第五章电力线路

第五章电力线路学习内容●架空线、电缆线的结构及其导线截面的选择方法;●电缆的运行与维护。第一页，共七十七页。电力线路与发电厂、变电站互相连接，构成电力系统，用以输送电能。从其架设的方式来说可分为架空电力线路和电力电缆。本章讲述架空线、电缆线的结构及其导线截面的选择方法，电缆的运行与维护等。第二页，共七十七页。导线杆塔绝缘子避雷线图5-1架空线路的结构5.1架空电力线路的构造架空电力线路由导线、杆塔、绝缘子、防震锤、避雷线及金具等主要器件构成。第三页，共七十七页。5.1.1导线

1．导线的结构按导线的结构可分为单股导线、多股导线和空心导线；图5-2给出各种裸导线的构造。导线的功能是用于输送电能，是电力线路的主要组成部分，它不但要具有良好的导电性能，同时还应具备机械强度高、抗腐蚀性强、质轻价廉等特点。第四页，共七十七页。导线通常制成绞线，导线的材料有铜、铝、钢。铜的导电性能最好，机械强度大，抗腐蚀能力强，但价格高，应尽量少用。铝的导电性能仅次于铜，机械强度差，但重量轻，价格低，所以铝绞线是架空线路应用较多的导线。钢的机械强度较高，价格低，但导电性能差，工厂一般不用钢线。为了加强铝的机械强度，采用多股绞线的钢作为线心，把铝线绞在线心的外面，称为钢心铝绞线。输配电线路应采用多股裸导线，低压配电线路可使用单股裸铜导线，用电单位厂区内的线路一般采用外包绝缘导线。第五页，共七十七页。2．导线的型号

架空线路导线的型号由导线材料、结构、载流截面积三部分表示。其中，导线材料和结构用汉语拼音字母表示；载流截面积用数字表示，单位是mm2。

导线截面积300mm2加强型绞线钢芯铝导线LGJJ–300

第六页，共七十七页。5.1.2杆塔

杆塔是架空电力线路中架设导线的支撑物，把它埋设在地上，装上横担及绝缘子，导线固定在绝缘子上。杆塔的型式与线路电压等级、线路回路数、线路的重要性、导线结构、气象条件、地形地质条件等因素有关。

按杆塔的材料不同可分为钢筋混凝土杆塔、木杆塔、铁塔等。目前木杆塔已基本不用；铁塔主要用在超高压、大跨越的线路及某些受力较大的杆塔上；钢筋混凝土杆塔不仅可节省大量钢材，而且机械强度较高，使用最为广泛。

按杆塔的用途可分为直线杆塔、耐张杆塔、转角杆塔、终端杆塔、分歧杆塔、跨越杆塔等，如图5-3所示。第七页，共七十七页。转角杆塔图5-3杆塔耐张杆塔直线杆塔第八页，共七十七页。hLf图5-4档距、弧垂、限距输电线路的术语：档距——相邻杆塔导线悬挂点之间的水平距离称为档距，用字母L表示；弧垂——导线上任意点到悬挂点连线之间在铅垂方向的距离，用字母f表示，一般情况下弧垂特指一档距内的最大弧垂；限距——导线到地面的最小距离，用字母h表示；耐张段——两个耐张杆塔之间的距离。第九页，共七十七页。5.1.3绝缘子

绝缘子是用来固定导线的，起着支撑和悬挂导线并使导线与杆塔绝缘的作用；绝缘子同时也承受导线的垂直荷重和水平荷重，所以它应具有足够的绝缘强度和机械强度，同时对化学杂质的侵蚀具有足够的抗御能力；还能适应周围大气条件的变化，如温度和湿度变化对它本身的影响。绝缘子表面做成波纹状，凹凸的波纹形状延长了爬弧长度，而且每个波纹又能起到阻断电弧的作用。大雨时雨水不能直接从上部流到下部，因此凹凸的波纹形状又起到了阻断水流的作用。第十页，共七十七页。1.绝缘子种类（1）针式绝缘子

针式绝缘子的型号：图5-6针式绝缘子(a)用于10kV；(b)用于35kV(a)(b)第十一页，共七十七页。(2)悬式绝缘子图5-7悬式绝缘子悬式绝缘子的型号：第十二页，共七十七页。(3)碟式绝缘子碟式绝缘子的型号：

第十三页，共七十七页。(4)瓷横担绝缘子瓷横担绝缘子的型号：

第十四页，共七十七页。2．悬式绝缘子串片数的确定（1）按正常工作电压计算绝缘子串的片数每一悬垂上的绝缘子个数是根据线路的额定电压等级按绝缘配合条件选定的。目前采用的主要方法是保证绝缘子串有一定的泄漏电流距离。单位泄漏距离用表示，也叫泄漏比距，它表示线路绝缘或设备外绝缘泄漏距离与线路额定电压的比值，我国的泄漏比距规定值见表5-1。由表5-1可知，对于一般地区的线路，为保证正常工作电压下不致闪络，泄漏比距不应小于1.6cm/kV，且第十五页，共七十七页。

式中，S为绝缘子串的泄漏比距，cm/kV；n为每串绝缘子的片数；为每片绝缘子的泄漏距离，cm；为线路额定电压，kV。因此，绝缘子的个数应为≥

第十六页，共七十七页。表5-1泄漏比距规定值第十七页，共七十七页。（2）实际线路直杆塔采用绝缘子串的片数

综合考虑工作电压下泄漏比距的要求、内部过电压下湿闪的要求、大气过电压下耐雷水平的要求，绝缘子串片数取值见表5-2。表5-2绝缘子串片数取值第十八页，共七十七页。3.耐张杆塔的绝缘子串片数

耐张杆塔绝缘子串的片数应比直杆的同型绝缘子多一片。第十九页，共七十七页。5.1.4防震锤

防震锤用来减弱导线的振动,当导线振动时，重锤因惯性不断上下甩动，使钢绞线上下弯曲，造成股间及绞线内部分子之间的摩擦而消耗一部分能量，从而削弱导线振动的能量，使导线在一定的振幅下达到能量平衡。第二十页，共七十七页。5.1.5避雷线

避雷线的作用是将雷电吸引到自身来，并将雷电流安全引入大地，从而保护架空线路免受雷击。避雷线又称架空地线，一般采用钢绞线。

第二十一页，共七十七页。5.1.6金具

金具是用于固定导线、绝缘子、横担等的金属部件，是用于组装架空线路的各种金属零件的总称。以下是常用的几种金具。1．悬垂线夹2.耐张线夹3.金具4.连接金具5.保护金具第二十二页，共七十七页。5.2架空线路导线截面选择5.2.1导线截面选择原则1．按经济电流密度选择

输电线路和高压配电线路由于传输距离远、容量大、运行时间长、年运行费用高，导线截面积一般按经济电流密度选，以保证年运行费用最低。2．按长时允许电流选择所选导线截面保证导线在最大允许负荷电流下长时工作不致过热。3．按允许电压损失选择所选导线截面使线路电压损失低于允许值，以保证供电质量。4．按机械强度条件选择架空导线按机械强度要求的最小允许截面应满足表5-4的规定，以防止架空线受自然灾害条件影响发生断线。第二十三页，共七十七页。表5-5架空导线按机械强度要求的最小允许截面单位：mm2

第二十四页，共七十七页。

根据架空线路导线截面选择的基本原则，在导线截面选择时要针对不同的电力网特点，灵活运用技术经济条件，合理选择。高压架空线路导线截面的选择，首先按经济电流密度初选，然后按其他条件进行校验，最后按各种条件中最大者选取。低压架空线路往往负荷电流较大，首先按电压损失条件或按长时允许电流条件选择导线截面，再按其他条件进行校验。第二十五页，共七十七页。5.2.2架空电力线路截面选择计算1．按机械强度选择导线截面架空导线按机械强度要求的最小允许截面见表5-4。

2．按经济电流密度选择导线截面年综合费用最小时所对应的截面称为经济截面，对应的电流密度称经济电流密度。我国现行的经济电流密度见表5-6。第二十六页，共七十七页。表5-6我国现行的经济电流密度第二十七页，共七十七页。

年电能损耗与年最大负荷利用小时数有关，所以经济电流密度与有关。按经济电流密度选择导线截面应首先确定，然后根据导线材料查出经济电流密度，再按线路正常运行最大长时工作电流，由下式计算出导线经济截面(mm2)

式中，为经济截面；为经济电流密度；为计算电流。。从相关手册中选取一种与最接近的标准截面的导线，然后再按其他技术条件校验截面是否满足要求。第二十八页，共七十七页。(1)机械强度校验为了保证电力运行安全可靠，一切电压等级的电力线路都应具有必要的机械强度。架空导线按机械强度要求的最小允许截面见下表：表5-4架空导线按机械强度要求的最小允许截面单位：mm2

第二十九页，共七十七页。（2）热稳定校验

一切电压等级的电力线路都要按照发热条件校验导线截面。按热稳定要求的导体最小截面为式中，C为热稳定系数；为稳态短路电流；为假想时间。（3）电压损耗校验为保证供电质量，导线上的电压损失应低于最大允许值，通常不超过5%。第三十页，共七十七页。3．按长时允许电流选择导线截面

当导线通过的电流超过其允许通过的电流时，将使导线过热，严重时会引起火灾和其他事故。因此，选择导线截面应使导线的长时允许电流大于线路长时最大工作电流（包括故障情况），即为环境温度25℃下的导线长时允许载流量，当环境温度为时，导线的长时允许载流量应按下式进行修正

式中，指环境温度为时的长时允许电流；为导线最高允许温度。第三十一页，共七十七页。4．按允许电压损失选择导线截面电流通过导线时，除产生电能损耗外，由于线路上有电阻和电抗，还要产生电压损失等，影响电压质量。当电压损失超过一定的范围后，将使用电设备上的电压过低，严重影响用电设备的正常运行。按规定，高压配电线路的电压损失一般不得超过线路额定电压的5％。所以，要保证设备的正常运行，必须根据线路的允许电压损失来选择导线截面。线路的电压损失是指线路始、末两端电压的有效值之差，以表示，则第三十二页，共七十七页。

如果以百分数表示，则在选择导线截面时，实际电压损失不超过允许电压损失，即为了保证供电质量，对各类电力网规定了最大允许电压损失，见下表：第三十三页，共七十七页。表5-9电力网最大允许电压损失百分数第三十四页，共七十七页。线路的电压损失计算如下：（1）仅末端有一集中负荷电压损失计算设三相交流线路，其终端有一集中负荷且各相负荷平衡，为始端电压，为终端电压，如图5-11(a)所示。以为基准，做出一相的电压相量图,如图5-11(b)所示。图5-11终端负荷线路及相量图（a）电路图，（b）相量图第三十五页，共七十七页。图5-11(b)中，式中，I为负荷电流，A；R为线路相电阻，Ω；X为线路相电抗，Ω；为负荷的功率因数角。用功率表示时：由于一相线路的电压损失为故三相对称系统的线电压损失为

式中，P为负荷的有功功率，kW；Q为负荷的无功功率，kvar；为线路额定电压，kV；l为线路长度，km；分别为线路单位长度的电阻和电抗，Ω/km，其值查下表：第三十六页，共七十七页。表5-10LJ型导线的电阻和电抗第三十七页，共七十七页。（2）线路分布负荷电压损失计算分布负荷是指一条线路沿途接有许多负荷，如图5-12所示。图5-12分布负荷的线路参数与负荷分布第三十八页，共七十七页。

其电压损失可根据叠加原理进行计算，求电压损失计算式为式中，分别为各分布负荷的有功及无功功率；分别为各线段上负荷的有功及无功功率；分别为电源至各负荷的线路电阻及电抗；分别为各线段上的线路电阻及电抗。第三十九页，共七十七页。（3）按允许电压损失选择导线截面

通过上述分析可知，允许电压损失是有功功率在电阻上的损失与无功功率在电抗上的损失之和，即式中，P为线路的有功功率；l为线路长度；为导线截面，mm2；为导线的导电率；为线路总的有功功率引起的电压损失，kV；为线路总的无功功率引起的电压损失，kvar。根据计算的选取的标准截面必须满足：第四十页，共七十七页。例5-1：从变电站架一条10kV的架空线向3个负荷供电，最大负荷年利用小时数为3000h∼5000h，导线采用LJ线，线间几何间距为1m，线路长度及各负荷如图5-13所示。该地区最高环境温度为38℃，试选择线路的导线截面（允许电压损失为5％）。图5-13

第四十一页，共七十七页。5.2.3闭式电网的计算

闭式电网(closedpowergrid)最简单的形式是环形电网及两端供电电网。闭式电网中的每个用户都能从两个及以上的输电线获得电源。如图5-14所示。闭式电网的电压损失计算，首先根据负荷分布计算出电网的功率分布，找出功率分点，然后把闭式电网从功率分点分开，按开式电网计算电压损失的方法求出电网始端、末端的电压。第四十二页，共七十七页。闭式电网中功率分布的计算采用近似法计算闭式电网中的功率分布时，首先略去各线段中的功率损耗对功率分布的影响，求出近似的功率分布，然后根据这一功率分布，求出各线段的功率损耗，再与各点的功率相加，即得线路的功率分布。在具体近似时，先根据线路参数与负荷分布绘出等值电路图，如图5-15所示。图5-14闭式电网(a)环形电网；(b)两端供电电网第四十三页，共七十七页。

当电源电压、，线路参数、、、，变电所负荷，，均为已知时，且假定各段的功率分相如图5-15所示，忽略网络损耗的影响，按基尔霍夫定律可求得各线段的功率和电压降：图5-15两端供电线路的等值电路(5-21)第四十四页，共七十七页。由于忽略了线路的功率损耗，负荷电压均取额定电压。将(5-22)式用功率表示式中，为额定电压的共轭值

将式（5-21）代入(5-23)，整理得(5-22)(5-23)(5-24)第四十五页，共七十七页。

得电源A输出的功率同理可得电源B输出的功率

(5-25)(5-26)第四十六页，共七十七页。2．闭式电网中的电压损失计算及导线截面的选择各段负荷计算出后，就可求出功率分点，然后从功率分点将闭合电网分开成两个开式电网，这样就可以进行电压损失计算了。所谓功率分点就是该点负荷同时由两侧电源供电的点，通常在电路图中用符号“▼”表示。如果有功功率分点与无功功率分点不重合时，则用“▼”代表有功功率分点，用“▽”代表无功功率分点。当有功功率分点与无功功率分点重合时，功率分点就是电网电压的最低点。若不重合，需要确定电压的最低点是在有功分点上还是在无功分点上。图5-16给出了闭式电网分成开式电网的电路。第四十七页，共七十七页。闭式电网中的功率分布与网络参数有关，当导线截面尚未选定时，要确定电网的功率分布可采用两种方法。当导线截面相等，网络参数只与线路长度有关，可根据各段线路长度求得电网的功率分布。这种方法适用于负荷点较密线路较短的网络，也适用于大的区域网络；另一种方法是按供电距离最小的原则，人为地将电网从中间分开，从而确定其功率分布。第四十八页，共七十七页。图5-16闭式电网（a）闭式电网电路；（b）从功率分点分开后的电路第四十九页，共七十七页。5.3电缆线路的结构电力电缆主要用于城区、国防工程和电站等必须采用地下输电的场合。一般敷设在地下的廊道内，其作用是传输和分配电能。电缆线路的结构主要由电缆、电缆接头、终端头、电缆支架与电缆夹等组成。

第五十页，共七十七页。电力电缆线路与架空输配电线路比较有以下优点：（1）运行可靠。由于电力电缆大部分敷设于地下，不受外力破坏，所以发生故障的几率较少。（2）供电安全，不会对人身造成各种危害。（3）维护工作量小，无需频繁地巡视检查。（4）不需要架设杆塔，使市容整洁，交通方便，还能节省钢材。（5）电力电缆的充电功率为电容性功率，有助于提高功率因数。缺点：电力电缆的成本高，价格昂贵（约为架空线路的10倍）。第五十一页，共七十七页。5.3.1电缆的构造电力电缆主要由三大部分组成：线芯、绝缘层、保护覆盖层。如图5-17和图5-18所示。线芯绝缘填充绝缘铅包保护层钢带铠装图5-17常用电缆的构造线芯：起传导电流的作用，一般由铜或铝的多股线绞合而成。绝缘层：用于承受电压，起绝缘作用。保护覆盖层：用于保护电缆的绝缘层使其在运输、敷设和运行中不受外力的损伤的水分的侵入。第五十二页，共七十七页。(a)(b)(c)图5-18扇形电缆(a)2芯；（b）3芯；(c)4芯1.芯线，2.芯绝缘，3.带绝缘，4.铅层第五十三页，共七十七页。5.3.2电缆的形式及型号电力电缆有多种形式，主要分类方式有以下几种。线芯数分：单芯、双芯、三芯、四芯等。结构分：统包式、屏蔽式和分相铅包式等。应用于超高压系统的新式电力电缆有充油式、充气式和压气式等。电力电缆的型号及字母含义见表5-11。第五十四页，共七十七页。表5-11电缆的型号及字母含义第五十五页，共七十七页。5.3.3电缆接头与电缆终端头电缆敷设完毕以后，必须将各段连接起来，使之成为一个连续的线路。这些起到连续作用的接点叫做电缆接头。一条电缆线路首端或末端用一个盒子来保护电缆芯的绝缘，并把内导线与外面的电气设备相连接，这个盒子叫终端头。电缆出厂时，两端都是密封的，使用时电缆与电缆的连接、电缆与设备的连接都要把电缆芯剥开，这就完全破坏了电缆的密封性能。电缆接头和电缆终端头不单起到电气连接作用，其另一个主要作用就是把电缆连接处密封起来，以保持原有的绝缘水平，使其能安全可靠地运行。第五十六页，共七十七页。5.4电力电缆线芯截面选择计算高压电力电缆是根据其结构类型、电压等级和经济电流密度来选择，并以其最大、正常运行情况下电压损失以及短路时的热稳定进行校验。1.按经济电流密度选择电缆截面根据高压电缆线路所带负荷的最大负荷年利用小时数及电缆线心材质，查出经济电流密度，然后计算出正常运行时的最大负荷电流，则经济截面

第五十七页，共七十七页。根据经济电流密度选择出标准电缆截面后，还必须按最大长时允许工作电流校验。

为与环境温度、土壤热阻与敷设方式有关的综合修正系数。为电缆温度的修正系数，为直埋时的土壤热阻率修正系数，为空气中多根并列敷设时载流量的修正系数，为环境温度为时电缆长时允许电流。2、按长时允许工作电流校验所选截面第五十八页，共七十七页。表5-12油浸纸绝缘铅（铝）包铠装电力电缆的长时允许电流

(环境温度为25°)单位：A第五十九页，共七十七页。表5-14直埋时的土壤热阻率修正系数表5-15空气中多根并列敷设时载流量的修正系数第六十页，共七十七页。3.按允许电压损失选择电缆截面电缆具有一定的电阻和电感，当负载电流在电缆中通过时，必然会产生一定的电压损失,下面求一下电压损失。(a)(b)图5-19电缆电压损失等值电路及相量图(a)电路图；(b)相量图第六十一页，共七十七页。若用百分数表示电压损失，则一相电压损失：三相电压损失：由于电缆的电抗值较小，一般每公里约为0.08Ω，故计算电压损失时，只考虑导线电阻的影响，电抗值常忽略不计。因此，对于终端负荷电压损失为：对于均一导线分布负荷电压损失为：第六十二页，共七十七页。4．按短路电流校验电缆的热稳定性满足下式热稳定要求的最小截面为式中，为三相最大短路稳态电流，A；为短路电流作用的假想时间，s；为热稳定系数，见表5-16。表5-16各种电缆的热稳定系数第六十三页，共七十七页。验算电缆热稳定的短路点按下列情况确定(1)单根无中间接头电缆，选电缆末端短路；长度小于200m的电缆，选电缆首端短路。(2)有中间接头电缆，短路点选择在第1个中间接头处。(3)无中间接头的并列连接电缆，短路点选择在并列点后。第六十四页，共七十七页。例5-2某矿井下计算负荷为3014kVA，电压6kV，功率因数，下井电缆长度700m，向其供电的变电所最大短路容量为96.7MVA，继电保护动作时间为0.5s。最大负荷年利用小时数为3000h∼5000h，试选择馈出电缆截面。解：（1）确定电缆型号。可选择铝芯纸绝缘铅包钢丝铠装电缆。（2）按经济电流密度选择电缆截面根据＝3000h～5000h，查表5-5的经济电流密度为1.73A/mm2。故选择ZLQD5型3×150铝芯纸绝缘铅包钢丝铠装电力电缆。第六十五页，共七十七页。（3）按长时允许电流校验所选截面查表5-11得,6kV铝芯3×150电缆在空气中敷设时＝255A，小于负荷电流290A，故所选截面不符合要求。又查得6kV铝芯3×185电缆＝295A大于290A，所以改选电缆截面为3×185mm2。

（4）按电压损失校验高压配电线路允许电压损失为5％，故而线路实际电压损失故电压损失满足要求。

第六十六页，共七十七页。（5）按短路电流热稳定条件校验三相最大稳态短路电流短路电流作用的假想时间,取断路器动作时间为0.2s，则对于无穷大系统取

电缆最小热稳定截面：80.77mm2<185mm2,所以选用ZLQD5-3×185电缆满足要求。第六十七页，共七十七页。例：有一6KV油浸纸绝缘铜心电缆，向两个负荷供电，如下图所示。电网最大允许电压损失为5%，电源短路容量为46MV.A，年利用小时数为3000~5000h，配出线继电保护动作时间为1s，试选择电缆截面。（短路时最高允许温度为250）第六十八页，共七十七页。5.5电力电缆故障与诊断5.5.1运行中的电力电缆故障1.电缆故障产生的原因电缆故障产生的原因主要有电缆绝缘的破坏和机械损伤，此外还有过电压和材料缺陷。（1）产生电缆绝缘破坏有以下几种原因。①由于绝缘层的介质损耗和线芯保护层损耗，可能造成电缆过热，加速了绝缘层的老化。②塑料绝缘电力电缆，在长期电场的作用下，就会发生树枝化放电，使绝缘降解破坏，造成贯穿击穿。③由于电解和化学作用造成保护层的腐蚀。④电缆密封不严，绝缘层进水变潮、电缆过负荷或散热不良、电缆通风不良等可能造成电缆绝缘的加速破坏。第六十九页，共七十七页。（2）产生机械损伤有以下几种原因。敷设过程中电缆因受拉力过大或弯曲过度而造成绝缘层和保护层的破坏。由直接外力造成的破坏，如挖掘、打桩、震动、冲击等。因电缆自然膨胀和土壤下沉所产生的过大拉力，造成中间接头或终端头破损。（3）过电压大气过电压和内部过电压使电缆绝缘所承受的电应力超过允许值而造成击穿。对实际故障进行分析表明，许多户外终端头的故障是由于大气过电压引起的，电线本身的缺陷也会导致在大气过电压时发生故障。（4）材料缺陷①电缆制造的问题，主要有铅(铝)包留下的缺陷，在包缠绝缘过程中，纸绝缘上出现折皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷。②电缆附件制造上的缺陷。③电缆中间接头和终端头绝缘材料受潮、脏污和老化。第七十页，共七十七页。①低阻接地或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于100kΩ，一般常见的有单相接地、两相或三相短路或接地。②高阻接地或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常值很多但高于100kΩ，但导体连续性良好。一般常见的有单相接地、两相或三相短路或接地。③断线故障。电缆各芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体不连续。④断线并接地故障。电缆各芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体不连续，且经电阻接地。⑤闪络性故障。这类故障多发生在预防性耐压试验时，并且多出现在电缆中间接头或终端头内。当所加电压达到某一值时击穿，电压低至某一值时绝缘又恢复。⑥封闭性故障。有时电缆在一定电压下发生击穿，待绝缘恢复后击穿现象就完全停止了。2．电缆故障的类别第七十一页，共七十七页。5.5.2电力电缆故障的诊断电缆故障的检测一般要经过诊断、测距、定点三个步骤。1．诊断电缆故障的性质。通常可根据故障时发生的现象初步判断故障的性质。例如，运行中的电缆故障时，若只有接地信号，则有可能是单相接地故障