一、电缆及附件基本知识
1、电力电缆结构特性：
A、油浸纸绝缘电缆与XLPE绝缘电缆桔构区别
1) 油浸纸绝缘统包型电缆
三芯油浸纸绝缘电力电缆结构图
1—扇形导体；2—导体屏蔽；3—油浸纸绝缘；4—填充物；5—统包油浸纸绝缘；6—绝缘屏蔽；7—铅（或铝）护套；8—垫层；9—钢丝铠装；10—聚氯乙烯外护套
2) 油浸纸绝缘分相铅包（铝包）型电缆
分相铅套电力电缆结构图
1—导体；2—导体屏蔽；3—油纸绝缘层；4—绝缘屏蔽；5—铅护套；6—内垫层及填料；7—铠装层；8—外被层；
3) 110kVXLPE绝缘电缆
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110kVXLPE绝缘电缆结构图
B、XLPE绝缘电缆结构组成及作用
1) 导体 紧压型线芯作用：
a、 使外表面光滑，避免引起电场集中；
b、 防止挤塑半导电屏蔽层时半导电料进入线芯； c、 可有效地防止水分顺线芯进入。
注意安装时选择合适的内孔金具及压模，注意铜芯与铝芯电缆压模不同。
金具壁厚面积 / 线芯截面积Cu≥1 Al≥1.5
金具板部平面面积电流密度 Al < 0.32A/mm2 Cu < 0.44A/mm2
2) 导电屏蔽层 ρν = 104Ω•cm 作用：
a、 屏蔽层具有均匀电场和降底线芯表面场强的作用； b、 提高了电缆局部放电的起始放电电压，减少局放的可能性；
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c、 抑制树枝生长； d、 热屏障作用。
3) 绝缘层 作用：
绝缘是将高压电极与地电极可靠隔离的关键结构。
a、 承受工作电压及各种过电压长期作用，因此其耐电强度与长期稳定性能是保证整个电缆完成输电任务的最重要部分；
b、 能耐受发热导体的热作用保持应有的耐电强度。
作为近年来广泛使用的交联电缆的绝缘，是由单一介质交联聚乙烯（XLPE）构成，它的主要优点是：
a、优良的电气性能：耐电强度高（长期工频击穿强度20—30kV/m，冲击击穿强度40—65kV/m），介损小（工频时tgδ=0.0002—0.001）,介电常数小（2.3—2.5）；（注：空气的工频击穿强度为1.7—2.1 kV/m，也是局部放电起始场强）
b、耐热性能好（连续工作温度90℃），因而载流量较大； c、不受落差限制。
因而，对于超高压长距离输电非常有利。 但它也有明显的缺点：
a、耐局部放电性能差，受杂质和气隙及水份的影响很大，在这些缺陷处易产生局部电场集中，发生局部放电，造成不可恢复的永久性损坏；
b、热膨胀系数大，热机械应力效应严重。
所以，交联电缆的生产特别强调纯净，尤其是高压超高压电缆的质量
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更是由材料的纯净度决定的。对于交联电缆附件，除了结构设计正确合理外，最重要的问题也是清洁问题，尤其是附件所涉及绝缘界面往往是电场易变的地方，一但有杂质、气隙等，其绝缘性能会显著下降。 （1） 绝缘材料：
交联聚乙烯与聚乙烯性能对比：
性 能 项 目 体积电阻率/（Ω•cm） 介质损耗角正切 相对介电常数 击穿强度/(kV•mm-1) 抗张强度/Pa 在10％盐酸70℃浸7天后 在苯溶液70℃浸7天后 伸长率 在10％盐酸70℃浸7天后 在苯溶液70℃浸7天后 在50℃二甲苯中应力开裂时间/h 耐热老化性能 耐热变形性能
聚 乙 烯 3×1015 0.0002 2.11 43.6 130×105 78×105 溶 600％ 37％ 碎 1—5 交 联 聚 乙 烯 5×1014 0.0006 2.11 37.8 176×105 82×105 33×105 526％ 83％ 94％ 7500 在110℃以上完全 在150℃下浸14天，熔融 机械性能基本不变 在110℃加5N负荷，有120℃下加5N 完全压出，变形率达负荷变形达30％95％ —40％ 聚乙烯经过交联后大大地提高了聚乙烯的机械、耐热抗蠕变以及抗环境开裂性能。
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各种绝缘材料的物理性能：
材 料 聚氯乙烯 聚乙烯 交联聚乙烯 聚四氯乙烯 费化乙30丙烯 ETFE 抗拉强度 伸张度 常用符号 （kg•cm2） (%) PVC PE XLPE TFE FEP 168 98 210 210 210 420 497 56-126 10.5-280 49-105 84-119 168 350-560 280-490 1260 910 140-490 260 300 120 150 150 150 300 100-800 60-700 500-700 300 350 100-600 300-600 707 185 200-300 密 度 (g•cm3) 1.2-1.5 0.92 1.2 2.15 2.15 1.7 1.76 1.15-1.38 1.23 0.92 0.86-0.87 1.4-1.95 1.24-1.26 1.1 1.42 1.39 1.76 抗 磨 性 差 差 适中 适中 差 好 好 适中 好 适中 适中 适中 好 好 优 优 好 抗切割性 差 差 适中 适中 差 好 好 差 好 适中 适中 适中 好 好 优 优 好 Tefzel (ETFE) 氯丁（二烯）Kynar 橡胶 Silicone 硅胶 Neoprene 氯丁橡胶 Butyl 丁基橡胶 EPDM EPDM 橡胶碳氧化合Viton 物 Urethane 聚氨酯 Nylon 聚酰亚胺 Kapton 薄膜 Mylar 聚酯薄膜 Polyakene
各种绝缘材料的电性能：
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绝缘强度介 电 材 料 常用符号 （kV•cm-1） 常 数 PVC 聚氯乙烯 16 5-7 PE 聚乙烯 19 2.3 XLPE 交联聚乙烯 28 2.3 TFE 聚四氯乙烯 19 2.1 FEP 费化乙30丙烯 20 2.1 Tefzel ETFE 20 2.6 (ETFE) 氯丁（二烯）橡胶 Kynar 6 7.7 Silicone 硅胶 23-28 3-3.6 Neoprene 氯丁橡胶 45 9 Butyl 丁基橡胶 24 2.3 EPDM EPDM 24 2.3 Viton 橡胶碳氧化合物 20 4.2 Urethane 聚氨酯 18-20 6.7-7.5 Nylon 聚酰亚胺 15 4-10 Kapton 薄膜 106 3.5 Mylar 聚酯薄膜 102 3.1 Polyakene 74 3.5
(2)、绝缘层厚度：
64/110kVXLPE电缆绝缘层厚度（GB11017—89）：
损耗体积电阻系数 率（Ω•cm） 0.02 2×1014 0.005 1016 0.005 1016 0.0003 1018 0.0003 1018 0.005 0.02 0.003 0.03 0.003 0.003 0.14 0.055 0.02 0.003 0.15 0.028 1016 2×1014 2×1015 1011 1017 1017 2×1013 2×1011 4.5×1013 1018 6×1016 6×1013 导体截面/mm2 240 300 400 500 630 800 1000 1200
标称绝缘层厚度/mm 19.0 18.5 17.5 17.0 16.5 16.0 16.0 16.0 6
(3)气隙和杂质对绝缘的影响：
几个国家厂商对绝缘中气隙尺寸要求及生产水平：
厂商及品种 上海电缆厂干法工艺 上海电缆厂湿法工艺 德国110kV电缆 日本住友电工干法 日本住友电工湿法 日本高电压试验专业委员会电缆高压试验分委员会（RPST）<80 规定11—77kV电缆 美国联合爱迪生照明公司交联<76，且>50的在16.4cm3中聚乙烯电缆规范 不超过30个 我国交联电缆小组拟订 电缆<80 气隙尺寸/μm 内层 中外层 <3 <3 数微米 10-30 <3 <20 ≈5 30-50 4) 绝缘屏蔽层：
作用：保证能与绝缘紧密接触，克服了绝缘与金属无法紧密接触而产生气隙的弱点，而把气隙屏蔽在工作场强之外，在附件制作中也普遍采用这一技术。
5) 金属屏蔽层： 作用：
a、 形成工作电场的低压电极，当局部有毛刺时也会形成电场强度很大的情况，因此也要力图使导体表面尽量做到光滑完整无毛刺；
b、 提供电容电流及故障电流的通路，因此也有一定的截面要求。
单芯电缆线路接地系统的处理
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单芯电缆的导线与金属屏蔽的关系，可看作一个变压器的初级绕组。当电缆的导线通过交流电流时，其周围产生的一部分磁力线将与屏蔽层铰链，使屏蔽层产生感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比，电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，屏蔽上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。如果屏蔽两端同时接地使屏蔽线路形成闭合通路，屏蔽中将产生环形电流，电缆正常运行时，屏蔽上的环流与导体的负荷电流基本上为同一数量级，将产生很大的环流损耗，使电缆发热，影响电缆的载流量，减短电缆的使用寿命。因此，电缆屏蔽应可靠合理的接地，电线外护套应有良好的绝缘。以下是单芯电缆线路的几种接地方式：
1、 屏蔽一端直接接地，另一端通过护层保护接地：
当线路长度大约在500~700m及以下时，屏蔽层可采用一端直接接地 (电缆终端位置接地)，另一端通过护层保护器接地。这种接地方式还须安装一条沿电缆线路平行敷设的回流线，回流线两端接地。敷设回流线时应使它与中间一相电缆的距离为0.7s(s为相邻电缆间的距离)，并在线路一半处换位。(见下图)
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1-电缆 2-终端 3-电缆金属屏蔽(护套)接地线 4-护层保护器 5-接地保护箱 6-回流线 7-接地箱 2、 屏蔽中点接地
当线路长度大约在1000~1400m时，须采用中点接地方式。
在线路的中间位置，将屏蔽直接接地，电缆两端的终端头的屏蔽通过护层保护器接地。中间接地点一般需安装一个直通接头(见下图)
中点接地方式也可采用第二种方式，即在线路中点安装一个绝缘接
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头，绝缘接头将电缆屏蔽断开，屏蔽两端分别通过护层保护器接地，两电缆终端屏蔽直接接地。(见下图)
3、 屏蔽层交叉互联：
电缆线路很长时(大约在1000~1400m以上)，可以采用屏蔽层交叉互 联。这种方法是将线路分成长度相等的三小段或三的倍数段，每小段之间装设绝缘接头，绝缘接头处三相屏蔽之间用同轴电缆，经交叉互联箱进行
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换位连接，交叉互联箱装设有一组护层保护器，线路上每两组绝缘接头夹一组直通接头。(见下图)
6) 护层：
作用：是保护绝缘和整个电缆正常可靠工作的重要保证，针对各种环境使用条件设计有相应的护层结构，主要是机械保护（纵向、经向的外力作用）防水、防火、防腐蚀、防生物等，可以根据需要进行各种组合。
二、电缆附件的结构原理
1、电缆接头及终端的电场分布与结构特性：
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A、 电力线及等位线
为了分析电缆附件电场情况，通常用电力线及等位线（等电位线）来形象化的表示电场分布状况。
（1）、电力线与等位线直角相交（正交）；
（2）、用电力线分析电场时，集中的部位电场强度高； （3）、用等位线分析电场时，曲率半径愈小的地方场强越高。
B、电缆末端（电缆终端）电场分布
图 电缆终端电场分布 图 外半导体屏蔽端口电场分布
1—线芯； 2—电缆绝缘； 1—绝缘；2—导体；3—轴向磁力线； 3—铅护套 4—外半导体屏蔽层；5—径向磁力线
当电缆的绝缘屏蔽层切开之后，在外屏蔽端口将产生电应力集中现象，电场突然变化，并且电缆终端处电场分布畸变要比接头中的电场畸变严重，电场在该处不但有垂直分量，而且出现切向分量。
C、应力控制结构
电力电缆终端或接头中的应力结构主要有两种： （1）、几何法：应力锥（如冷缩附件、高压附件）；
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（2）、参数法：应力带或应控管（如热缩附件）。
应力锥主要由绝缘和半导电两部分组成，其中绝缘部分用以增强电缆
绝缘，半导电部分与电缆外半导电屏蔽结合，以控制电场分布。
应力锥结构图
应控管是通过控制材料的特殊电气参数，如高介电常数ε>20，体积 电阻率ρν 为 108—1012Ω•cm，应控管安装在附件中，使电场中电力线在两种不同介电常数介质的界面上遵循一定的折射规律（应力控制片 13 界面上折射图 由此可见，两种介质的介电常数差别越大，发生折射的角度也越大，当高介电常数的材料有一定厚度时，电力线在另一面的位移就大，位移越大，场强越小。 图 应力层中电力线位移 14 图 终端应力层等值电路模型 a、等值电路； b、等值参数电路 应力控制管的最小长度按经验公式确定，即 L=KU0 式中 U0 — 相电压，kV； K — 泄漏距离，一般取K=1.2cm/kV。 6―35kV级电缆的应力管长度可按下表查取： 6―35kV应力管的长度表： 额定电压 / kV 6 8 10 15 35 U0 / kV 3.5 4.6 5.8 8.7 20.2 Lmin / cm 4.2 6 7 11 25 两种应力控制方式性能对比： 从上述分析可知，在应力控制中，虽然应力层控制电场分布有体积小、结构简单等优点，但对于超高压电缆来说，应力层中材料参数的选择至关重要，体积电阻率选择太小，会使应力层在运行时电阻电流发热而老化，同时介电常数过大，电容电流也会产生热量而使应力层发热老化，故必须 15 根据电压等级选择应力材料参数。应力锥结构虽然参数比较容易控制，但体积较大，加工工艺要求严格，如果喇叭口制做的不合适会引起电场在此集中，特别是现场绕包的应力锥更易出现操作缺陷，而预制式应力锥基本能够克服上述缺点，因而目前是国外较常采用的一种方法。 D、接头电场分布 应力锥的曲线曲率，及屏蔽套的两端口曲率半径直接影响到电场分布。 电 场 分 布 图 2、电缆附件中的界面特性 XLPE绝缘电缆，由于其绝缘材料的特殊性能，使这种电缆的绝缘强度很高，在一般情况下，本体主绝缘击穿的可能性很小，同时配合交联聚乙烯的电缆附件，不论是什么形式（如热缩、预制、冷缩等）都是用很好的绝缘材料制成，附件本身的绝缘不成问题，所以关键要解决电缆绝缘本体和附件之间的界面问题。 尽管我们设计附件时采用了适当的裕度，保证一般电缆使用中不会出现问题，但由于电缆制造工艺的千差万变，使得同一截面的电缆绝缘外径相差非常大，例如：240mm2 XLPE电缆标称绝缘外径应为φ21.5mm，而目前大多数电缆为φ19.2mm，这就带来了预制电缆附件的安装困难。 16 热缩形电缆附件主要靠附件加热收缩过程中产生界面握紧力来保证界面特性，当附件安装完成后进入运行，随着电缆负荷的变化，气候条件温差影响，电缆本体热胀冷缩，运行过程中附件不能再进行加热，就造成了热缩管对电缆绝缘表面界面压力不足，仅凭热缩管内壁很薄的热溶胶弹性来保证界面特性，显然是不够的，以致于热缩附件密封性能较差，油浸低绝缘电缆最好不要使用。 交联聚乙烯电缆附件界面的绝缘强度与界面上受到的握紧力有指数关系，如图所示： 图 界面压力与击穿强度关系曲线 界面正是这样一个力的作用下保持电性能稳定的，根据国外技术人员分析，界面压力达到98 KPA时，它的击穿强度能达到3kV/mm以上，如界面压力达到500—588 KPA，它的击穿强度能达到11 kV/mm，而设计附件时，一般界面的工作场强均取击穿场强的1/10—1/15,为0.2 kV/mm以下，甚至更低，这主要取决于电缆附件的材料特性，如热缩附件取0.05 kV/mm 17 以下，而预制冷缩附件可以取到0.2 kV/mm。这种设计参数国内外都用于附件设计中，通过较长运行时间，证明这样的基础场强对于XPLE绝缘电缆是非常合适的。 值得注意的是，这样一个场强必须是在界面有一定压力的前提条件下，如果不存在界面压力，界面的长度就要和户外的长度一样计算。 3、终端电气计算 A、终端外绝缘 终端外绝缘有三个要素必须计算，这就是干闪距、湿闪距和爬距（见下表）。这三个参数对外绝缘将产生不同的影响。对于一种附件，只有取三个参数计算出的最大绝缘距离，才能保证整个运行时的安全。 表：电缆附件基础外绝缘距离 电 压 绝 缘 等 级 距离/mm /kV 分 类 干 闪 湿 闪 污 闪 10 户 内 125 ― ― 户 外 250 175 280 户 内 300 ― ― 35 户 外 500 400 900 户 内 900 ― ― 110 户 外 1100 1000 2200 （1）、干闪距 干闪距离是指上金属电极至下金属电极间的最短直线距离。例如，我国电缆运行规程规定：10 kV户内电缆终端金具与地和其它相的最小距离不得小于125mm，这就是指最小干闪距离，因为在户内不存在污闪和湿闪问题。现在很多10kV附件，虽然主绝缘露出长度都小于这一数值，但由于在 18 安装工艺中，将接线端子和接地线 的一部分金属绝缘起来，从而延长 了主绝缘，使得总长度仍然大于 125mm，对于户外10kV附件，一 般干闪距离应大于250mm。 如右图所示，终端外绝缘长度L = a + c + d 或 L=0.32（U干 –14）, 式中U干 为干 放电电压，kV。 图 终端外绝缘 （2）、湿闪距 湿闪距离是指当雨水以45°角淋在附件上时，附件上仍存在的干区长度，如右上图所示，a+b等的组合。湿闪电压一般为干闪的70％~80％， 当正常运行时，在电压一定的情况下，一般附件设计主要以湿闪为依据，如果能满足湿闪要求，干闪基本可以说没有问题，当然这不包括其它金属物接近附件引起的闪络。如上图中所示： 湿闪距离= n×b(cm) 式中n为裙边数。 （3）、污闪距（泄漏比距） 污闪距离是指附件外绝缘从上金具至下接地部位全部绝缘表面距离。这是由于污秽是均匀附着于附件绝缘表面上的，当有潮湿空气将其湿润时， 19 就发生导电现象，以至闪络。 电力工业部对污闪划分了等级，由于我国环境污染严重，因此附件污闪距离一般取四级污秽等级为好，也就是取3.1cm/kV；对于户内一般取三级，即2.5 cm/kV（见下表）。例如，10kV户外污闪距离一般应大于3.1 cm/kV×8.7 kV=278.4mm。110 kV户外污闪距离一般应大于3.2 cm/kV×69 kV=2208mm。 国际污秽等级的划分表： 污秽环境等级 Ⅰ―轻 Ⅱ―中 Ⅲ―重 Ⅳ―很重 泄 漏 比 距 （cm·kV-1） 1.6 2.0 2.5 3.1 盐雾法 （kg·m-3） 5―10 14―28 40―80 80―160 试 验 方 法 固体层法 等值盐（NaCL）密度 （mg·cm-2） 0.03―0.06 0.05―0.20 0.10―0.60 0.25―1.0 电 导 （μS） 5―10 10―15 15―25 25―40 B、终端内绝缘 终端内绝缘的设计应从三个方面考虑，即附加绝缘厚度、界面长度和应力控制方式。我们在前面已经讲了应力控制，并作了对比，因比就不再详述。但是有一点还要强调，不同的应力控制方式，对于主绝缘厚度影响较大，用应力管控制终端电场，一般绝缘厚度为3~5mm，就可满足要求，同时3~5mm厚的绝缘老化寿命能够保证在15~20年内外绝缘性能，机械性能不会下降。对于用应力锥的形式控制电场的附件，附加绝缘取得较厚，因为它是通过几何形状的改变（一条复对数曲线）来改变终端电场的，一般10kV取15mm左右，此时一般不从老化角度考虑问题，主要从改善电场角度出发。35kV取20~35mm；110kV取50~70mm。 终端界面长度影响因素较多，如绝缘光滑程度、干净程度、界面压力、材质等，因而不能一概而论。但从前面所述的理论看，界面长度与击穿电 20 场强度有一定关系，在这个基础之上，再加一裕度和安全系数就能确定界面长度。目前所遇见的几种附件界面长度大致可以由下面的方法确定。 （1）热缩附件 10 kV 户内 8.7 / 0.04 = 217 mm 户外 8.7 / 0.02 = 434 mm （考虑裕度及安全系数） 35 kV 户内 26 / 0.09 = 290 mm 户外 26 / 0.05 = 520 mm （考虑裕度及安全系数） （2）预制类附件 10 kV 户内 8.7 / 0.09 = 97 mm 户外 8.7 / 0.08 = 110 mm 35 kV 户内 26 / 0.1 = 260 mm 户外 26 / 0.08 = 325 mm 65 kV 户内 42 / 0.08= 525 mm 户外 42 / 0.06= 700 mm 以上数据是分析国内外各制造厂商及试验室的试验分析结果而得到的。可以明显看出，预制附件的界面工作场强高于热缩附件。 C、终端接地 终端接地线首先应满足良好的接地要求，只有这样才能保证安全运行。根据国家标准（简称国标）要求，电缆附件接地线应采用镀锡编织铜线，10kV电缆截面为120mm2及以下的采用16mm2编织铜地线，120mm2及以 上的采用25 mm2接地线。目前为了更好地检测电缆外护套，有些地区供电 局要求中低压附件采用双接地线制，即铜屏蔽层和钢带铠装的接地线分开 21 焊接两根地线，正常运行时将两根地线均接地。当预试时用摇表测量护套对地阻，从而证明护套的完整性。对于35kV及以上电压等级电缆的接地， 国标也作了明确规定，如下表所示： 表 高压电力电缆接地线推荐截面 系统电压 / kV 接地线截面 / mm2 35 35 66 50 110 70 220 95 500 150 对于35kV及以上电压等级电力电缆的接地应考虑采用单端直接接地，另一端通过保护器接地。这是因为高压电力电缆多为单芯电缆，因而会在铜带屏蔽层上产生感应电压。如果两端均直接接地，就会在屏蔽层中形成环流，造成损耗，减少电缆输电能力。感应电压的大小地国标中明确规定：“未采取不能任意接触金属护层的安全措施时，不得大于50V；如采用安全措施时，不得大于100V”。对于较长电缆，感应电压必定大于100V，这时应采用中间交叉互联方式以消除感应电压。 4、接头电气计算 电力电缆接头的电气性能主要是由内绝缘结构来确定的，对于中低压附件，接头的设计比较简单，一般取附加绝缘厚度为主绝缘的2倍，同时考虑连接管表面的光滑，并恢复内屏蔽和外屏蔽，最后对外屏蔽断开点的电场集中处通过采用应力管或应力锥方式控制该处电场，确保恢复的外护套能够和原电缆外套具有同等密封性能，因此中低压电缆接头中最关键的问题仍然是界面问题，界面的好坏，直接影响接头质量。目前国内外各种附件，由于所选材料不同，使得接头大小有很大差别。热缩和冷浇注式接头由于界面压力小，必须选择较长界面来改变这种状态，所以热缩和冷浇注接头的界面一般都取在200—250mm为好。对于冷缩、预制和接插式以 22 及绕包式接头，在连接部位及半导电断口处理较好的情况下，界面长150—100mm就可以达到绝缘要求。较先进的附件，接头的界面长度只有80mm。 所有电缆接头的形状都能通过接头的电气计算确定，特别是高压电缆接头的附加绝缘厚度、应力锥和反应力锥长度必须进行严格理论计算，才能确保运行安全。 A、附加绝缘厚度 附加绝缘厚度是根据连接表面的最大工作场强取定后而计算出来的，且电缆本体的最大工作场强为3—4kV/mm(XPLE绝缘电缆)，国外电缆的最大工作场强有时选取得还要高，一般连接管表面最大工作场强取电缆本体最大工作场强的45％--60％。但有一点必须记住，该处最大工作场强不要超过空气游离时的场强，即2.1kV/mm。 Δn=R n ―R=r1exp(U/r1En) ―R 式中 r1 —— 连接管外半径，mm； R —— 电缆工厂绝缘层外半径，mm； U —— 电缆承受最大相电压，kV； En —— 连接管表面最大工作场强，kV/mm。 B、应力锥长度及形状 对于中低压电缆接头，如采用应力控制管，就应按照应力控制管参数来确定形状。这里主要说明应力锥改善电场的情况。设计原理是按其界面在一定压力作用下，界面所能承受的最大击穿场强的（1/10）--（1/15）来计算。也就是说，首先确定在一定压力作用下界面的击穿场强，然后依 23 此为基础确定出最大界面工作场强（Et）和应力锥长度，参看下图： 图 接头几何尺寸示意图 Lk=U/EtIn[Ln(R/rc)/In(Rn/rc)] 式中 Et — 界面最大工作场强，kV/mm； U — 电缆承受最高系统相电压，kV； Rn — 附加绝缘半径，mm； R — 电缆工厂绝缘半径，mm； rc — 线芯半径，mm。 由于式中计算的应力锥应为一曲线，但在实际安装中，手工绕包这样的曲线是不可能的，因而现场常用一直线来代替。目前各国生产的预制接头中的应力锥，在工厂中通过工艺使之达到标准曲线。 C、反应力锥长度及形状 反应力锥也是根据沿面轴向场强为一常数而确定的。计算反应力锥长度见上页图的公式为： Lc=U/EtIn[Ln(R/rc)/In(Rn/rc)] 式中 Et — 界面最大啊作场强，kV/mm； 24 U — 电缆承受最高系统相电压，kV； Rn — 附加绝缘半径，mm； R — 电缆工厂绝缘半径，mm； rc — 线芯半径，mm。 同样，按上式计算出的反应力锥为一曲线，在实际电安装中多用直线代替，正、反应力锥之间的距离一般取10—150mm。 D、界面长度 交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆接头中的界面长度的确定主要取决于界面情况。对于预制或绕包式接头如能保证界面良好，界面长度可以取得很短，如3M公司和ABB公司、F&G公司的接头绝缘长度都在100mm以下，有的甚至接近50mm，日本腾仓公司、住友公司、昭和公司110kV预制接头中绝缘长度也小于200mm，因此最大工作场强可达到0.345kV/mm，大于2.1/10，即空气游离场强的1/10。这主要是因为预制件能够保证界面压力大于3kg/cm2，而一般国内10kV热 缩接头，界面长度一般应大于150mm，这时的最大工作场强为8.7/150=0.058kV/mm，预制附件一般在150—100mm之间，因而最大工作场强为8.7/100=0.087kV/mm。对于35kV及以上电压等级电缆，由于制作时工艺要求严格，几何形状一定，对电场改善好，因此可以适当提高最大界面工作强，以提高材料利用率。在综合考虑安全系数的情况下，最大工作场强可达到2.1/10=0.21kV/mm，再加上15％的安全裕度，即 0.21×85％=0.178kV/mm。对于110kV XLPE绝缘电缆绕包式接头，除反应力锥以外绝缘长度L=69/0.178=387mm；对于66Kv XLPE绝缘电缆，L=42/0.178=235mm；对于35kV XLPE绝缘电缆，L=26/0.178=146mm。其它 25 接头形式可根据具体情况计算出界面长度。 5、XLPE绝缘电缆的回缩 XLPE材料在生产时内部存留应力，当电缆安装切断时，这些应力要自行消失，因此XLPE绝缘电缆的回缩问题是电缆附件中比较严重的问题。由于传统油纸电缆的使用习惯，过去对这一问题认识不够，现在随着XLPE绝缘电缆的大量使用，使我们必须面对这一问题。实际上这一问题最好的解决办法就是利用时间，让其自然回缩，消除应力后再安装附件。但是由于现场安装工期要求，只好利用加速回缩。对于35kV及以下附件，终端的回缩有限，一般不作考虑，但在接头中应采用法拉第笼或其它方式克服回缩现象。例如，在预制接头中，连接管处的半导电体可选得较长，使它的长度两边分别和绝缘搭接10—15mm（见图），起到屏蔽作用，即使绝缘回缩， 一般也只有10mm以下，屏蔽作用仍然存在。 图 连接处的半导体屏蔽结构 对于高压XLPE 绝缘电缆的附件安装，亦必须认真考虑回缩问题，一般在加热校直的同时消除XLPE内的应力，因为高压电缆接头中不可能制造出屏蔽结构，接头中任何一点的XLPE回缩都会给接头带来致命的缺陷，即气 26 隙（见图）。该气隙内产生局部放电，将会导致接头击穿。 图 高压电缆接头中的回缩 现场用于消除回缩应力的方法为：用加热带绕包在每相绝缘上，加热到80—90℃保持8—12h，然后做其它处理，再安装接头。这样处理后的电缆95％以上的回缩应力能够消除，剩余部分对接头安全没有影响。目前生产厂商在生产设备上增加一种应力消除装置，以用来有效地消除制造应力，现场安装时可以不做上述应力消除工作。在订货时一定要准确了解生产厂商在产品上是否安装该装置，然后再确定安装工艺。 三、电缆附件的基本要求及品种特点 27 （一）、基本要求： 1、线芯连接要好 接触电阻应小而稳定，能经受故障电流的冲击，运行中的接头电阻不大于电缆线芯本身电阻的1.2倍。 2、绝缘性能 附件绝缘的耐压强度不应低于电缆本身，介质损耗应达到相应国家标准和厂家要求；户外部分还要考虑有严酷气候条件下能安全运行，一般应按电力部标准中三级污秽确定外绝缘长度，而外露导电部分对地距离和相间距离应符合下表的要求： 表 带电导体外露部分的相同及对地最小距离 电压 / kV 户内 / mm 户外 / mm 3、密封性能 对于中低压电缆附件，由于XLPE绝缘电缆附件多为干式绝缘结构的附件，同时密封的主要作用就是防止运行中环境的潮气和导电介质浸入绝缘内部，引起树枝放电等危害。对于超高压电缆，如110kV及以上电压等级XLPE绝缘电缆，密封不但有上述作用，而且对防止附件内部充油的泄漏起关键作用。 4、良好的机械强度 附件在安装和运行状态下要受到很多外力作用，如人为内力、电动力等，特别是110kV以上电压等级电缆附件、电缆本身回缩、弹力等也对附件本身提出较高的要求。 28 1—3 75 200 6 100 200 10 125 200 20 180 300 35 300 400 63 600 800 110 1000 1200 （二）、品种特点： 1、热收缩附件 a、所用材料一般为以聚乙烯及硅橡胶等多种材料组分的共聚物组成； b、主要采用应力管处理应力集中问题； c、主要优点是轻便、安装容易、性能尚好； d、价格便宜。 应力管是一种绝缘电阻率适中（107—108Ω·m），介电常数较大（25—30）的特殊电性参数的热收缩管，利用电气参数强迫电缆绝缘屏蔽断口处的应力疏散成沿应力管较均匀的分布。这一技术只能作用于35kV及以下电缆附件中。因为电压等级高时应力管将发热而不能可靠工作。 其使用中关键技术问题是： a、要保证应力管的电性参数必须达到上述标准规定值方能可靠工作； b、另外注意用硅脂填充电缆半导电层断口处的气隙以排除气体； c、交联电缆因内应力处理不良时在运行中会发生较大收缩，因而在安装附件时注意应力管与绝缘屏蔽搭盖不少于20mm，以防收缩时应力管与绝缘屏蔽脱离。 d、热收缩附件因弹性较小，运行中热胀冷缩时可能使界面产生气隙，因此密封技术很重要，以防止潮气浸入。 2、预制式附件 a、所用材料一般为硅橡胶或乙丙橡胶； b、主要采用几何结构法即应力锥来处理应力集中问题； c、其主要优点是材料性能优良，安装更简便快捷，不动火； 29 d、弹性好，使得界面性能得到较大改善，是近年来中低压以及高压电缆采用的主要形式。 e、价格较贵。 其使用中关键技术问题是： a、附件的尺寸与待安装的电缆的尺寸配合要符合规定的要求； b、另外也需采用硅脂润滑界面易于安装同时填充界面的气隙； c、预制附件一般靠自身橡胶弹力可以具有一定密封作用，有时可采用密封胶及弹性夹具增强密封。 3、冷缩（预制）式附件 a、所用材料一般也为硅橡胶； b、冷缩（预制）式附件一般采用几何结构法来处理应力集中问题； c、与预制式附件相比，除了材料性能优良、不动火、弹性好，使得界面性能得到较大改善，也是近年来中低压以及高压电缆采用的主要形式。其最大特点是安装更方便快捷，克服了因电缆截面尺寸公差太大，而造成的安装困难，安装到位后，其工作性能与预制式附件基本一样。 d、价格较贵 其使用中关键技术问题是： a、附件的尺寸与待安装的电缆的尺寸配合要符合规定的要求； b、另外需采用硅脂润滑界面同时填充界面的气隙； c、冷缩附件一般靠自身橡胶弹力可以具有一定密封作用，有时采用密封胶及弹性夹具增强密封。 30 四、电缆附件安装注意事项： 1、通用注意事项： a. 保持安装过程的清洁； b. 检查电缆的受潮情况，特别应检查线芯是否进水； c. 严格控制剥切尺寸，每剥除一层不可伤及内层结构； a. 半导电层断面应光滑平整，与绝缘层的过渡应光滑； b. 线芯绝缘剥离后应清除干净内半导电层，并打磨线芯上的氧化层； c. 金具压接后应清除尖角毛刺。 2、热缩附件安装注意事项: a. 收缩热缩附件时用火不宜太猛，以免灼伤材料，火焰沿圆周方向均匀摆动向前收缩； b. 收终端手套时应从中间往两端收缩，收终端热缩管时应从下端往上收缩，收中间热缩管时从中间往两端收缩； c. 收应力管时，应力管必须与屏蔽层搭接，应力管的上端应超过屏蔽断口以上60mm以上的长度； d. 安装接头时，应力管不要搭到铜屏蔽层上，只需搭在外半导电层上； e. 安装接头时，电缆绝缘的端部必须削成反应力锥，锥面要求光滑； 31 E=(V2-V1)/d, E’=(V2-V1)/d’, 因为 d’›d, 所以 E›E’ f、装接头时，在压接连管前应先检查所有配件是否都套入电缆。 3、冷缩附件安装注意事项： a. 安装前检查冷缩件，不允许有开裂现象，同时应避免利器和刀片划伤冷缩件； b. 安装前不要抽冷缩件的支撑骨架； c. 三芯终端三叉口包绕填充胶后，在填充胶的上半部分包一层PVC胶带，以免抽骨架时把填充胶抽出来； d. 严格按工艺尺寸进行剥切，并作好临时标记，冷缩件收缩好后应与标记齐平；切冷缩绝缘管时不可造成纵向切痕； e. 安装接头时，冷缩件骨架条伸出端应先套入较长的一端以便抽拉骨架； f. 安装接头时，电缆绝缘端都不能削成锥体，压接伸长后应重新确定两绝缘之间的中心位置，以此中心为标准向一端量取工艺尺寸并作好标记，连接管压接打磨后不要包绕任何绝缘带，只需将冷缩件收缩即可。 32 五、高压交联电缆附件结构分析 高压交联电缆附件中保持橡胶预制应力锥与电缆绝缘的界面之间的紧压力应力对保证电缆附件电气强度是至关重要的因素。因此，预制型电缆附件必须确保它的橡胶预制应力锥与电缆的绝缘表面，在经过长期运行后，仍保持足够紧压力。 围绕着如何保持橡胶预制应力锥与电缆绝缘之间的界面应力，根据各 国、各制造厂商技术发展的情况，采用了不同的措施，主要有三种基本结构： （1）将橡胶预制应力锥机械扩张后套在电缆的绝缘上，这种结构的 特点是应力锥直接套在电缆的绝缘上，依靠应力锥材料自身的弹性保持应力锥与电缆绝缘之间的界面上的应力和电气强度。欧美一些国家的电缆制造厂商，例如我国用户熟悉的瑞士BRUGC，意大利Pirelli s.p.a.，法国ALCATEL,德国AEG和SIMENS等公司以及 我国沈 阳电缆厂，上海三原电缆 附件公司的产 品都属这种结构。 右图所示的国产户外终端产品是这 种结构的典型。它的外绝缘是瓷套 33 （GIS终端一般用环氧树脂套管）。 内绝缘是一个合成橡胶（硅橡胶或 乙丙橡胶）预制应力锥，瓷套（或 环氧树脂套管）内注入合成绝缘油。 显然，这种结构简单。但是存在两 个令人关心的技术问题：1、合成橡 胶应力锥与浸渍油的相容性；2、在 高电场和热场 作用下，预制的橡胶应力锥老化会引起界面压力的变化（松弛），从而降低电气强度。以上两个问题实际上就是一个材料问题，合适的材料既要使合成橡胶与浸油相容，又需确保良好的防老化性能。 （2）采用弹簧压紧装置。这种结构的特点是在应力锥上增加一套机械弹簧装置以保持应力锥与电缆之间界面上的应力恒定（如下图所示），借以对付在高电场和热场作用下，橡胶应力锥老化后可能会引起界面压力的变化（松弛）。这种结构还有一个很重要的特点：从下图可以看到它的应力锥与浸渍油基本隔离，从而克服了应力锥材料溶涨的可能性。日本和韩国的电缆制造厂商采用了这种结构。我国XX电缆附件公司的产品也是这种结构。图中所示的应力锥上增加弹簧装置的结构在设计上更周全。但是，结构复杂了，对制造和现场安装的要求都提高了，现场安装的时间也增加了，是目前国内电力系统大量采用的结构。 34 户外终端结构图 YJZGG-66kV气体绝缘密封GIS终端结构图 35 110kV 110kV复合套管终端产品结构图 110kV交联电缆预制（冷缩）式户外终端结构示意图 110kV交联电缆预制（冷缩）式户外终端安装方式 36 （3）采用一种既能提供应力控制又能避开应力锥与电缆绝缘直接接触的特殊应力锥设计。典型的结构是美国G&W公司设计的产品，从使用角度来看，这种结构可以允许配套电缆有较大的直径和偏心度的制造公差。下图所示为这种结构的138kV交联电缆户外终端和GIS终端结构示意。它在工厂内已经把主要的零部件—瓷套管、应力锥（成型铝合金喷镀环氧树脂）、顶盖、底盘和油压调整装置等都装配好，并且充满绝缘油。安装时，只需把电缆顶端准备好后，将预制终端套入电缆即可。此种结构已出现多次下部渗油事例。 上述三种结构各有所长，均达到了实用化水平。国内，都已经采用。 37 GIS终端和变压器终端的基本结构与各公司的户外终端相似。由于GIS是在全封闭环境下运行，可以免受大气条件和污秽的影响，加上SF6气体的良好绝缘特性，所以GIS终端的外绝缘采用环氧树脂套管，其尺寸比户外终端瓷套小得多。它的内绝缘用的应力锥和浸渍油与户外终端相似，分充油和干式两种。 IEC859标准规定了GIS终端与GIS设备的具体配合尺寸以及电缆制造厂与开关制造厂各自供货的范围。因此，按IEC859标准设计制造的GIS终端可以安装在任何厂制造的标准型GIS设备上。 变压器终端的结构与GIS终端很相似，制造厂商的这两种产品结构是相同的。 2、预制型中间接头 目前，110kV及以上交联电缆的预制型中间接头用得较多的有两种结构。 图 132kV交联电缆组装式预制中间接头的绝缘结构示意 1—环氧树脂件；2—电缆绝缘；3—高压屏蔽电极；4-接地电极； 5—压环；6—橡胶预制应力锥；7—防止电缆绝缘收缩的夹具； 8—弹簧；9—导体接头 （1）组装式预制中间接头。它是一个以工厂浇铸成型的环氧树脂作为 中间接头中段绝缘和两端以弹簧压紧的橡胶预制应力锥组成的中间接头。 38 应力锥靠弹簧支撑。接头内无需充气或浸渍油。上图所示为组装式预制型中间接头的基本结构。这种中间接头的主要绝缘都是在工厂内预制的，现场安装主要是组装工作。与绕包型和模塑型中间接头比较，对安装工艺的依赖性相对减少，但是由于在结构中采用多种不同材料制成的组件，所以有大量界面，这种界面通常是绝缘上的弱点，因此现场安装工作的难度比较高。由于中间接头绝缘由3段组成，因此在出厂时无法进行整体绝缘的出厂试验。这种中间接头是由一些日本电缆制造厂商、韩国电缆制造厂商相继开发成功的，国内个别用户曾经采用，但日趋减少。 （2）整体预制型（国外有称One piece joint）。将中间接头的半导电内屏蔽、主绝缘、应力锥和半导电外屏蔽在制造厂内预制成一个整体的中间接头预制件。与上述组装式预制型中间接头比较，它的材料是单一的橡胶，因此在不存在上述由于大量界面引起的麻烦。现场安装时，只要将整体的中间接头预制件套在电缆绝缘上即成。安装过程中，中间接头预制件和电缆绝缘的界面暴露的时间短，接头工艺简单，安装时间也缩短。由于接头绝缘是一个整体的预制件，接头绝缘可以做出厂试验来检验制造质量。这种接头是由欧美电缆制造厂商首先开发的，XX电缆附件有限公司消化吸收、改进、自行研发成功，深受用户欢迎，在我国已普遍使用。下图所示为132kV交联聚乙烯绝缘电缆用整体预制型中间接头的结构。 39 110kV中间绝缘接头结构图 110kV中间直通接头结构图 六、电缆附件典型事故分析 40 （一）、10kV冷浇注树脂中间接头击穿 （昆明） 图 冷浇注树脂中间接头结构 事故原因：由于中间接头连管压接不紧发热，导致绝缘碳化相间击穿。 （二）、10kV热缩终端击穿故障 （湖北） 图 热缩终端头应控管上方击穿 图 热缩终端头应控管内击穿 事故原因：应控管体积电阻率过低，击穿故障一般出现于应控管以上； 41 应控管体积电阻率过高，击穿故障一般出现于应控管以内。 （三）、35kV热缩终端头应控管附近电晕 （苏州） 电晕 图 35kV热缩终端头结构 原因分析：电缆屏蔽未端及应控管内部由于存在气隙，在高压电场下发生电晕。 （四）、10kV热缩中间头反应力锥处击穿 （武汉） 42 图 10kV热缩中间头结构图 事故原因：由于中间接头没有切削反应力锥，连接管与绝缘连接处电场突 变，导致击穿。 （五）、35kV预制户外终端头爬穿 （珠海） 图 35kV预制户外终端头结构 事故原因：由于户外终端绝缘套内孔孔径过大，与电缆绝缘过盈不到1mm， 界面压紧力不够而爬穿。 43 （六）、35kV预制中间接头爬穿 （南京） 图 35kV预制中间接头结构 事故原因：由于预制中间头半导电层脱碳，加上过盈量太小，为1mm，导致界面压力不足，而爬穿。 （七）、10kV冷缩中间接头击穿 （合肥） 图 10kV冷缩中间接头结构 事故原因：由于连接管压接后伸长过长，安装尺寸没有在中心，而偏向一端，造成连接管脱离屏蔽套，电场无法改善而击穿。 44 （八）、法国110kV交联电缆户外终端事故 （厦门） 图 110kV法国交联电缆户外终端结构 事故原因：由于上部密封设计不良，造成进水，终端受潮短路而击穿。 45 （九）、110kV交联电缆户外终端事故 （北京） 图 110kV交联电缆户外终端结构 事故原因：由于施工时电缆剥切尺寸弄错，绝缘屏蔽多剥掉130mm，结果使得应力锥脱开绝缘屏蔽70mm，无法改善电场，而运行一年后 46 击穿。 （十）、110kV预制中间接头爬穿 （肇庆） 直通头结构图 事故原因：由于施工安装时，箍在接头连管外的金属均压套凹槽中的恒力 弹簧尾部没有包扎好，造成套入绝缘套时，严重划伤绝缘套内表面形成爬电通道而击穿。 故障点 47 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容