交联聚乙烯电缆

1、交联聚乙烯电缆交联聚乙烯电力电缆由于其电气性能和耐热性能都很好，传输容量较大，结构轻便，易于弯曲，附件接头简单，安装敷设方便，不受高度落差的限制，特别是没有漏油和引起火灾的危险，因此受到用户广泛欢迎，并不断向高压、超高压领域发展，呈现出逐步替代油纸电缆的趋势。一、文联聚乙烯电缆的结构特点如图417所示，交联聚乙烯电缆和大家熟悉的油浸纸统包电缆的区别除了相间主绝缘是交联聚乙烯塑料以及线芯形状是圆形之外，还有两层半导体胶涂层。在芯线的外表面涂有第一层半导体胶，它可以克服电晕及游离放电，使芯线与绝缘层之间有良好的过渡。在相间绝缘外表面涂有第二层半导体胶，同时挤包了一层0.1mm厚的薄铜带，它们组成了

2、良好的相间屏蔽层，它保护着电缆，使之几乎不能发生相间故障，如图418所示。图4-17交联聚乙烯电缆断面构造示意图绝缘层；2-线芯；3-半导体胶层；4-铜带屏蔽层；5-填料；6-塑料内衬；7-铠装层;8-塑料外护层图4-18交联聚乙烯电缆结构示意图1-线芯；2-交联聚乙烯绝缘；3-半导电层；4-铜屏蔽；5-包带；6-外护层二、事故原因根据国内外报导，交联聚乙烯电缆发生事故的原因如下：1水树枝劣化它是交联聚乙烯电缆事故的主要原因，约占事故的71%,多发生于自然劣化。所谓“树枝”不过是一个形象名词，它指团体介质击穿破坏前，固体介质中产生的树枝状裂痕和放电痕迹。树枝的产生引起绝缘进一步的恶劣化，不久将

3、导致全部击穿。所以树枝现象也是预击穿现象。按树枝化形成的原因，树枝可分为电树枝、水树枝和电化树枝（也可归为水村的特例）。水树枝，它是水浸入绝缘层，在电场作用下形成的树枝状物。它的特点是引发树枝的空隙含有水分，它在比发生电树枝低得多的场强下即可发生。树枝有的大多不连续，内凝有水分,主干树枝较粗，分枝多且密密麻麻，如图419所示。图4-19自内侧的水树枝状水树枝一般是从内半导电层、屏蔽层与绝缘层界面上引发出来。若绝缘体内存有气隙或杂质,则会在电场方向产生并加剧蝶形领结状水树枝。这些水树枝不仅受电缆结构的影响，而且还受半导作层性能和形状、含水率、电压等级、电缆芯温度以及浸水条件等因素的影响。水树枝延

4、伸最主要的条件是高温和浸水，这时水树枝的长度可以达到绝缘厚度的一半以上。图420表示经加速劣化而引起水树枝加剧的例子。图4-20水树枝延伸的时间特性水树枝具有消失和重现的特点，有的水树枝受热、干燥、抽真空后会消失形态，浸入热水中又会重现。水树枝不会直接导致击穿，但会使绝缘强度降低，促进老化作用，缩短寿命。水树枝劣化对电缆绝缘性能的影响如图421所示。3-(.mm)畑图4-21水树枝长度和交流击穿电压的关系(a)水树枝长度；(b)蝶形领结长度由图421可以看出，后者比前者的交流击穿电压稍高。在此，将水树枝形状引用平均电场中的旋转椭圆体相近似的概念，则树枝末梢的电场E表示如下E=2U/d*1/ln

5、(Al/r)*l/r式中r-突起末端的曲率半径，mml-突起的长半径，mm；d-电极间的间隙宽度mm;U-外加电压,kV。设电缆绝缘的固有击穿电场强度为600kV/mm,r=0.0025mm，d=4mm时，计算U和i的关系，则图421中的(a)和(b)的理论值和实测值的结果基本一致。若水村校长度在1mm以上，则交流击穿电压比理论值要高些，这是因为水树枝已开始具有向横向扩展的能力和水树枝末端的已经缓和的缘故。根据现场运行经验，水树枝劣化特征如下：仅发生在6kV高压以上的交联聚乙烯电缆中。从投运到破坏的时间需要数年至十几年，大多数在10年以上。贯通绝缘体的水树枝状劣化，大部分能维持正常工作电压以上

6、的电压值，只有在发生脉冲电压等异常电压时才产生破坏。环境温度高时，劣化进程加快。电缆构造对故障有很大关系，对用棉带做基布的半导体层的电缆要特别注意。全屏蔽的3.3kV交联聚乙烯电缆，由于接地有可能发展为相间短路。屏蔽铜带断裂在屏蔽铜带一端接地的电缆中，当屏蔽铜带断裂时，非接地一端的铜带成为非接地状态，该铜带上将感应出高电压，其值为Ug=Cl/(Cl+C2)U式中q-电缆芯与非接地一端铜带间的电容；q-非接地一端铜带对地电容。这个高电压若导致断裂部位发生放电，往往引起绝缘破坏。断裂部位放电的示意图如图422所示。图4-22屏蔽铜带断裂时感应出高电压放电现象示意图屏蔽铜带断裂的特征是：单芯电缆比三

7、芯电缆的事故多。从投运到破坏的时间，从数周到数年不等。断裂部位的导体电阻增大到数千欧，不能保护非接地侧电缆的对地闪络。断裂部位放电时冒火、冒烟，严重时可能引起火灾。铜屏蔽接地故障交联聚乙烯电缆铜屏蔽接地故障已逐渐引起现场的重视。例如某地区的交联聚乙烯电缆多半采取直埋方式，为此将终端头的铜屏蔽地线和钢销地线分别引出，接地线截面分别不小于25mm2和10mm2，从热缩手套下引出时应互相绝缘，通过以上两项改进，就有条件在终端头处定期测量钢销对地和钢枪对铜屏蔽的绝缘电阻，可间接反映电缆内、外护套有无损伤，从而可以判断电缆是否受潮。检测发现电缆铜屏蔽接地，在某变电所终端侧绝缘电阻力0.01MQ。3註v变

8、电蹄皴端用户图4-23电缆敷设及其测试接线图(a)敷设示意图；(b)测试接线图注：1,2,3,4,5为电缆接头编号为进一步找到故障点，又用QFA型电缆探伤仪测试。电缆敷设示意图和测量接线图如图423所示。测量结果如下：1正接线Rl=0.492LX=RlL=0.492X4014=1795(m)反接线R2=0.507LX=(l-R2)L=(l-0.507)X4014=1978.9(m)测量结果表明，正、反接线的测量结果基本吻合,故障点的位置在离变电所1973m的4号电缆接头上。将1号接头刨开，把接头内、外护套分别剥开检查，发现造成铜屏蔽接地的原因是内、外护套搭接处密封不严，钢销甲和银屏蔽处均有潮气

9、存在。针对故障原因，用喷灯对该接头进行充分排潮后，把铜屏蔽在接头处断开,分别摇测接头两侧铜屏蔽对地绝缘电阻，测量结果是：变电所侧为4.5MQ,终端侧为5MQ。由于处理及时，避免了事故发生。电缆护层故障某电业局敷设了日本生产额定电压为47/66kV交联聚乙烯单芯电缆，其结构如图424所/示oT图4-24交联聚乙烯单芯电缆结构图1-铜线芯（240mm2）;2-内半导电层；3-主绝缘层（XLPE）;4-外半导电层；5-铜屏蔽层；6-铝波纹护层（1.7mm厚）；7-PVC外护层（4mm厚，外涂石墨层）高压单芯交联聚乙烯电缆能否安全可靠地运行，与其护层能否安全可靠运行关系密切。电缆护层采用一端接地方式时

10、，要求该电缆的护层必须绝缘良好。当电缆护层发生接地时，运行中电缆护层将受到交变磁场的作用，在铝波纹护层上将产生感应电压，使在接接地端和电缆护层的绝缘不良处产生“环流”。“环流”使铝波纹层发热，并使输送容量降低30%40%；而且严重的可将金属护层烧穿。护层烧穿后将使电缆的主绝缘裸露在外，与地下（或空气中）的水分或潮气相接触，使绝缘层遭受破坏，最终导致绝缘击穿。上述电缆线路正常负荷为4050A，最高负荷约300Ao1988年对该电缆进行预防性试验时发现B相PVC外护层绝缘对地仅0.5MQ。以后逐年下降，1992年5月用万用表测得护层对地绝缘电阻值为15kQ,如表45所示。1988年至1992年在正

11、常负荷下测得护层的感应电压在5V左右，接地电流在IA以下，认为该相外护层有接地故障。1992年6月，用YJDJ-1型橡塑电缆护套损伤探测仪对该线路B相护层接地故障进行测寻，找到了故障点。从故障点外表看，从故障点向变电所方向有一段近350mm长的树技状痕迹。该段外护层变得僵硬，故障周围的细砂已变黑，说明在两个接地点之间确实存在“环流”。再用手向里触摸故障点，发现铝波纹层有一个面积约为30mm2的孔洞。这个孔洞也是因“环流”而烧穿的。“孔洞”的出现表示电缆主绝缘已暴露在土壤中，水及潮气已经侵入。由于处理及时，避免了电缆交联聚乙烯绝缘层团长期受潮而导致生长水树枝，造成绝缘击穿事故的隐患。表4-5电缆

12、护层绝缘电阻（MQ）测试时间相别测试仪器ABC1988.550.54绝缘电阻表1989.4110.214绝缘电阻表1990.570.18绝缘电阻表1991.5厂80.18绝缘电阻表1992.5厂315kQ3万用5线芯屏蔽层厚薄不均匀电力电缆线芯在紧压过程中容易产生尖锐毛刺。随着运行电压升高，导体表面电场增大，毛刺尖端电场严重畸变，导致引发主绝缘树枝状放电。因此，3kV及以上的交联聚乙烯电力电缆均要求设计由半导电材料构成的线芯屏蔽层和绝缘屏蔽层。半导电线芯屏蔽层的主要作用是：均匀线芯表面电场、防止气隙、提高电缆局部放电电压、屏蔽线芯毛刺、抑制树枝引发和树技状放电，还起热屏障作用。因此它直接影响电

13、缆的安全运行和寿命。例如：某YJV-26/35型、3X400mm2的交联聚乙炔电缆投入运行8天后发生故障，电缆本体绝缘几乎全部烧融，铜芯均有过热退火痕迹，位子铜屏蔽接地处上方16mm和51mm两处的铜线芯被烧熔化为黄豆大小粒状，铜接线端于完好。某YJV-26/35型、3minX400mm的交联聚乙炔电缆敷设竣工后做直流耐压试验时，在距一端点约47m处发生击穿。现场解剖检查、分析两起故障电缆、其主绝缘和绝缘屏蔽层无明显制造质量问题，而线芯屏蔽层厚薄不均匀，最薄处厚度约067mm，最厚处厚度约122mm，碳黑分散比较均匀，体积电阻率约为106Qcm。因此，可以判断：故障的原因是线芯屏蔽层较薄、体积

14、电阻率偏高，不足以屏蔽线芯毛刺或铜屑所引起的畸变电场尖端放电，主绝缘迅速被破坏，最后导致电击穿。诊断方法1停电诊断方法我国规程规定的停电诊断方法有：测量电缆主绝缘绝缘电阻。对0.6/1kV电缆用1000V绝缘电阻表；0.6/1kV以上电缆用2500V绝缘电阻表；其中好6kV及以上电缆也可用5000V绝缘电阻表。对重要电缆,其试验周期为1年；对一般电缆，3.6/6kV及以上者为3年，3.6/6kV以下都为5年，要求值自行规定。测量电缆外户套绝缘电阻。这个项目只适用三芯电缆的外护套。对单芯电缆，由于其金属层(电缆金属套和金属屏蔽的总称)采用交叉互联接地方法，所以应按交叉互联系统试验方法进行试验，即

15、除对外护套进行直流耐压试验外，如在交叉互联大段内发生故障，则应对该大段进行试验。如在交叉互联系统内直接接地的接头发生故障时，则与该接头连接的相邻两个大段都应进行试验。对三芯电缆外护套进行测试时，采用500V绝缘电阻表，当每千米的绝缘电阻低于0.5MQ时，应采用下述方法判断外护套是否进水：由于交联聚乙烯电缆的金属层、销装层及其涂层用的材料有铜、铅、铁、锌和铝等。这些金属的电极电位如表46所示。表4-6某些金属的电极电位金属种类铜CU铅Pb铁Fe锌Zn铝A1电位(V)十0.334-0.122-0.44-0.76-1.33当交联聚乙烯电缆的外护套破损并进水后，由于地下水是电解质，在销装层的镀锌钢带上

16、会产生对地一0.76V的电位，如内村层也破损进水后，在镀锌钢带与铜屏蔽层之间形成原电池，会产生0.334一(-0.76)1.1V的电位差，当进水很多时，测到的电位差会变小。在原电池中铜为“正”极，镀锌钢带为“负”极。当外护套或内村层破损进水后，用绝缘电阻表测量时，每千米绝缘电阻值低于0.5MQ时,用万用表的“正”、“负”表笔轮换测量销装层对地或销装层对铜屏蔽的绝缘电阻，此时在测量回路内由于形成的原电池与万用表内干电池相串联，当极性组合使电压相加时，测得的电阻值较小；反之，测得的电阻值较大。因此上述两次测得的绝缘电阻值相差较大时，表明已形成原电池，就可判断外护套和内村层已破损进水。外护套破损不一

17、定要立即检修，但内衬层破损进水后，水分直接与电缆芯接触并可能会腐蚀铜屏蔽层，一般应尽快检修。对重要电缆，试验周期为1年；一般电缆，3.6/6kV及以上者为3年，3.6/6kV以下者为5年。要求值为每千米绝缘电阻值不应低于0.5MQ。测量电缆内村层绝缘电阻。测量方法、周期及要求值同(2)。测量铜屏蔽层电阻和导体电阻比。在电缆投运前、重作终端或接头后、内村层破损进水后，应测量钢屏蔽电阻和导体电阻比。其测量方法是：用双臂电桥测量在相同温度下的铜屏蔽和导体的直流电阻。当前者与后者之比与投运前相比增加时，表明钢屏蔽层的直流电阻增大，铜屏蔽层有可能被腐蚀；当该比值与投运前相比减少时，表明附件中的导体连接点

18、的接触电阻有增大的可电缆主绝缘直流耐压试验。仅对新作终端或接头后的电缆进行直流耐压试验，因为它对发现接头内部的缺陷还是很有效的。直流试验电压如表47所示。交联聚乙烯电缆的直流耐压试验尚在争论中。表4-7交联聚乙烯电缆直流耐压试验电压(kV)电缆额定电压U/U01.8/33.6/66/66/108.7/1021/3526/3548/6664/110127/220直流试验电压11182525376378144192305对试验结果的要求是：1）在试验电压作用下，5min不击穿。2）耐压8min时的泄漏电流不应大于耐压1min时的泄漏电流。在日本，直流泄漏电流法被认为是目前适合现场使用的精密诊断方法

19、，准确度高，包括电流绝对值、极化指数和急冲变动。该方法具有代表性的测量回路，如图425所示。判断标准如表48和图426所示。表4-8对交联聚乙烯电缆的建议判例（日本）电压等级（kV）直流泄漏试验（k）交流tg6试验（kV）直流而每级加压30s最后加10min电压（kV）时间（min）6.62,4,91020.710224,6,12,162050.710335,10,15,202550.710判断标准参数泄漏电流（uA）突跳电流值随时间变化tg6值（）a0.1无下降1.有上升5综合判断“良”：全为a；“要注意”：除a及c以外；“不良”.有C时，宜考虑耐试验(a)(b)图4-25直流泄漏电流测量回

20、路（测C相）（a测量回路；（b）结构图图4-26泄漏电流随时间变化的波形1一正常电缆；2异常电缆；I-泄漏电流值较大；11一有突变；III一随时间而增大2.在线诊断方法在国外（主要是日本），交联聚乙烯电缆在线诊断方法主要有直流法、工频法、低频法及复合判断法等四大类。目前国外仍处于研究阶段，国内处于起步阶段。由于国内的研究是以上述方法为基础的，故简要介绍如下：（1）直流叠加法。其基本原理如图427所示。利用在接地的电压互感器的中性点处加进以低压直流电源（常用50V）:即将此直流电压叠加在电缆绝缘原已施加的交流相电压上，从而测量通过电缆绝缘层的微弱的直流电流（一般为nA级以上）或其绝缘电阻。ia；

21、廉ar聒武丄图4-27直流叠加法测量原理图试验证明：用直流叠加法测得的绝缘电阻与停电后加直流高压时的测试结果很相近。直流叠加法在国内已有应用，但因积累数据及经验还不多，尚无判断标准，表4-9列出日本利用直流叠加法测出绝缘电阻的判据，供参考。判断时要注意被试电缆的长度、材料及原始数据等。表4-9直流叠加法测出绝缘电阻的判断测定对象测量数据（MQ）评价处理建议电缆绝缘层绝缘电阻1000良好继续使用1001000轻度注意继续使用10100中度注意有戒备下使用，准备换1000良好继续使用绝缘电阻5%水树枝增多增长，将影响耐压图4-30电缆绝缘tgS在线检测回路图目前由直流成分法、直流叠加法、tg法三种

22、方法组成一体的电缆在线监测仪已在国外问世。根据国外的研究，并结合我国的具体情况，目前宜采用直流叠加法和tgS法所构成的复合判断法进行在线诊断。因为这种测量装置研制的难度小，现场测量中的干扰也相对小些。1992年，上海宝山钢铁（集团）公司和上海电缆研究所联合研制了一台电缆状况在线诊断仪，它是用两种方法（即直流叠加法和直流成分法）来检测交联聚乙烯电缆的绝缘状况，分析现场测试结果，用直流叠加法是成功的，而用直流成分法则还需进一步研究如何有效排除杂散电流的影响。防止故障的对策（一）设计造型适当留有裕度现场运行经验表明，对连续生产的重要负荷电缆，在设计选时宜适当留有裕度。这样做虽然投资稍大一点，但最终可

23、以减少电缆故障，延长电缆寿命，经济上还是合算的。例如，宝山钢铁（集团）公司，在一期工程中，大部分的10kV系统是中性点经电阻接地的系统，按规范选用6/10kV等级的电缆就可以了，但设计中采用了8.5/10kV等级的电缆，十余年来没有发生一次事故。据报导，在三期工程中也采用了这种方法。（二）敷设方式要因地制宜对不同的地区应采用不同的敷设方式。例如，在地下水位较高的地区及多雨地区，不宜采用直埋方式。电缆数量比较集中的地区应用电缆隧道或电缆井。对距变电所较远的个别用户可采用架空或防水型电缆。在南方电缆隧道内黄梅季节容易结露，应采用合适的通风措施。电缆隧道的各电缆人口处应有封堵措施，避免在下雨时雨水沿

24、电缆流入隧道内。隧道内应设有排水设施。电缆沟的电缆并应有防止两水侵人致使电缆泡在水中的措施，必要时应加排水泵。（三）选择质量好的电缆电缆质量的好坏对防止水树枝劣化至关重要。电缆的质量问题主要由生产设备不良，材料选用不当，工艺落后，质量管理和生产管理等原因造成的。所以在选择电缆时应对电缆的生产工艺、管理等有一定了解，以便能买到质量好的电缆、为减少故障奠定基础。把好施工质量关即使电缆质量很高，而施工质量不高，也会造成隐患。为此必须把好施工质量关，其基本途径如下；1重视热缩接头施工质量关键在于密封。热缩接头施工质量的好坏，关键在于密封。为把好密封关，应严格做好以下几点：加热的火候要适当。掌握喷灯或丙

25、烷喷枪的火候，防止过热或欠火。热缩时应保持火炬朝着向前移动的方向，以预热管材，赶走管内的气体。并且应不停地移动火炬，避免烧焦管材。火炬沿电缆方向移动以前，必须保证管子在周围方向已充分均匀地收缩。管子的两端应重复加热。管子整体热缩完毕后，管子的两端最后应重复加热，以保证其内部的粘合剂或热熔胶充分地热熔密封。接头各密封部位，如经移动，应再次加热，防止开胶。热缩好坏的判断。管子热缩以后，表面应光滑、无皱纹、天气泡，并能清晰地看到其内部结构的轮廓。管子两端的粘合剂或热熔胶充分地热熔以后，应略有外溢现象。消除尖端棱角。电缆线芯压接前后，应充分地打磨和冲洗，以消除棱角和尖端。绝缘层剥切以后，其表面的半导电

26、层，有的可以撕掉，有的需要用玻璃片刮掉，最后要求用细砂纸充分地打磨绝缘层表面，使其光滑无刀痕。绝缘层的切断处，要求削成锥体(或倒角)，切削时，要求表面光滑无刀痕元棱角。应力处理。屏蔽层的切断处，是应力比较集中的地方，这些地方电场比较强。因此，对接头在两侧电缆内屏蔽切断处和外屏蔽切断处，终端头在外屏蔽切断处，均要求包缠应力疏解胶，在切断处千万注意一定要用应力疏解胶填满缠紧不留空隙，这一措施对改善电场分布，消除应力集中，是行之有效的。清洁。做接头前，要求搭设临时工棚，以防风砂、雨雪、灰尘等侵入接头，影响施工质量。施工中所使用的工具应擦洗干净，包缠绝缘带时，操作人员应戴医用手套和口罩。应当指出，当用餐纸蘸着清洗剂清洗对接头或终端头绝缘表面时，其方向一定要从压接管向外屏蔽切断处进行，千万不能用接触过半导电