有严格按照有关电缆的安装要求施工,如电缆的扭曲,打折 等。 3. 电缆接头的制做问题 电缆的接头附件质量问题是一个方面, 主要还是接头的制做质量问题。 XLPE 电缆接头, 如 有些单位连屏蔽层都不加,有的虽然有屏蔽层,但接头两边连接不好等。因此在一些单位, 电缆故障中 100%为接头处故障。 4. 电缆的管理问题 如一些单位让电缆长期过负荷运行,电缆路径与热力管道交叉,长期工作在有腐蚀性的 环境中(如浸在有腐蚀性的酸或碱性水中)等,这些都有可能造成电缆的绝缘老化,形成各 种故障。又如电缆受外力破坏,直接形成各种故障和造成故障隐患等。 一〇 . 电力电缆故障的判别方法 如上较详细地分析了电力电缆的故障分类,在本节,我们从用户管理的角度讲述电力电 缆故障的判别方法。以供参考: 分析故障类型,总结如下:

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1. 开路故障 对于单芯电缆,在终端将芯线与金属屏蔽层短接,在始端用Ω表,(三用表)测量 A 到屏 蔽层的电阻值,RA 应稍大于 RO = L/S(Ω),一般应满足 RA<2RO 条件。若 RA=∞ , 为开 路故障;若∞>RA>> 2R0 为似断非断故障。

a 单芯电缆

b 三芯电缆

对于三芯电缆,若电缆有金属屏蔽层,在终端将三相与金属屏蔽层短接,用Ω表在始端 分别测量三相到屏蔽层以及三相间的电阻值,三相电阻应基本平衡且应满足 RA.B.C<2R0 条 件.若 RAC、RBC、RAC 任意两组数据与 RA、RB、RB 任意一组数据中的电阻值为∞或较大时, 可判断为开路故障。若电缆无金属屏蔽层,可不测量相对地电阻应测量相间电阻。应注意在 判别时尽可能不要用 MΩ表。 另外一种判别方法就是应用低压脉冲法测量。通过用脉冲法测量电缆的相对长度及脉冲反射
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波形来判断电缆是否存在开路故障,此时无需将电缆另一端短接。此方法对芯线及金属屏蔽 层都可非常有效地检测。 泄漏性低阻故障( 简称低阻故障) 2. 泄漏性低阻故障(简称低阻故障) 如前所述,低阻故障有两个不同的定义,依据电阻电桥法和依据低压脉冲法。 依据电桥法,用Ω表或万用表测量电缆相间和相对地(或金属屏蔽层)电阻值,若电阻值小 于 10KΩ可认为是低阻故障。 依据脉冲法,最好的判别方法是用低压脉冲法测量相间或相对地的波形,若波形中产生与仪 器发射脉冲反极性的反射波形时,一般可判定电缆存在有低阻故障。但应区分电缆中的接头 反射波,因为有些接头的反射波极性与低阻故障相类似。一般来讲,低阻故障应小于几 KΩ。 3. 泄漏性高阻故障 相对于低阻故障,若用电阻电桥和脉冲法测量不了的相间或相对地泄漏性故障。通常有 两种判别方法: 3.1 MΩ表或Ω表法:若测得相间或相对地电阻值远小于电缆正常的绝缘电阻值时,可判别为 泄漏性故障。一般电阻值在数 KΩ至几十 MΩ。 3.2 直流耐压预试:在电缆的额定电压下分相加直流电压,当电缆的泄漏电流值 Ig 随预试电 压的升高连续增大,并远大于电缆的允许泄漏值时,即可判断电缆有泄漏性故障,其阻 值可进一步通过 MΩ来测量。 闪络性高阻故障(简称闪络性故障) 4. 闪络性高阻故障(简称闪络性故障) 由于闪络性故障几乎多都在是高阻状态,且阻值很高,通常稍低于或相等于电缆正常的 绝缘电阻值,因此,在现场只有通过做预试一种方法来判别: 在电缆的允许额定试验电压下,当试验电压高于某一电压值时,泄漏电流值突然增大,而当 试验电压下降后,泄漏电流值恢复正常,此时可判断电缆存在闪络性故障。 5. 护套故障 实际中,在 66KV 及以上等级或特殊电缆才存在护套故障,其故障性质多为泄漏性高阻或 低阻故障,所以一般可通过 MΩ表或Ω表来判知。

以上基本归纳了有关电力电缆的基本常识及故障种类知识,供销售人员平时参考,希望 对大家有所帮助!

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