单芯电缆范文

单芯电缆范文（精选7篇）

单芯电缆 第1篇

任何通信系统都离不开信道,在通信系统设计中,只有对信道的传输性能和传输机理有足够的理解,才能以较少的投入获得较高质量的通信。传输线作为有线通信系统的信道,可以将电磁波(电磁能)从信号发送端传输到接收端[1,2]。本文对石油天然气勘探与开发中常用的单芯测井电缆的频率特性分析方法进行研究,以有助于基于此种单芯电缆的测井通信系统的设计。

1 双线传输线的电路模型及方程

单芯测井电缆中心为一根铜质芯线,最外层为钢丝铠装,芯线与铠装之间是一层绝缘介质,所以它是一种典型的双线传输线,其等效电路模型和方程与双线传输线的相同。由电磁波理论可知,当传输线的轴向长度与电磁波的波长相当或大于电磁波的波长时,传输线需按分布参数特性进行分析和处理[3,4]。分布参数是相对于集总参数而言的,集总参数电路的电压u和电流i仅是时间t的函数,而分布参数电路某点的电流和电压不仅是时间t的函数,还是空间坐标x的函数,即:

应用中,可以由许多个尺寸极小的集总参数短节级联来逼近和模拟具有分布参数的真实传输线。其中每一短节的一次参数(主参数)包括单位长度电缆上的电阻R0(Ψ/m)、电感L0(H/m)、两导体间电容C0(F/m)和电导G0(S/m);二次参数(副参数)包括特性阻抗Zc和传播常数γ。主副参数的关系为:

式中衰减参数α和相移参数β分别为:

式中Y=(R02+ω2 L02)(G02+ω2 C02)。在传输线的任一点处截取一小段dx,如果dx满足条件:

式中λmin为信号中最短的波长,则这一小段就可以用集总参数电路来等效。传输线的分布参数电路模型如图1所示。由图可得到传输线的微分方程:

这组方程是研究均匀传输线工作状态(稳态和暂态)的基本依据[5]。

2 单芯测井电缆特性参数获得方法

2.1 理论计算法

单芯测井电缆的电容和电导是由电缆的结构、尺寸、所用的金属材料和介质材料决定的,与时间、电压和电流无关;电阻、电感是频率的函数,当频率固定时,它们的数值也只与电缆结构、尺寸和材料有关,与时间、电压和电流没有关系[6,7]。单芯铠装电缆作为双线传输线的一种,其主参数的计算公式与双线传输线中同轴线主参数的计算公式相同:

式中f(Hz)为频率,μ(H/m)为内外导体间介质的磁导率,μc(H/m)为导体磁导率,σ(S/m)为内外导体间介质电导率,σc(S/m)为导体电导率,ε(F/m)为介质材料的介电常数,a和b分别为内导体外径和外导体内径。可见,当单芯电缆的结构、材料和环境温度确定时,在某频率下,其主参数是确定的,可以通过计算获得。由主参数,可推得副参数。但在很多情况下,由于电缆的生产质量和介质不理想等原因,计算所得的参数不一定很准确。

2.2 测试法

单芯测井电缆特性参数的测试方法较多,但可以归纳为直接测试法和间接测试法。直接测试法是利用各种仪器设备直接测得电缆的特性参数;而间接测试法是在仪器设备受限的情况下,首先测量易测参数,然后通过计算求得电缆的特性参数。

2.2.1 直接测试法

利用数字万用表、电感电容表、兆欧表等仪器进行单芯测井电缆一次参数的直接测试。其中电感电容表可以用于测量电缆的电感和电容;兆欧表可以用于测量电缆的绝缘电阻(单位长度电缆上的绝缘电阻与G0成倒数关系);数字万用表可以测量电缆的电容和电阻,当电缆比较长,同时数字万用表精度比较高的情况下,还可以用其测量电缆的电感。除此之外还有一些专用的电缆参数测试仪器可以直接进行电缆一次参数的测试。各种仪器的操作方法均比较简单,在此不作赘述。

2.2.2 间接测试法

方法一:当传输线传输正弦信号时,若已知终端的电压向量和电流向量,则传输线沿线任意处的电压通解可以表示为:

当终端开路时,,均匀传输线上任意处的电压为:

即:

其幅值为:

在长度为l的电缆的始端施加频率为f1的正弦信号,测量电缆终端开路电压幅值U2(f1)、距终端距离为z1处的电压幅值Uo(f1,z1)和距终端距离为z2处的电压幅值Uo(f1,z2),利用式(16)可以联立一个二元方程组,从而求解出对应的α1,β1值。改变电缆始端正弦信号频率为f2,测量出电缆终端开路电压幅值U2(f2)、距终端距离为z1处的电压幅值Uo(f2,z1)和距终端距离为z2处的电压幅值Uo(f2,z2),同样可以联立一个二元方程组,从而求解出对应的α2,β2值。将α1,β1,α2,β2代入式(4)和式(5)可以得到一个4元方程组:

解此方程组便可得电缆的四项一次参数,解的过程比较复杂,可以借助Matlab或Maple来完成。

这是一种通过测电压,然后经过换算间接获得电缆特性参数的方法。电压的测量方法较多,并且简单,用万用表就可以完成。

方法二[8]:由均匀传输线上各处电压电流之间的关系可得:

式中Zio为传输线终端开路时的输入阻抗,Zis为传输线终端短路时的输入阻抗,l为传输线长度。式(18)与式(19)相乘、相除后可得:

在实际测量中,对一段长度已知的电缆,通过测Zio,Zis即可知Zc和γ,由:

可以求得R0,L0,C0和G0。

这是一种通过测阻抗,然后求得电缆特性参数的方法。阻抗测量可以用阻抗分析仪、导纳电桥或阻抗电桥来完成。

3 单芯测井电缆频率特性研究方法

3.1 测试法

利用频率特性测试仪(也称扫频仪)或动态信号分析仪等仪器可对单芯测井电缆的频率特性进行测试。频率特性测试仪是专门用来对电子器件或网络(如单芯电缆)进行频率特性分析的仪器。电缆的频率特性可以直接显示在仪器的显示屏上;动态信号分析仪是用于网络、频谱及波形分析的仪器,比如HP3562A动态信号分析仪,它可以进行相位和幅值的测量,具有存储功能,且自带正弦扫频信号源,因此可测量并储存不同频率的正弦信号通过单芯电缆后的信号幅度和相位,然后可以计算出对应各频率的输出信号幅度与输入信号幅度之比(即电缆的幅频特性K(f),也可以将其转换为对数形式)及输出信号相位与输入信号相位之差(即电缆的相频特性θ(f)),对f、K(f)和f、θ(f)进行拟合即得到电缆的幅频特性和相频特性曲线。有的动态信号分析仪也兼具频率特性测试仪的功能,可以直接将电缆的频率特性显示在显示屏上。

图2所示就是用动态信号分析仪HP3562A测得某4.8 km单芯测井电缆在不同频率输入信号下的输出信号幅值和相位,然后用Matlab计算出对数幅频特性数据和相频特性数据后拟合出的电缆频率特性曲线。

由图2可以看出,该电缆呈低通特性,从3 kHz开始,幅度衰减将会随着频率的升高有较明显增大,当频率为40 kHz时,幅度衰减达到-25 dB左右。而相位延迟从200 Hz开始随着频率的升高有明显的增大,图中所示是把相位延迟转换到-180°到180°之间后的情形。

3.2 建模仿真法

在已知单芯测井电缆主参数的前提下,可以在Matlab、Spice或Multisim等软件里建立如图1所示的分布参数电路模型,对单芯测井电缆的频率特性进行仿真研究[9]。仿真中短节的划分需符合式(6)的条件。此法的优点是简单易行,可以仿真任意长度的单芯电缆,也可以按此模型做出模拟电缆,供实验室通信系统初步调试使用。但在模型中只能将电阻、电感均假设成不随频率变化的值,这与实际情况稍有不符。

为用此法对上述4.8 km单芯测井电缆的频率特性进行研究,首先用数字万用表测得该电缆的R0为2.72510-2Ψ/m,C0为0.22 nF/m,而电缆的L0和G0非常小,可以忽略不计。然后在Multisim软件中建立该电缆的仿真电路,如图3所示。仿真中把该电缆分成48个短节,即每100 m为一短节。图中V1为任意频率交流信号源,XBP1为bode plotter虚拟仪器,它们的组合相当于现实中的扫频仪。

仿真得到的频率特性曲线如图4所示,对比图2和图4,可以看出,两种方法得到的电缆幅频特性基本相同,相频特性略有差别,这主要是在仿真中忽略了电缆的电感和电导,且假设了电阻不随频率的变化而变化等因素造成的,但这并不影响对电缆传输特性做出判断。

3.3 理论计算法

由电磁场理论可知,在阻抗匹配的理想情况下,传输线输入端电压和输出端电压关系为:

在温度一定且知道单芯测井电缆材料和结构的情况下,由式(4)、式(5)和式(9)~式(12)可知,此时α和β只是频率的函数,也即幅频特性K(f)=e-α(f)l和相频特性θ(f)=-β(f)l只是频率的函数。以f为横坐标可绘制出幅频特性曲线K(f)和相频特性曲线θ(f)。但这时的电缆特性是在假设阻抗完全匹配的理想情况下仿真得到的。曲线的绘制可以借助Matlab等软件来完成。

图5为采用此法用Matlab绘制的上述4.8 km单芯测井电缆的频率特性曲线。

对比图2、图4和图5,可以看出此分析方法所得结果和图2基本相同,和图4的幅频特性相同,相频特性略有差别。其原因主要是,理论计算法在采用式(9)和式(10)计算电缆单位长度上的电阻和电感时,均反映出了其随频率变化发生的微小变化,而建模仿真法却没有反映出这一点。

4 结论

基于双线传输线基本理论,首先给出了单芯测井电缆两类特性参数的获得手段,然后讨论了单芯测井电缆频率特性的三种研究方法,其中建模仿真法和理论计算法,即在Multisim中建模并结合虚拟仪器进行电缆特性分析的方法和采用纯理论计算法分析电缆特性的方法均属首次提出。采用不同方法对同一单芯测井电缆传输特性分析研究的结果表明,各种方法均切实可行,但各有优缺点。测试法直接、准确,但受仪器设备限制;建模仿真法简单、易行,但在模型中将电阻和电感均假设成不随频率变化的值,没有反映出单位长度电缆的电阻和电感随传输信号频率变化而发生的微小变化;理论分析法能很好地反映传输线对不同频率信号的响应特性,但它是在假设电缆发送端和接收端阻抗完全匹配的理想情况下进行的。文中介绍的分析过程与方法对研究有线信道传输特性具有普遍性意义。

参考文献

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单芯电缆金属护套接地方式比较分析 第2篇

随着我国电网改造的深入,由于电力电缆受外界因素(风雨雷电等)影响小,传输电能稳定,供电可靠率高,占地面积小,对市容环境影响小,且发生事故不易危及人身安全,现代电能传输中大量的架空线路被电力电缆取代[1,2,3]。当然,电力电缆被敷设在地下,直埋或置于排管井及廊道内,运行维护方面较为困难,正确使用电力电缆是降低工程投资、保证安全可靠供电的重要条件。在城市配电网络中,应用最广的是10 kV电力电缆,一般使用交联聚乙烯铠装三芯电缆,而三芯电缆都采用两端接地方式,因为在电缆正常运行中,流过3个线芯的电流相量和为零,在电缆铜屏蔽层及金属铠装层两端基本上没有感应电压,三芯电缆铜屏蔽及金属铠装两端一般只需直接接地即可。由于单芯电缆(35-110 kV)内部构造不同于三芯电缆,因此金属护套的接地方式和三芯电缆有所不同[4,5,6]。为了说明单芯电力电缆金属护套常见接地方式的优缺点,针对单芯电力电缆金属护套的4种接地方式进行分析。

1 单芯电力电缆结构

图1为较为常用的110 kV交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套电力电缆,主要用于110 kV电压等级输电线路固定敷设输送电能[7,8]。由内而外有9个部分组成:导体线芯部分用于传输电能;导体屏蔽部分(俗称内半导层)可消除导体线芯表面不光滑的影响,因为线芯表面不光滑会引起表面电场强度增加,在导体线芯上绕包内半导层,可使绝缘和电缆导体有良好的接触,排除了气隙,消除和减少了局部放电,达到均匀电场强度的作用;交联聚乙烯绝缘层部分起绝缘作用,一般采用交联聚乙烯材料,是将高压电极与地电极可靠隔离的关键部位,能长期承受工作电压及过电压,具有较高的耐电强度,能承受发热导体的热效应;绝缘屏蔽部分(俗称外半导),与被屏蔽的绝缘层有良好接触,与金属护套等电位,从而避免在绝缘层与护套之间发生局部放电;半导体电阻水缓冲层部分主要在绝缘屏蔽和金属铝护套间起缓冲阻水的作用;金属铝护套部分起机械保护作用,能够使电缆承受一定正压力,提高电缆抗机械损伤的能力,并能起到一定的电磁屏蔽作用,如果电缆绝缘发生破损,泄露出来的电流可以顺屏蔽层流入接地网,起到安全保护的作用;铝护套防护层是在金属铝护套上附着了1层沥青,能防止金属铝护套被腐蚀;外护套部分起密封保护作用,针对各种使用环境,使电缆达到防火防水防腐蚀的要求;石墨半导电层部分是1层石墨附着于外护套上,石墨具有导电作用,以便于做电缆外护套试验。

2 单芯电缆金属护套环流的产生

在单芯电力电缆构成的交流电能传输系统中,电缆导体和金属护套的关系可以看作1个空心变压器,电缆导体相当于一次绕组,金属护层相当于二次绕组,金属护层处于导体电流的交变磁场中,在金属护套上会产生感应电流,电缆的两端会产生感应电压,而感应电压的高低与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比,当电缆线路发生短路故障、遭受雷电冲击或操作过电压时,屏蔽上会形成很高的感应电压,危及巡检人员人身安全,过电压还可能击穿电缆外护层绝缘,造成电缆金属护层多点接地故障,大幅增加环流附加热损耗,严重影响电力电缆的正常运行,甚至大幅减少电缆使用寿命。一旦发生电缆金属护层多点接地故障,故障的测寻、定点和修复均比较困难,停电检修造成的电量损失较大。针对此情况,如果只将单芯电缆的金属护套两端做直接接地,此时金属护套会和大地形成回路,产生环流,环流大小可达到电缆线芯正常输送电流的30%～80%,导致金属护套发热,加速护套老化,增加电能损耗,影响线路输送容量,破坏线路正常运行[9,10]。

3 单芯电缆金属护套的连接与接地分析

根据国内的规范和标准,交流单相电力电缆的金属护层,必须直接接地,且在金属护层上任一点非接地处的感应电压应满足:在金属护套未采取防止人员任意接触的安全措施时,不得大于50 V;采取安全措施后,不得大于100 V。电缆金属护套应针对电缆长度和导体中电流大小采取不同的接地形式。交流单相电力电缆的金属护层的接地方式一般应按照具体线路选择不同的接地方式,常见的接地方式有以下4种:1)方式1:金属屏蔽层一端直接接地,另一端通过保护器非直接接地;2)方式2:金属屏蔽层中点直接接地,两端通过保护器接地;3)方式3:金属屏蔽层一端直接接地,若干个护层交叉互联接地,金属屏蔽层中点直接接地,若干个护层交叉互联接地,另一端金属屏蔽层直接接地;4)方式4:金属屏蔽层两端直接接地。

3.1 方式1

方式1的接线如图2所示。为了解决一端直接接地,在另一端会出现过电压的问题,电缆线路不长时,电缆金属护套应在线路一端直接接地,另一端经过电压保护器间接接地。电缆金属护层一端直接接地,另一端不接地,则电缆金属护层中无环流,但当操作过电压或雷电过电压波沿电缆线芯流动时,电缆金属护层不接地端会出现较高的冲击过电压;另外,当电缆较长时,电缆非直接接地端产生的感应电压较高,为保证人身安全,电缆在正常运行时,非直接接地端感应电压应限制在50V以内。因此,为了限制上述过电压对电缆金属护层的危害,保证巡检人员人身安全,应该在电缆金属护套非接地端加装护层过电压保护器。其一般采用氧化锌非线性电阻片作为保护单元,在电缆线路正常工作状态时,高压电缆护层保护器呈现高电阻状态,截断电缆金属护层中的工频感应电流回路;当电缆线路出现接地故障、雷电过电压、操作过电压导致电缆金属护层中出现很高的工频过电压或冲击过电压时,电缆护层保护器呈现低电阻导通状态,使故障电流经保护器迅速泄入大地,起到保护电缆外护层绝缘的作用。此种接地方式在非直接接地端产生较高的感应电压,但由于对地没有构成回路,电缆金属护层中无环流通过,有利于提高电缆的传输容量。一般适用于较短线路,线路的最大长度取决于非接地端所允许产生的最高感应电压。一端接地除了安装费用较高外,在短路和投切过程中金属护层的自由终端可能会出现较高的感应电压。故此种接地方式适用的电缆不能太长,仅适用于单芯电缆长度小于500 m的情况。

护套一端接地的电缆线路,还必须安装1条沿电缆线路平行敷设的导体,导体的两端接地,这种导体称为回流线。为了避免正常运行时回流线内出现环形电流,敷设回流线时应使它与中间一相电缆的距离为0.7 d(d为相邻电缆轴间距离),并在电缆线路的一半处换位。单相接地短路故障时,接地短路电流可以通过回流线流回系统的中性点,特别是当接地故障发生在回流线的接地网中时,接地电流的绝大部分通过回流线。由于通过回流线的接地电流产生的磁通抵消了一部分电缆导线接地电流所产生的磁通(两者电流方向相反),因而装设回流线后可降低短路故障时护套的感应电压,同时也防止了电缆线路附近的二次信号和通信用的电缆产生很大的感应电压,回流线的两端应可靠接地,截面积应满足短路电流热稳定的要求。

3.2 方式2

电缆金属护套中间直接接地、两端经保护器接地,是一端直接接地的引伸,可以把一端直接接地电缆的最大长度增加1倍,接线方式和原理与一端直接接地一样,其适用于长约1 000 m的电缆线路,如图3所示。

3.3 方式3

对于更长一级的单芯电缆,且负载率很高的单芯电缆宜划分适当的单元设置绝缘接头,使电缆金属护套分隔在3个区段以交叉互联接地,如图4所示。图4中画出分区段互联接地的2个单元。把1个交叉互联接地段看作是1个单元,由于该单元金属护套是两端直接接地,所以任何长度的电缆都可以分成若干个单元。在此,需要就图4中所示的直通接头及绝缘接头做出解释。直通接头是连接2根电缆形成连续电路的接头,特指接头的金属外壳与被连接电缆的金属屏蔽和绝缘屏蔽在电气上连续的接头;绝缘接头就是将电缆的金属护套、金属屏蔽和绝缘屏蔽在电气上断开的接头。

现单就1个区段讲解交叉互联原理,如图5所示,A相护套中的感应电流从A,点经A相护套至A2点,经过换相至C3点,再经C相第二段电缆护套的护套至C4点,随后换相至B5点,再经B相第三段电缆的护套至B6点接地,从而完成金属护套的完全换位。B相和C相护套采用同样换位方法,由于此三根单芯电缆的3个换位段长度大致相等,如果三段电缆中每个护套段距离相等,经以上方法换位后其电流的矢量和为零,那么电缆末端金属护套感应电压就是零,可以直接将其接地,而不会在金属护套中出现环流。所以任何长度的电缆,都可以分成若干个单元,理论上这种接线方式适用于各种长度的电缆,但其投资较大,常用于1 000 m以上且输送容量很大的单芯电缆。

3.4 方式4

出于经济方面的考虑,对一些电缆长度很短,负载也很小的情况下,当金属护套环流很小、传输功率较小时,金属护套上的感应电压极小,损耗不显著,对载流量影响不大,也可以将金属护套的两端直接接地,如图6所示。两端直接接地,就是将金属护套的两端均直接接地,不需要装设电缆护层保护器可减少运行维护工作,这种方式感应电压会引起金属护套内产生环流,产生附加损耗,不需加装保护器,这与护套上的电能损耗相比还是经济的,其安装及后期维护都较为容易。

综上所述,可以看出由于方式1和方式2中的护套另一侧不直接接地,故护套上无环流,损耗较小,但由于护套上感应电压问题,其只适合于较短的电缆。以上2种方式都加装了护层保护器,所以会增加运维检修工作。方式3可有效降低感应电压,减小护套环流,有利于提高电缆传输容量。此种接线方式投资较大,施工工艺较为复杂,同时也增加了后期运行维护工作,故只应用于长距离大负载电缆。方式4接线较为简单,运行维护方面也较为简单,但由于其两端直接接地后,金属护套与大地形成回路,在电能输送过程中会带来一定的损耗,相对于其他几种接地方式此种方式较为经济,但只适合于很短的电缆,且电缆的负载率不高的情况。

4 结论

单芯电缆金属护套的接地直接影响电缆运行,金属护套采取合适的接地方式,不仅可以提高电缆载流量,降低工程造价,而且对今后设备的运行维护都非常重要。因此在电缆线路设计施工中,应特别注意金属护套的接地方式。在高压单芯电缆的设计中,由于电缆金属护层感应电压的存在,在单点直接接地、两端直接接地、分区段交叉互联接地3种接地方式中采取何种适宜的接地方式,主要是考虑感应电压的幅值是否小于50V,从而可保证巡视检修人员安全,并采取较为经济的方法减少环流的危害也是在设计中需要考虑的重要问题。110 kV电力电缆的金属护套接地问题涉及电缆线路设计、安装、运行维护、投资等各个方面,必须根据实际情况综合各方面因素选择较为合适的接地方式,才能保证电缆线路的长期安全可靠运行。

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单芯电缆 第3篇

关键词：高压单芯电缆,金属层,接地方式

随着我国经济和电力系统飞速发展, 随着城市化、工业化进程加快, 用电负荷日益增加, 而土地越稀珍贵, 电缆线路越来越多, 越来越长, 电缆截面越来越大, 电压等级越来越高。电缆与架空线不同, 它埋于地下, 运维困难, 正确使用电缆, 是降低投资、保证安全、可靠供电的重要条件, 而正确的金属层接地方式是保证电缆安全运行的关键。

高压中, 三芯电缆难以满足容量、热稳定、弯曲半径和运输要求, 故高压常采用单芯电缆。单芯电缆的线芯与金属层的关系, 可看作单匝变压器, 当单芯电缆线芯通过电流时, 会有磁力线交链金属层, 使两端出现感应电压, 其大小与电缆长度和流过导体的电流成正比, 电缆很长时, 其感应电压可大到危机人身安全的程度。

1 感应电压计算

交流系统中单芯电缆线路一回或两回的各相按通常配置排列情况下, 在电缆金属层上任一点费直接接地出的正常感应电势值可按下式计算:ES=LESO

式中:ES感应电势 (V) ;L电缆金属层的电气通路上任一部位与其直接接地处的距离 (km) ;ESO单位长度的正常感应电势 (V/km) 。

ESO随着电流、电缆排列方式、电缆间距基电缆金属层平均半径的不同而不同, 计算公式也有区别, 具体计算可按《电力工程电缆设计规范》中的公式计算。

2 单芯电缆金属层的接地方式

2.1 单点直接接地方式

2.1.1 一端金属层直接接地

电缆线路较短, 金属层的感应电压不超50V时, 采取一端直接接地, 一端保护接地, 其他部位对地绝缘未构成回路, 可减少及消除环流, 有利于提高电缆的载流量及运行安全。此种接地方式, 电缆与架空连接时, 直接接地一般装设在架空端, 保护器装设在另一端, 可降低金属层上的冲击过电压。当雷击或操作过电压波沿线芯流动时, 金属层不接地端会出现很高的冲击电压;在系统发生短路时, 导体中有很大的电流, 护层不接地端会出现很高的感应电压, 危及护层绝缘, 可能导致多点接地, 形成环流。因此在电缆线路单相接地时, 在电缆的未接地端, 应加装过电压保护器。

2.1.2 金属层中点接地, 两端保护接地

电缆线路较长, 金属层的感应电压不超过100V时。此时可在电缆线路的中点将电缆的金属层进行单点互连接地, 电缆的两端保护接地。此种接地方式, 采用电缆直通接头, 也可根据实际情况, 若电缆长度、运输及敷设能满足要求时, 在施工中可选用单根电缆敷设安装, 在电缆中点部位仅破开电缆的外护层, 直接在金属层上安装接地装置, 安装后须做好外护层与金属层的防水处理工作。由于电缆未安装中间接头, 安装过程中未产生绝缘薄弱环节, 同时电缆线路本体无畸变电场, 有利于提高电缆的使用寿命及载流量, 有利于节约工程成本, 有利于减少运行维护工作量及故障点, 有利于电缆安全运行。采用单点直接接地方式, 金属层不存在感应电流, 有利于提高电缆额定载流量。

2.2 两端金属层直接接地方式

出于经济安全考虑, 在一些电缆不长, 金属层的感应电压不超过100V, 传输容量有很大的裕度, 且金属层上的感应电压极小, 可采用金属层两端直接接地。金属层中的环流很小, 造成的损耗不显著, 对电缆载流量影响不大, 运行维护工作较少。当电缆中电流较大时, 金属层将会出现很大的环流, 其值可达线芯电流的5%~50%, 使金属护层发热, 这不仅浪费了大量电能, 且降低了电缆的载流量, 并加速了电缆绝缘老化, 故单芯电缆不推荐两端直接接地方式。

2.3 金属层交叉互连接地方式

当电缆线路很长, 感应电压超过100V时, 电缆金属层可采用一个单元或多个单元的交叉互连接地方式。交叉互连是将电缆线路分成三个等长小段 (偏差不宜超5%) , 在每小段之间安装绝缘接头, 金属层在绝缘接头处用同轴电缆引出经交叉互后, 通过电缆护层保护器接地, 两端金属层直接接地。单元与单元之间采用电缆直通接头, 金属层互连后直接接地。采用交叉互连接地方式可减少金属层感应电压及环流, 有利于提高电缆的输送容量。如三相电流对称, 则电缆末端金属层感应电压为零, 可直接将其接地, 而不会在金属层中出现环流。感应电压最高的地方出现在绝缘接头处, 因此应装设过电压保护器。如电缆无法采用三角形排列方式, 电缆金属层交叉互连, 宜将三相电缆连续换位处理, 则不对称排列电缆的金属层电压向量和为零, 且无环流。

2.4 金属层多种接地串联

金属层交叉互连方式虽效果很好, 但对中间接头位置要求比较严格, 各单元交叉互连箱中交叉互连型式须完全一致, 实际应用中有一定的限制。随着电缆长度的增加, 电缆接头也随之增加, 增加了投资、故障点和运维工作量, 因此设计中应尽量在满足电缆设计规范的情况下减少电缆接头。我们可采取多种接地方式串联方式, 如直接接地与保护接地交叉设置、交叉互联与单点直接接地方式串联等。

3 结论

采用不同接地方式的共同目的是限制电缆金属层的感应电压, 确保巡视检修人员的安全。通过对高压单芯电缆金属层接地方式的分析, 在电缆工程设计施工中, 保证系统安全运行的前提下, 结合现场实际情况, 可选择不同的金属层接地方式及设计安装。

1) 电缆金属层不宜采用两端直接接地方式;2) 电缆金属层感应电压不超过50V时, 应选用一端直接接地, 一端保护接地方式;3) 电缆金属层感应电压大于50V但不超过100V时, 首选中点直接接地、两端保护接地方式;4) 电缆金属层感应电压大于100V时, 应选择交叉互连接地方式。每个单元三段尽可能的等长, 以减少金属层中的环流;5) 多重接地方式可根据情况串联;6) 尽量减少电缆接头数量。

参考文献

[1]电力工程电缆设计规范. (GB50217-2007) .

单芯电缆 第4篇

交联聚乙烯绝缘中压电力电缆(以下简称中压交联电缆)因其良好的电气、机械物理性能,且生产工艺简单、结构轻便、传输容量大、安装敷设及维护保养方便等优点,在电力系统中得到了广泛应用［１］。但中压单芯交联电缆常因在生产制造过程中绝缘工序和后续工序间隔时间控制不当,给合格的成品电缆造成潜在质量问题,即成品中压单芯交联电缆在存放或者敷设一段时间后,易出现轻度的外护套与线芯松动的情况,严重时会造成电缆护套开裂。

我们调查后发现,出现上述问题的电缆外径均有所增加,用手触摸有柔软中空的感觉,将护套切开一小口,就会有大量气体喷出,并且该气体可用明火点燃。护套和绝缘线芯之间的充气现象随着中压单芯交联电缆绝缘厚度的增加、电缆长度的增加越来越严重,而电缆中可燃性挥发物正是造成护套松弛的主要原因。在询问多家电缆公司得知此种现象已普遍存在,不但给电缆施工带来了很大的不便,而且将影响电缆的使用寿命以及产生安全隐患。

2 护套松弛的原因

为了查找造成可燃性挥发物逸出、护套松弛的原因,我们对中压单芯交联电缆的绝缘线芯进行了局部放电试验、耐压试验。试验结果是绝缘线芯的局部放电量约为5pC,且通过了耐压试验,这表明绝缘线芯没有质量缺陷。由于挤出内外护套时即使有气体产生,其量也很少,且大都扩散到空气中,而且即使将该过程中产生的气泡内的所有气体全部释放出来也无法产生将缆芯和护套完全分离这样大的压力,因此可燃性挥发物不可能是内外护套层挤出过程中产生的气泡。同样,电缆中的金属材料、绕包材料也不可能分解出其他副产物。

最后,我们关注到电缆交联绝缘材料中添加的交联剂过氧化物DCP(过氧化二异丙苯),该交联剂DCP在分解过程中会产生大量的可燃性CH４气体和水蒸气,其具体的分解过程如图1所示［２］。一般绝缘材料在电缆中占有相当大的比例,DCP约占绝缘材料的2%,而可燃性CH４气体约占整个绝缘交联过程中分解副产物的12%,因此其完全能产生将缆芯和护套分离这样大的压力。如成品中压单芯交联电缆在存放或者敷设这段时间内,交联过的绝缘线芯还在继续发生交联副产物分解,会有大量的CH４气体逸出,这就是成品电缆中造成护套松弛的可燃性挥发物。

3 护套松弛问题的解决措施

3.1 试验分析

我们通过在自然放置条件下和最高运行温度条件下进行的相关试验,寻找清除这些交联反应副产物(可燃性挥发物)的方法。为了了解在自然放置条件下DCP自行完全分解(即易挥发气体完全逸出)的时间周期,我们将绝缘线芯试样放入烘箱内,分别以冬季室内温度(10 ℃)和夏季室内温度(35 ℃)做为模拟温度,然后每隔24h取出样品称重,一直连续数天。试验所用的试样1 为YJV-6/10kV 1×120mm２电缆的绝缘线芯,试样2为YJV-26/35kV1×240mm２电缆的绝缘线芯,每种试样均准备5份,试验结果见表1和表2,可见,在夏季一般需要将绝缘线芯放置3~4天,交联后的副产物已基本挥发完全;冬季一般需要将绝缘线芯放置5~7天,交联后的副产物才可基本挥发完全。

注:1)质量损失率=[(W０-W１)/W０]×100%,其中W０为试验前试样质量,W1为试验后试样质量,下同表2和表3。

为了确定在自然放置条件下DCP自行完全分解(即易挥发气体完全逸出)的效果,我们对上述绝缘线芯试样再次进行热历程(即二次处理)试验,试验温度为电缆最高运行温度(90 ℃),试验结果见表3,可见热处理后绝缘材料的平均质量损失率仅约为0.10%,这表明绝缘线芯在自然条件下放置5~7天后DCP可自行完全分解,挥发物基本完全逸出。

3.2 工艺处理

根据上述试验分析,我们认为控制绝缘线芯工序与后道分相屏蔽工序之间的时间间隔非常关键。在绝缘线芯挤出后,应放置一段时间,尽可能待交联剂DCP分解出的挥发物完全逸出后再进入下一工序。一般夏季气温较高,气体逸出速度快,需要放置3~4天;冬季气温较低,气体逸出速度慢,需要放置5~7天。如遇交货期急,可采用提高绝缘线芯存放温度的办法,使绝缘内部气体充分逸出,即把绝缘线芯放入50~60℃烘房内,放置时间为1~3天。

3.3 其他

由于随着成品中压单芯交联电缆的长度增加,电缆内部气体越不容易释放,聚集起来给护套带来的冲击力越大,给电缆护套造成的质量隐患也越严重,因此建议成品中压单芯交联电缆的交货长度不应大于1km。

在对中压单芯交联电缆进行封头做封帽时,也应注意便于电缆内部气体的释放,最为简单的方法是在普通封帽上打一小孔,另外再在打完孔的封帽上加盖一个打孔封帽,注意两个孔位置应错开些,这样既可便于气体从电缆两端封帽逸出,同时也不会使电缆两头进水。或者为电缆做专业电缆封帽(譬如带气门芯封帽),使气体能沿着封帽逸出。

4 结论

单芯电缆 第5篇

一、故障原因分析如下

1.当多根单芯电缆平行敷设时, 电缆间产生感应电压。假设电缆间轴向距离为l mm, 每根电缆的平均半径为r mm, 流经电缆的电流为I A, 则在流经50Hz的交流时, 每公里电缆的感应电压Ug=0.145 I㏒ (l/r) , 如电缆线路较长, 则感应电压可能达到危及人身安全的程度。当电缆绝缘损坏时, 在电缆的外皮、金属护套等都可能形成电流, 并进一步引起电缆多处绝缘损坏。

2.在35kV高压单芯电缆缆芯中通过50Hz的交流时即产生交变磁场, 该磁场会在电缆屏蔽层/金属护套上形成涡流, 感应出一个电压, 其电压大小与磁场强度及磁力线的变化率的大小成正比。如果铜屏蔽/金属护套出现多点接地, 两接地点间则会形成一闭合回路, 并产生感应电流, 其大小与负荷电流成正比, 数值可达数十安培, 形成屏蔽层铜带/金属护套在通过较大电流时集中一点发热。电缆主绝缘层材质可耐受高压, 却不能耐受高温, 发热将造成绝缘逐渐老化损伤, 尤其在屏蔽层与接地线连接处或外护套绝缘破损处容易烧毁主绝缘, 继而发展为线芯接地 (即单相接地) 。

3.对电缆线路短、传输功率小的单芯电缆允许电缆两端接地, 但环形电流作用在电缆头终端尾管的接地连接部位所产生的长期发热情况不可避免, 对电缆头部位主绝缘造成潜在危害。

4.当线路发生不对称短路或遭受操作过电压、雷击过电压时, 金属护套还会形成更高的电压, 导致护层绝缘损坏。

5.电缆中间部位爆燃多因电缆敷设施工造成绝缘损坏引起。

二、电缆单相接地产生的危害

1.本厂35KV出线普遍较长, 对地电容较大时, 单相接地电流不容忽视。当单相接地电流超过允许值, 接地电弧不易熄灭, 易产生较高弧光间歇接地过电压, 危及35KV系统绝缘薄弱环节, 对电缆等造成设备热损坏。电缆线路电容电流的估算计算公式:

Ic=0.1UpL其中:Up电网线电压L电缆长度

正常情况下, 35 kV中性点不接地系统发生单相接地, 允许运行2 h。由于电容电流较大, 接地电弧变得不能自熄而产生了较高倍数的弧光接地过电压, 最大可达3.5倍。在单相接地事故中, 通过弧光的电流乃是未接地相对地电容电流的总和。为了减小故障总电流, 往往采用消弧线圈, 并控制接地点残流不超过10 A。但若是根据理论计算值来调整消弧线圈分头, 误差大, 当发生单相接地时, 故障点残流仍大于10 A, 接地电弧不能自熄, 仍产生较高的弧光接地过电压。

2.当发生单相接地时故障相电压下降, 其余两相对地电压升高为线电压对电气设备绝缘造成危害。35KV系统接地电弧在起弧和息弧时会造成系统电压的较大波动会影响在用的电气设备, 更严重的是如果电弧不能得到有效抑制其所产生的高热将进一步破坏绝缘, 甚至会破坏其他两相或其他回路电缆的绝缘, 当相间绝缘破坏后就会发生严重的短路事故。

三、防范措施

1.首先电缆在敷设过程中应注意不能使外护层破损, 同时避免施工中电缆窝、折形成绝缘破损, 造成屏蔽层/金属护层接地, 电缆敷设完成后要检测屏蔽层/金属护层对地绝缘。

2.电缆头制作应严格按工艺技术要求进行, 在选择品牌电缆头附件、严格控制现场工艺的基础上, 按规范恢复受损电缆头。

3.电缆头制作完毕进行安装时应使受电端屏蔽层/金属护层可靠接地, 而另一端悬空 (或装设过电压保护器) 。有中间接头的电缆也要保证各段电缆的屏蔽层/金属护层仅有单点保护接地。

4.当电缆穿过零序电流互感器时, 电缆头的接地线应通过零序电流互感器后接地;由电缆头至穿过零序电流互感器的一段电缆金属护层和接地线应对地绝缘。

5.定期检测屏蔽层/金属护层接地点的对地电流, 为了防止发生危险, 长距离敷设35KV单芯电缆, 需将电缆外皮和金属护套在适当地点接地, 以限制感应电压值在下列范围以内:对于一般铠装电缆限制到12V, 对橡套电缆限制到40V。

6.对35KV电缆进行直流耐压试验可能对电缆局部造成损伤。直流耐压试验对发现纸绝缘电缆缺陷十分有效, 但对交联聚乙烯绝缘电缆则未必有效, 而且还可能产生负作用, 2006年电力设备交接试验标准规定, 35KV电缆应采取交流耐压试验。

7.针对35KV系统单相接地, 需采取以下措施及时发现故障点并有效抑制接地弧光:

(1) 大力推广微机接地保护技术。35 kV系统属小电流接地, 由于接地保护一直未能很好解决, 需要人工查找接地线路, 时间长引发了一些相间短路, 使事故扩大化。目前, 随着技术的不断发展, 国内外已实现了小电流接地系统继电保护的选择性, 即当发生单相永久接地故障后, 在整定的时间内可以自动跳开故障线路, 极大的减少了35 kV系统单相接地持续时间, 从而大大降低了单相接地事故扩大化的概率。 (2) 要有能够抑制接地电弧的消弧线圈 (用于架空线路) 或消弧装置 (用于电缆线路) , 同一供电系统中不得有两套消弧装置同时运行。。消弧装置中的熔断器、真空接触器应根据系统的对地电容电流合理配置。消弧线圈的分头调整, 不能仅仅依据理论计算值, 应根据实测电容电流值来调整。否则, 由于计算误差大, 造成消弧线圈发挥不了应有的作用。更为严重的是, 有可能造成消弧线圈欠补偿, 形成谐振过电压, 从而产生负作用。容性电流测试工作应定期开展。老式手动消弧线圈除需停电调分头, 不能自动跟踪补偿电网电容电流等缺点外, 脱谐度也很难保证在10%以内, 其运行效果不能令人满意。据国内外资料统计分析表明, 采用老式手动消弧线圈补偿的电网, 单相接地发展成相间短路的事故率在20%~40%之间, 比采用自动跟踪补偿的电网高出3倍以上。因此, 新上消弧线圈应装设自动跟踪补偿的消弧线圈。 (3) 当无法通过硬件设备判别故障回路时应及时采用拉路法进行排查, 不得使系统长时间接地运行。

摘要：35kV单芯电缆敷设损伤及接地方式施工不当, 引发电缆故障, 本文对故障原因进行深入分析, 并结合初期故障 (单相接地) , 提出解决办法。

单芯电缆 第6篇

关键词：高压单芯电缆,外护套故障,电桥法

为应对越来越多的用电需求,许多工矿企业扩建或新建了110 kV和220 kV变电站。由于建设时间紧迫以及施工单位人员素质参差不齐,经验不足,工装用具达不到标准敷设要求,各线路敷设难度也不一致。这造成许多高压单芯电缆敷设后外护层通不过耐压试验(直流10 kV/1min)。远东电缆有限公司根据多次查测高压单芯电缆外护套故障的情况,研究了查找电缆外护套故障的原理、方法,总结了一些经验,以及对电缆外护套故障进行修复的方法。

1 单芯电缆外护套故障的原因

按照GB/T 11017—2002《额定电压110 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》规定,110 kV电缆外护套在工厂内需通过直流25 kV、5 min的耐压试验;敷设后的交接试验为直流10 kV、1 min的耐压试验。如在较低的试验电压下出现耐压试验通不过的情况,多是因电缆在敷设中(包括填土及盖板过程)外力损伤所致。具体表现如下。

1) 在电缆敷设过程中造成电缆外护套损伤。敷设过程中电缆外护套被沿线障碍物擦伤或划伤。例如,电缆敷设器具的尖角、电缆沟内的支架、电缆隧道内的预铸模板上的铁钉等尖锐物、电缆保护管(水泥管)入口处的障碍物、尖角等。

2) 电缆敷设后在后期土建时期造成电缆外护套损伤。电缆在敷设后覆土时未安照规定要求填埋细沙或细土保护层;如直接掩埋了有锐角的砖块或石块,在以后平整地面时因重型机械压迫尖石而造成电缆外护套损伤。同时,在埋设水泥盖板时及设置电缆余量时施工不当,也容易造成电缆外护套的损伤。

3) 电缆附件制作过程中对电缆外层的半导电层及接地线处理不当,形成导电途径,造成外护套通不过耐压试验。

4) 电缆敷设后被偷盗造成的损伤。

5) 随机的外力损伤造成的损伤。

2 高压电缆外护套故障的危害

高压单芯电缆外护套一旦破损,一方面,会使电缆外护套形成接地回路,产生环流,从而使电缆外护套发热,降低电缆输送容量;另一方面,持续的放电使铝套受到电化腐蚀,破损处空气及水分进入绝缘,使主绝缘产生水树老化的概率增加,易产生局部放电和引发电树枝,对电缆的长期运行安全造成威胁,严重影响电缆寿命。因此,高压电缆的交接及预防性试验规程中,明确规定了单芯高压电缆外护套的电气试验要求。

3 高压电缆外护套故障定位方法

由于高压电缆结构的特点,其外护套故障不能采用回波反射法原理进行预定位,因此高压电缆外护套绝缘破损后,可用高压电桥法(下称电桥法)来进行预定位。对于电气试验中电缆外护套耐压通不过的情况,首先要确定是低电阻还是高电阻接地故障,一般接地电阻在100 kΩ以下为低电阻接地故障,100 kΩ以上为高电阻接地故障。针对高电阻接地故障,通常的解决办法是烧穿故障,使其呈低电阻状态。一般使用上海慧东公司生产的GZD型高压电桥及HDM耐压、脉冲及恒流烧穿源一体机来查测该类问题。

GZD型高压电桥利用故障点两侧的电缆线芯电阻与比例电阻构成Murray电桥,采用四端法电阻测量原理,其内含高频高压恒流源及高灵敏度检流计,电源与电桥合为一体,解决了电源对电桥平衡干扰的难题。测量电缆为专用的高压电缆,定位精度高,电桥置于高压侧,而操作钮安全接地,彻底解决了电桥法用于高电阻定位的局限性,使电桥法应用无盲区,并且具有精确、方便的特点。

电桥法的依据是线芯(或屏蔽层)电阻均匀,与长度成比例。将被测电缆故障相的铝套与非故障相铝套短接,电桥两臂分别接故障相与非故障相,调节电桥上的一个可调电阻器,使电桥平衡,利用比例关系和已知的电缆长度就能得出故障距离。电桥法定位的接线图如图1所示。

在图1中,故障B相电缆全长为L,距测量点L1处有护层故障点k,对地电阻为Rk,G表示电桥检流计。A相为与此故障相同一回路的完好相电缆,长度相等,在此充当辅助电缆;也可利用其他完好的电缆的铝套做为辅助线。高压电缆外护套材料一般为铝套或铅套,与电缆线芯相比,电阻稍大,分布均匀。因此,Xk及kM间的电阻之比,等于其长度之比。

通常,故障点绝缘电阻的大小由外护套损伤程度的大小及故障点与湿土壤或水接触程度等因素决定,大小从几十欧至几兆欧,随电压上升泄漏电流上升明显,但不稳定。电桥的灵敏度正比于流经电桥的电流,电流相对稳定,电桥才能平衡。

在故障电缆两端采用上述电桥定位法,可预定位出故障点的位置。根据现场的敷设情况,采取相应措施把故障点暴露出来。如果电缆能直接看到,可以用恒流源加直流20～30 MA电流,在预定故障区域仔细检查是否有焦臭味,有发光、冒烟现象,进而查找故障点。对于在管道内的电缆外护套故障,在上述查测方法无效的情况下,可采用脉冲法加脉冲的方式,仔细检查相关定位区域发出的响声,一般也可在较短时间内查找到故障点。

4 高压电缆外护套故障查测经验和技巧

电桥法的优点是操作简单,使用方便。但在实际应用中需根据情况做适当的处理才能准确定位。

1) 稳定定位电流和排除干扰的方法。高压电缆一般都是大截面电缆,如要对某外护套故障进行精确定位,需要较大稳定的电流,检流计才能显示平衡。在故障电缆附近,如有其他线路在运行时会流过工频大电流,而故障电缆铝套与辅助电缆铝套的面积较大,磁场感应干扰也会比较大。因此在定位高压电缆外护套故障时,可能会出现干扰太大,无法平衡的现象。改善方法是,将故障相电缆及辅助相电缆的线芯两端接地,或在两端将线芯彼此短接,形成反向磁场。这一做法的效果明显。

利用电桥法对电缆外护套故障进行定位,在开始升压时,高电阻接地故障击穿点往往有爬电现象,使测试电流产生波动,需保持最大烧穿电流几分钟,电流才能趋于稳定。某些闪络型故障,需要更长时间,故障点经多次放电,形成电弧后,电流达到稳定状态。同时,可使用脉冲源和定位电桥同时加压,提高烧穿功率,缩短电流达到稳定状态的时间。

2) 电桥灵敏度的选择。高压电缆外护套故障电阻一般都较大,发生永久接地故障的情况较少。因此在调节电桥检流计灵敏度、选用灵敏度挡位时应逐步提高,如灵敏度过高容易造成检流计不平稳,不易定位。一般选用灵敏度为二、三挡即可,同时在调节比例时,只要使用5‰旋钮进行指针的微小调节即可。

3) 辅助线的处理。由于电缆的金属屏蔽层单位长度电阻较小,与接触电阻相近,因此接触电阻的大小对故障距离的测量精度有很大影响,测量时应采取措施减小接触电阻,从而提高测量精度。对于辅助线要选用较大截面的铜芯电缆,单位长度的辅助线直流电阻值一般要小于两倍故障电缆的单位长度的直流电阻值。未做附件的高压电缆的铝套上一般有防腐的沥青层,因此要精心处理图1所示接线中的各个接触点。处理的方法为先用汽油清除沥清,再用钢锯锯磨或锉刀在铝套上打磨2周,再将辅助线紧密绑扎在打磨处,确保接触电阻得到有效控制。对已安装好附件的高压电缆,则用已做好的接线夹夹紧辅助线,同样要确保良好的接触电阻。

4) 对于同一回路电缆三相都有故障时的情况,采用高压电桥法测量的效果不够理想,这主要是因为没有辅助电缆。可以把电缆全部裸露出后采用恒流源烧穿法和脉冲法定位法来查找。

5 案例简述

5.1 电缆敷设后期施工损坏电缆

直埋110 kV电缆,电缆敷设后在覆土期间,操作人员用铁镐撬搬电缆,致使电缆外护套受损。通过电桥法预定位、恒流源加电流烧穿精确定位的方法,找到多处故障点。

5.2 电缆敷设过程中造成外护套损伤

1)

隧道内敷设110kV电缆被铁钉扎入,故障绝缘电阻表现为永久接地。可先用电桥法预定位后再用脉冲法,多次比较放电响声,最终确定故障点。

2)

电缆在沟支架敷设,有多处故障点。因电缆在支架上,肉眼可见,可直接采用恒流源烧穿法就可找到故障点。

3)

电缆在水泥管敷设,在过管口时刮伤电缆。采用电桥法预定位、恒流源加电流烧穿精确定位的方法,以及脉冲法等组合方法查找故障点。

6 高压电缆外护套故障的修复处理

高压电缆外护套故障点查找定位后,在确定已经充分放电并可靠接地后,方可进行故障点修复处理工作。

1) 将故障点处电缆挖掘出来,清理外表杂物并将电缆故障点处架高。

2) 检查故障点处金属护套是否有损伤,若已损伤到主绝缘,需要解剖评估受损程度,一般要做中间接头。若无损伤进行下一步修复。

3) 根据受损程度,用丙酮(或酒精)将故障点(一般不得小于3 cm2范围)周围石墨导电涂层(或挤包半导电层)擦洗干静,或用薄的玻璃条刮除半导电层,确保修补点周围没有残留的半导电层。

4) 截取一块外护套料(需去除外部的半导电层和内层的沥青)填补在破损处,用热风枪对其加热使其完全热熔于破损的外护套中,恢复电缆外护层的绝缘性能。截取的护套材料应与原材料一样,并保证其清洁、干净,大小视护层破损情况而定。热风枪的温度要适宜,初次操作应做练习。

5) 用绝缘自粘带(J-20以上等级)缠绕3层并搭接到外护套10 cm以上,以增强和保证绝缘的可靠性。

6) 用质量较好的防水带半搭接缠绕3层在绝缘带层上,并覆盖到电缆外护套20 cm以上,以保持足够的防水绝缘要求。

7) 用聚氯乙烯(PVC)胶带半搭接缠绕3层在防水带层上,以保证防水带不受外界腐蚀。

8) 如故障点处长期浸泡在水中,应再增加一项防水措施,即在上述处理段上环浇一层环氧树脂层。

修复处理工作完成后,对电缆外护层进行直流10 kV、1 min耐压试验,如果试验通过则表示外护套修补点已达到电气试验要求。

7 结语

高压单芯电缆的应用越来越多,其外护层绝缘破坏故障是一个比较常见的故障现象。因此在电缆的前期敷设、后期施工中要特别注意施工质量,做好预防措施。对于外护套故障定位,采用高压电桥法预定位结合恒流源烧穿法及脉冲定位法精确定位是较为快捷、有效的电缆外护套故障测寻方法。

本文所介绍的外护套故障修复方法经多次试验和论证,能够达到高压电缆外护层电气试验标准要求,因此具有广泛的推广价值。

参考文献

[1]徐丙根,李胜祥,陈宗军.电力电缆故障探测技术[M].北京:机械工业出版社,1999.

[2]章卫,王建国.直埋高压电缆故障点查找分析初探[J].河北电力技术,2002,21(6):47-50.

单芯电缆 第7篇

21世纪是海洋的世纪,随着海洋工程和船舶工业的快速发展,大型船舶和各种离岸设施,特别是海上石油平台的用电功率越来越大,在某些环境下,不仅需要高的输配电压,同时需要大的输配电流才能满足输配要求,而目前这类高电压大电流的海洋工程用电力电缆却主要依赖进口,且产品价格昂贵。面对这种形势,本公司成功研发了18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆。与国内外同类产品相比,该产品的绝大部分性能超过国内产品,部分性能领先于进口产品,且与进口产品相比,价格低30%左右。

本文主要阐述18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆的研制情况,并对该电缆的结构设计、材料选用及关键工艺等进行了深入探讨。

1 性能要求

在设定18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆的电气性能指标时,除要求满足IEC 60092-350:2014《船用电气设备第350部分:船舶及海上平台电力、控制及仪表用电缆一般结构及试验方法》[1]和IEC 60092-354:2003《船用电气设备第354部分:额定电压为6kV(Um=7.2kV)至30kV(Um=36kV)的单芯及多芯挤包实心绝缘电力电缆》标准[2]之外,还参照美国电子和电气工程师协会标准IEEE 1580:2010《船舶及固定或浮动平台的海洋电缆的推荐规范》[3],对电缆局部放电量及绝缘偏心度两个指标制定了内控标准。以本公司研发的18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆系列产品之一的CJP96/SC-18/30kV 1×630mm2电缆为例,最终确定的该电缆部分电气性能参数指标如表1所示。

注:1)本公司内控标准,IEC 60092-354标准要求不大于15%。

在设定18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆的环境性能指标时进行了如下考虑:a.相对于陆地来说,船舶或者其它离岸设施上空间有限,且工作地点一般都远离陆地,在这样的环境下,如果发生火灾,电缆烟的开释量、毒气的开释量应极低,没有侵蚀性,从而能给舰船人员的逃生赢得宝贵时间,避免火灾条件下造成二次伤害,也有利于仪器设备的保护。因此,电缆应具有低烟、无卤、高阻燃、低毒特性。近些年来随着人们环保意识的提高,还应要求电缆具有无氟、无石棉的特性。b.海洋工程电缆一般都敷设在船舶、石油平台或离岸设施上,经常会受到强日光的直接照射、海水的侵蚀,因此电缆必须具有防紫外线、耐油、耐海水侵蚀的特性。在参考海洋工程用电缆燃烧性能的执行标准IEC 60332以及国际海洋公约组织有关规定,我们确定了18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆燃烧性能要求,如表2所示。

2 结构设计和材料选用

根据以上海洋工程电力电缆基本性能要求和现代海洋工程和船舶用电缆的使用特性,经研究,对18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆的导体、绝缘、屏蔽、铠装、护套进行了一系列特殊的结构设计和材料选用。

陆用中高压电缆一般采用IEC 60228标准规定的第二类圆形紧压铜导体,而海洋工程电力电缆工作环境比较恶劣,经常会受到海水侵蚀、日光直射,若仍使用铜导体则容易氧化,导致电缆导体直流电阻变大,安全度降低,故18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆导体采用了符合IEC 60228标准第二类圆形镀锡退火铜单线绞合形式。圆形镀锡退火铜单线具有防潮、防湿、不易氧化的特点,可充分适应海洋环境工作。绞合导体的20℃导体直流电阻应符合IEC 60228标准中第二类圆形多股镀锡退火铜导体规定。

18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆绝缘采用了绝缘强度高、介电性能好、不吸湿、耐热的交联聚乙烯绝缘;导体屏蔽采用绕包半导电尼龙带+挤包半导电屏蔽结构;绝缘屏蔽采用挤包半导电屏蔽结构。导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽采用三层共挤方式。为了均化电场,金属屏蔽采用了铜带绕包结构。

由于石油平台或船舶空间比陆地上小的多,因此石油平台电力电缆的弯曲半径要求较普通电力电缆小,工作环境较一般电力电缆更为苛刻。钢带铠装或钢丝铠装结构虽然具有较好的机械保护性能,但会使电缆的弯曲性能变差。对于单芯带铠装结构的电缆,陆用单芯铠装电力电缆弯曲半径为15D(其中D为电缆外径),海洋工程用电力电缆为9D,采用强度较高的非磁性金属丝编织铠装结构,既可以避免因铠装损耗过大,电缆载流量降低的情况,又可使电缆具有很好的弯曲性能。因此,18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆铠装层采用了非磁性不锈钢丝编织形式。

由于在船上或石油平台上电缆经常会受到外力作用,为保护电缆长期运行的安全性,18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆护套采用了内、外双层结构。电缆铠装层设立于内、外护套之间。虽然内、外护套结构的普通中压船用电力电缆是执行标准IEC 60092-354规定的内护套厚度比外护套要厚,但这样的结构会造成设立于内、外护套之间的铠装层材料重量增加,且在使用时较薄的外护套也容易损伤、开裂。在参考其它相关国际标准,并结合电缆实际使用情况,将18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆护套结构改为内薄外厚(即外护套厚度比内护套要厚)的形式,这样既可以减轻铠装层的重量,又可以提高电缆外护套的机械性能。根据当代和谐发展的环保要求和国际海洋公约组织有关规定,18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆内、外护套均采用了无重金属、无氟、无石棉、耐盐蚀、耐海洋生物侵蚀、抗紫外线、防水性好的低烟无卤阻燃聚烯烃护套料,以充分适应海上石油平台的海洋工作环境。

根据上述结构设计,最终18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆结构如图1所示。

3 关键生产工艺控制

3.1 大截面圆形紧压镀锡铜导体生产工艺控制

在18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆圆形紧压镀锡铜导体的实际生产中,常常会出现以下两个问题:a.紧压过程中镀锡铜线锡层的脱落;b.导体端头与牵引绳之间接头处的断裂。针对这两个问题进行了技术攻关。为防止紧压过程中镀锡铜线锡层脱落问题的产生,在进行了多种拉拔模具和多种拉拔工艺的比较试制后,最终采用了生产效果最好的上海交通大学交友公司生产的纳米金刚石复合涂层拉拔模和拉拔紧压工艺进行圆形紧压镀锡铜导体紧压生产。对于导体端头与牵引绳之间接头处断裂的问题,分析后发现18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆的导体截面积较大(630mm2)、单线丝径较粗,且镀锡之后镀锡铜单线比裸铜线硬度要高,通过模孔时,因摩擦力较大导致张力较大,故容易发生导体端头与牵引绳之间接头处断裂。通过多次试验和调整,发现如采用将最外层单线数量减少2~3根先行通过模孔,待其上到牵引轮后,再将剩余2~3根单丝并入模孔的方法,则既可确保较快的生产速度,又不会在生产中间出现导体端头与牵引绳之间接头处断裂的问题。最终,生产出的镀锡铜线圆形紧压导体表面光滑、圆整、密实,无明显凹凸缝隙,锡层均匀完整,无脱落和露铜现象,完全符合海洋工程电力电缆的生产要求。

3.2 导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层共挤及交联工艺控制

导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽的三层共挤和交联工艺是中高压电力电缆生产的关键。在生产18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆的导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽时共用了本公司3.6kV/6kV~26kV/35kV陆用交联聚乙烯绝缘电力电缆的三层共挤和交联生产线。该生产线可实现导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层共挤工艺,具有9段加热交联管道,交联管道温度可达380℃左右,且生产速度快、产量高。由于18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆采用的是镀锡铜导体,因此为了防止镀锡铜导体锡层的熔化,将交联管道各区的交联温度进行了适当地调整。同时,为确保交联度合格,对挤出线速度进行了优化。为了能及时调整绝缘挤出厚度,保证绝缘厚度的均匀性,在生产线上配备了世界上先进的德国进口SIKORA在线测偏仪对绝缘厚度及外径进行实时在线测量。最终,经检测生产出的绝缘偏心度小于4%,这远远优于内控标准要求(≤8%)。

3.3 大外径电缆不锈钢丝编织铠装工艺控制

18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆外径相对较大,且不锈钢丝相对普通镀锌钢丝其硬度较大,回弹性较好,为了达到理想的铠装效果和稳定的产品质量,添置了48锭卧式编织机,并在实际生产中通过对并丝根数、放线张力、锭子张力、模具结构等工艺参数的不断改进和调整,总结出适合该电缆的编织铠装工艺,生产出质量稳定合格产品。

3.4 低烟无卤阻燃聚烯烃护套挤出工艺控制

18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆内、外护套均采用低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤出。该电缆外径较大,而护套厚度又比一般陆用电缆薄,若挤出工艺控制不好,则电缆在使用时容易发生护套开裂。为了解决低烟无卤阻燃聚烯烃护套料外径大厚度薄的挤出难题,采取以下措施:a.在挤出时采用了半挤压式模具,并适当增加了模套的承径区长度,使护套挤出密实。b.护套采用热水—温水—冷水分段冷却的方式进行冷却成型。c.在确保护套料充分塑化的情况下尽量降低挤出温度。d.采用低压缩比的专用螺杆。经过不断改进,取得了理想效果,实现低烟无卤阻燃聚烯烃护套料外径大厚度薄的挤出。

4 结束语

本公司研制的18kV/30kV单芯大截面海洋工程电力电缆,具有低烟、无卤、阻燃、无氟、无石棉、耐海水侵蚀、载流量大、机械性能优良等综合特性。经国家电线电缆质量监督检验中心检验,该产品的绝大部分性能超过国内产品,部分性能领先于进口产品,完全满足了海洋工程的使用需求。

参考文献

[1]IEC.船用电气设备第350部分:船舶及海上平台电力、控制及仪表用电缆一般结构及试验方法:IEC60092-350:2014[S].2014.

[2]IEC.船用电气设备第354部分:额定电压为6kV(Um=7.2kV)至30kV(Um=36kV)的单芯及多芯挤包实心绝缘电力电缆:IEC 60092-354:2003[S].2003.