電力電纜選型與敷設(shè)

1、電力電纜選型與敷設(shè)第一章 電力電纜的基礎(chǔ)知識1.1 電力電纜的用途與優(yōu)缺點發(fā)電廠發(fā)出的電能傳送到遠方的變電所、配電所及各種用戶，是通過架空線或電纜線路實現(xiàn)的。用于傳送和分配電能的電纜稱為電力電纜。電能傳送中，通過建筑物和居民密集的地區(qū)，地面空隙有限，不能立設(shè)桿塔和架空線，就需要施放地下電纜。在發(fā)電廠或變電所中，引出線很多，往往因空間不夠，也需要電纜來輸送電能。采用電纜輸送電能比用架空線具有下列優(yōu)點。 占地小。地下敷設(shè)不占地面空間，不受地面建筑物的影響，不需在地面架設(shè)桿塔、導線，適用于城市、街道供電，使市容整齊美觀。 對人身比較安全。地下隱蔽工程，人們不可能觸及。 供電可靠，不受外界的影響。自然

2、界常見的如雷擊、風害、水、風箏、鳥害等因素會造成架空線的短路和接地等故障，而電纜不會受影響。 運行維護簡單方便，工作量少，費用低。 電纜的電容較大，有利于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。對于地下地水電站來說，電纜引出線成為它不可缺少的一個重要組成部分，對于過江、過河輸電線路，由于跨度太大而不宜敷設(shè)架空線，或者為了避免架空線對船只通航的障礙時，宜采用電纜，為避免電力線對通信產(chǎn)生干擾，則多采用電纜，在大城市人口稠密區(qū)的配電網(wǎng)、大型工廠、發(fā)電廠以及電網(wǎng)交叉區(qū)、交通擁擠區(qū)等，也需采用電纜，其占地少、安全可靠，可以減少電網(wǎng)對交通、城市建設(shè)的影響。但是，電纜線路與架空線路比較存在如下缺點： 成本高，投資費用較大。

3、 敷設(shè)后不易更換變動，不宜作臨時性的線路使用。 線路不易分支。 故障測尋困難。 檢修費工、費時、費用大。 電纜頭的制作工藝要求較高。綜上所述，在什么情況下采用電纜，需綜合考慮后再決定。1.2 電力電纜的種類及特征1.2.1 電力電纜的種類電力電纜按絕緣材料、電能形式、結(jié)構(gòu)特征、電壓等級、導體標稱截面積、導體芯數(shù)以及安裝敷設(shè)的環(huán)境等有以下分類。按絕緣材料分類油紙絕緣A、 黏性浸漬紙絕緣（統(tǒng)包型、分相屏蔽型）。B、 不滴流浸漬紙絕緣（統(tǒng)包型、分相屏蔽型）。C、 有油壓、油浸漬紙絕緣（自容式充油電纜、鋼管充油電纜）。D、 有氣壓、黏性浸漬紙絕緣（自容式充氣電纜、鋼管充氣電纜）。塑料絕緣A、 聚氯乙烯

4、絕緣。B、 聚乙烯絕緣。C、 交聯(lián)聚乙烯電纜。橡皮電纜A、 天然橡皮電纜。B、 乙丙橡皮電纜。C、 丁基橡皮電纜。按傳輸電能形式分類按傳輸電能形式分交流電纜和直流電纜。目前電力電纜的絕緣部分均為應用于交流系統(tǒng)而設(shè)計。直流電力電纜的電場分布與交流電力電纜不同，因此需要特殊設(shè)計。按結(jié)構(gòu)特征分類 統(tǒng)包型：纜芯成纜后，在外面包有統(tǒng)包絕緣，并置于同一內(nèi)護套中。 分相型：主要是分相屏蔽，一般用在1035kV，有油紙絕緣和塑料絕緣。 鋼管型：電纜絕緣外有鋼管護套，分鋼管充油、充氣電纜和鋼管油壓式、氣壓式電纜。 扁平型：三芯電纜的外型呈扁平狀，一般用于大長度海底電纜。 自容型：護套內(nèi)部有壓力的電纜，分自容式充

5、油電纜和充氣電纜。按電壓等級分類電力電纜都是按一定電壓等級制造的，由于絕緣材料及運行情況不同，使用于不同的電壓等級。我國電纜產(chǎn)品的電壓等級有0.6/1kV、1/1 kV、3.6/6 kV、6/6 kV、6/10 kV、8.7/10 kV、8.7/15 kV、12/15 kV、15/20 kV、18/20 kV、18/30 kV、21/35 kV、26/35 kV、36/63 kV、48/63 kV、64/110 kV、127/220 kV、190/330 kV、290/500 kV共19種。電壓等級有兩個數(shù)值，用斜杠分開，斜杠前的數(shù)值是相電壓值，斜杠后的數(shù)值是線電壓值（設(shè)備最高電壓）。常用電纜

6、的電壓等級U0/U（kV）為0.6/1kV、3.6/6 kV、6/10 kV、21/35 kV、36/63 kV、64/110 kV，這種電壓等級的電纜適用于每次接地故障持續(xù)時間不超過1min的三相系統(tǒng)，而電壓等級U0/U（kV）為1/1 kV、6/6 kV、8.7/10 kV、26/35 kV、48/63 kV的電纜適用于每次接地故障持續(xù)時間一般不超過2h、最長不超過8h的三相系統(tǒng)。在選擇、使用電纜時應特別注意。從施工技術(shù)要求，電纜中間接頭、電纜終端結(jié)構(gòu)特征及運行維護等方面考慮，也可以依據(jù)電壓這樣分類：低電壓電力電纜（1kV）、中電壓電力電纜（635kV）、高電壓電力電纜（110500kV）

7、。按導體標稱截面積分類電力電纜的導體是按一定電壓等級的標稱截面積制造的，這樣既便于制造，也便于施工。我國電力電纜標稱截面積系列為1.5mm2、2.5 mm2、4 mm2、6 mm2、10 mm2、16 mm2、25 mm2、35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2、120 mm2、150 mm2、185 mm2、240 mm2、300 mm2、400 mm2、500 mm2、630 mm2、800 mm2、1000 mm2、1200 mm2、1400 mm2、1600 mm2、1800 mm2、2000 mm2共26種。按導體芯數(shù)分類電力電纜導體芯數(shù)有單芯、二芯、三芯、四芯和五芯

8、共5種。單芯電纜通常用于傳送單相交流電、直流電，也可在特殊場合使用（如高壓電機引出線等），一般中低壓大截面的電力電纜和高壓充油電纜多為單芯；二芯電纜多用于傳送單相交流電或直流電；三芯電纜主要用于三相交流電網(wǎng)中，在35kV及以下各種中小截面的電纜線路中得到廣泛的應用；四芯和五芯電纜多用于低壓配電線路。只有電壓等級為1kV的電纜才有二芯、三芯、四芯和五芯。按敷設(shè)環(huán)境條件分類地下直埋、地下管道、空氣中、水底、礦井、高海拔、鹽霧、大高差、多移動、潮熱區(qū)等。一般歡快因素對護層的結(jié)構(gòu)影響較大，有的要求考慮力學保護，有的要求提高防腐蝕能力，有的要求增加柔軟度等。1.2.2 電力電纜的特征現(xiàn)將幾種電力電纜的主

9、要特點分別敘述如下。油紙絕緣電纜 黏性浸漬紙絕緣電力電纜A、 成本低，工作壽命長。B、 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。C、 絕緣材料來源充足。D、 易于安裝和維護。E、 油易淌流，不宜作高落差敷設(shè)。F、 允許工作場強較低，不宜作高電壓電力傳輸。 不滴流浸漬紙絕緣電力電纜A、 浸漬劑在工作溫度下不滴流，適宜高落差敷設(shè)。B、 工作壽命較黏性浸漬電纜更長。C、 有較高的絕緣穩(wěn)定性。D、 成本較黏性浸漬紙絕緣電纜稍高。橡皮絕緣電纜 柔軟性好，易彎曲，橡膠在很大的溫差范圍內(nèi)具有彈性，適宜作多次拆裝的線路。 橡膠的耐寒性能較好。 橡膠電纜有較好的電氣性能、力學性能和化學穩(wěn)定性。 對氣體、潮氣、水的防滲透性較好。 耐

10、電暈、耐臭氧、耐熱，耐油的性能較差，僅能適用于1000V以下的電壓等級。塑料絕緣電纜 聚氯乙烯絕緣電纜A、 安裝工藝簡單。B、 聚氯乙烯化學穩(wěn)定性高，具有非燃性，材料來源充足。C、 能適應高落差敷設(shè)。D、 敷設(shè)維護簡單方便。E、 聚氯議席電氣性能低于聚乙烯。F、 工作溫度高低對其力學性能有明顯的影響。 聚乙烯絕緣電纜A、 聚乙烯有良好的介電性能，但抗電暈、游離放電性能差。B、 聚乙烯工藝性能好，易于加工，耐熱性差，受熱易變形，易延燃，易發(fā)生應力龜裂。 交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜A、 交聯(lián)聚乙烯的允許溫升較高，所以電纜的允許載流量較大。B、 交聯(lián)聚乙烯有優(yōu)良的介電性能，但抗電暈、游離放電性能差。C、 交

11、聯(lián)聚乙烯的耐熱性能好。D、 適宜于高落差和垂直敷設(shè)。E、 接頭工藝雖較嚴格，但因為對技工的手藝技術(shù)水平要求不高，因此便于推廣使用。1.3 電力電纜的制造流程1.3.1 油浸紙絕緣電纜生產(chǎn)過程（圖1-1）1.3.2 橡塑絕緣電纜生產(chǎn)過程（圖1-2）1.4 電纜的基本結(jié)構(gòu)電力電纜的基本結(jié)構(gòu)主要包括電纜導體、絕緣層和保護層三個部分。導體是用來傳輸電能的，它必須具有良好的導電性能，減少電能在傳輸過程中的損耗，有一定的抗拉強度和伸長率，不易氧化，容易加工和焊接等特性同時還要價廉物美和資源豐富，絕緣層是用來將不同的導電線芯以及導電線芯與接地部分之間彼此絕緣隔離，并能承受長期工作電壓和短時間的過電壓和耐熱性

12、能。保護層又可分為內(nèi)護層和外護層兩部分，是保護絕緣層免受外界媒質(zhì)的作用，防止水份浸入及腐蝕和外力損傷，因此它具有良好的密封及防腐性能和一定的力學強度。在油浸紙絕緣電纜中，保護層還有防止絕緣油外流的作用。1.5 電纜的導體1.5.1 導體材料、性能和規(guī)格導體材料電纜中導體的作用是傳送電流，為了減少線路損耗和電影降，一般采用高導電率的金屬材料來制造電纜的導體。同時還應考慮材料的力學強度、價格、來源 等因素，綜合比較后，一般采用銅和鋁來作為電纜的導體。銅和鋁的性能（表1-1）表1-1銅和鋁的性能性能銅鋁熔點/1084.5658密度（20）/（g/cm3）8.92.7電阻率（20）/（10-8

13、3;m）軟態(tài)1.7482.83硬態(tài)1.7902.90電阻溫度系數(shù)（20）/（10-3-1）軟態(tài)3.954.10硬態(tài)3.854.03抗拉強度/kgf/mm2）軟態(tài)202479.5硬態(tài)35451518伸長率/%軟態(tài)30502040硬態(tài)0.50.5硬度/（kgf/mm2）軟態(tài)4045硬態(tài)8012035451kgf/mm2=0.980665kPa。用銅來作為電纜的導體，是因為它具有許多技術(shù)上的優(yōu)點，例如：它電導率大，力學強度相當高，加工容易（易壓延、拉絲、焊接）。銅的含雜質(zhì)量對銅的電導率影響很大，微量雜質(zhì)會引起電導率顯著下降。各種雜質(zhì)對銅的導電率的影響如圖1-3所示。電解銅及電工用銅線錠，按化學成分銅

14、品號規(guī)定見表1-2。表1-2按化學成分銅品號規(guī)定銅品號代號化學成分/%銅+銀（不小于）雜質(zhì)含量（不大于）砷銻鉍鐵鉛錫鎳鋅硫磷總和一號Cu-199.950.0020.0020.0010.0040.0030.0020.0020.0030.0040.0010.05二號Cu-299.900.0020.0020.0010.0050.0050.0020.0020.0040.0040.0010.10銅線制作用電解銅板或電工用銅線錠，首先加工成銅桿，然后由銅桿拉制成銅線。銅桿的生產(chǎn)工藝不同，將影響銅桿的含氧量，而含氧量又影響到銅的電導率，傳統(tǒng)的銅桿加工是將銅料在反射爐中熔化，氧化還原，然后鑄錠，再把銅錠加熱，

15、然后在回線式軋機上軋成黑銅桿，再經(jīng)酸洗后方可進入拉線。在銅錠澆鑄后，由于冷卻過程中在銅錠表面形成富氧層以及在反射爐中氧氣去除有限，所以銅的質(zhì)量較差，通常將錠刨面后再軋制，所軋銅桿含氧量也在300×10-6500×10-6。這種傳統(tǒng)的工藝已逐漸淘汰，取而代之的是連鑄連軋工藝，省去了銅錠冷卻過程，也就不會形成富氧層且生產(chǎn)效率大大提高，生產(chǎn)的銅桿含氧量在250×10-6500×10-6。對于要求含氧量低的銅桿，則是采用品位高的電解銅板，在保護氣體下進行熔化和鑄桿，生產(chǎn)的銅桿含氧量可在20×10-6以下，常用的方法有浸涂法和上引法。銅桿再經(jīng)過拉線，成為

16、不同規(guī)格的銅線。由于拉線是冷加工，在加工過程中銅線經(jīng)過拉線模時受到了拉、擠壓變形，其金相結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，從而引起電導率下降與伸長率減少，而抗拉強度、屈服極限、彈性均增大。為了提高冷拉銅線的電導率和柔軟性，則需要將銅線經(jīng)過韌煉處理（或稱退火），即把冷拉銅線加熱到500700左右，保溫異端時間后冷卻即可。傳統(tǒng)退火的方法是非連續(xù)式的，把銅線盤放入專門的退火爐中進行退火，如罐式爐、水封爐、鐘罩爐等。而新工藝采用連續(xù)退火，既在拉線設(shè)備上裝有退火裝置，邊拉線邊退火，這樣不僅提高了線材退火的質(zhì)量，而且也節(jié)約電能，節(jié)約了單獨退火工序的人力、物力。各種退火方式為避免氧化，都是在保護氣體下進行的。軟銅線（TR）

17、指韌煉過的銅線，多用于電纜線芯的制造；而硬銅線（TY）則多用于架空裸線生產(chǎn)。由于銅對浸漬劑（例如礦物油、松香復合浸漬劑等）、硫化橡皮有促進老化的作用，所以銅線表面有時要鍍錫，使銅不直接與絕緣層接觸，以減低絕緣老化速度。采用鍍錫銅線提高了電纜產(chǎn)品的質(zhì)量，并使得接頭容易焊接，但增加了工序，提高了成本。傳統(tǒng)的鍍錫工藝是將軟銅線經(jīng)過酸洗后，除去線表面上的油污及氧化層，然后通過熔融的錫形成鍍層，這種方法錫膜較厚，且不易均勻。采用電鍍方法，將錫作陽極，銅線作陰極，在含錫鹽的鍍液中，加直流電壓后在銅線上可鍍上薄而均勻的鍍層。鋁的電導率僅次于銀、銅和金，它是地殼中含量最多的元素之一，僅次于硅和氧，重量占地殼的

18、8%。因此可用來代替銅作為導電的材料。按化學成分鋁品號規(guī)定見表1-3。表1-3按化學成分鋁品號規(guī)定鋁品號代號鋁/%（不小于）雜質(zhì)/%（不大于）鐵硅鐵+硅銅雜質(zhì)重量特一號Al-0099.70.160.130.260.0100.30特二號Al-099.60.250.180.360.0100.40一號Al-199.50.300.220.450.0150.50二號Al-299.00.500.450.900.0201.0三號Al-398.01.11.01.800.0502.0鋁線制作鋁錠制造鋁線的工藝與銅線相似，首先采用連鑄、連軋的壓延工藝獲得所需的圓鋁桿，然后再拉制成不同規(guī)格的圓鋁線。為了使鋁線柔軟性

19、增加，用于制造電力電纜線芯的鋁線，除了小截面（在10mm2以下）之外，一般也要經(jīng)過韌煉處理。由于鋁線表面極易形成氧化膜，可以防止鋁線在韌煉過程中進一步氧化，因此與銅線韌煉時不同，無需與空氣隔絕。鋁的再結(jié)晶溫度比銅低，因此鋁線的韌煉溫度也比銅低（約300500），韌煉時間也較銅短。鋁線經(jīng)過韌煉后，柔軟性提高，抗拉強度降低。由于鋁的力學強度較銅差，一般多用于固定敷設(shè)的電力電纜線芯，而架空線多采用硬鋁或合金鋁。導體規(guī)格電纜由于用途不同，輸送容量不同，因而導線線芯的構(gòu)造分成許多種。線芯有大小、形狀和數(shù)量不同等區(qū)別。導線結(jié)構(gòu)應滿足力學性能要求，并力求通用化、系列化。導線截面在0.0121000mm2間按

20、優(yōu)先系數(shù)合理分檔，每一品種選取其中一段范圍。某些傳送若電流的電線電纜（如信號電纜、鉆探電纜），僅有一種導線截面，按最大工作電流和機械強度確定。導電線芯的大小是按橫斷面積（即截面）來衡量，以mm2作單位。各國標準不同，我國目前規(guī)定中低壓電纜截面有2.5mm2、4 mm2、6 mm2、10 mm2、16 mm2、25 mm2、35 mm2、50 mm2、70 mm2、95 mm2、120 mm2、150 mm2、185 mm2、240 mm2、300 mm2、400 mm2、500 mm2、630 mm2和800 mm2等規(guī)格。電纜的線芯有單芯、雙芯、三芯和四芯四種。線芯的形狀有圓形、半圓形、橢圓

21、形和扇形等，圓形導線具有穩(wěn)定性好、表面電場均勻、制造工藝簡單等優(yōu)點，所以高壓電纜的線芯多數(shù)為圓形，但其又分為壓緊和非壓緊兩種。此外還有應用于充油的“中空導體”等不同結(jié)構(gòu)形式。導線絞合為了增加電纜的柔軟性和可曲度，較大截面的電纜線芯由多根較小直徑的導線絞合而成。由多根導線絞合的線芯柔軟性好、可曲度較大，因為單根金屬導線沿某一半徑彎曲時，其中心線圓外部分必須伸長，而其圓內(nèi)部分必須縮短，如線芯是由多根導線平行放置而組成，導線之間可以滑動，因此，它比相同截面單根導線作相同彎曲時要省力得多。為了保持線芯結(jié)構(gòu)形狀的穩(wěn)定性和減小線芯彎曲時每根導線的變形，多根導線組成的線芯都應絞合而成。圖1-4（a）、（b）

22、、（c）表示一組平行放置的導線彎曲后變直時，由于導線的塑性變形可能在線芯表面產(chǎn)生凸出部分，使電纜絕緣層中電場分布產(chǎn)生畸變，并損傷電纜絕緣。而在絞合的線芯結(jié)構(gòu)圖1-4（d）、（e）中，線芯中心線內(nèi)外兩部分可以互相移動補償彎曲時不會引起導線的塑性變形，因此線芯的柔軟性和穩(wěn)定性大大提高。要求線芯有較高的柔軟性和穩(wěn)定性，可采用較小直徑導線用較小絞合節(jié)距絞合。此外，由多根導線絞合的線芯，與大截面的單根線芯不同，彎曲較平滑地分配在一段線芯上，因而彎曲時不容易損壞電纜的絕緣。電纜的用途不同，對線芯可曲度的要求也有所不同。移動式橡皮、塑料絕緣電力電纜要求最高，其次是固定式橡皮、塑料絕緣電力電纜，它多用于可曲度

23、要求較高的場合。油浸紙絕緣電力電纜線芯的可曲度比橡皮、塑料絕緣電力電纜低。因為油浸紙絕緣電力電纜的可曲度主要由護層結(jié)構(gòu)來決定，線芯對電纜的可曲度影響較小，一般只要求線芯在生產(chǎn)制造、安裝敷設(shè)過程中不致?lián)p傷絕緣即可。絞合方式有正規(guī)絞合、束絞和復絞三種。a、正規(guī)絞合外形較圓整、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。其結(jié)構(gòu)是在中心層（1根或2、3、4、5根單線）上依次絞合第1層、第2層每層比前一層多6根單線，絞向與前一層相反。各層單線根數(shù)和絞完該層后單線的總根數(shù)，可按表1-4中所列公式計算，表中m為絞合層數(shù)（中心不作為層數(shù)）。表-4絞合層單線根數(shù)計算公式中心根數(shù)n0第m層的單線根數(shù)nm包括m層在內(nèi)的單線總根數(shù)N1nm=mN=1

24、+3m（m+1）25nm=n0+6mN=（n0+3m）（m+1）絞合節(jié)距的選擇與導線的柔軟度、穩(wěn)定性、外徑及生產(chǎn)速度有關(guān)。一般，單線根數(shù)多、直徑小、要求導線較柔軟的，采用較短的絞合節(jié)距。節(jié)距比是絞合節(jié)距對被絞合后導線外徑的比值，是常用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。b、束絞的單線排列方式與正規(guī)絞合相同，因是多層一次同向絞合，故絞合后分層不明顯，外形不太圓整和穩(wěn)定。束絞的特點是生產(chǎn)率高，柔軟性好，設(shè)備較簡單。中小截面的移動式電線電纜和特別柔軟的大截面電纜，大多采用束絞電的方式。c、復絞是將已絞合好的股線（一般為719根單線，可采用束絞或正規(guī)絞合）按噶歸絞合方式再進行絞合。復絞的絞向可與股線絞向同向（較柔軟）或反向。

25、單線根數(shù)多的中、大截面導線多采用復絞。1.5.2電纜的截面積通常稱三芯電纜中一芯導體的截面積為電纜截面積。確定電纜導體的截面積通常采用稱重法。其方法是垂直切下一定長度的電纜芯樣品，除去絕緣層，并將導線按層退扭成直線用汽油揩凈導線表面的油劑和金屬屑等，量得各層導線的長度后，分別取其平均值，再按式（1-1）分別求得各層的截面積：Sn=（1-1）式中Sn各層的截面積，mm2；G各層所有單線的總重量，g；L各層單線的平均長度，mm；K密度（銅=8.9g/cm3，鋁=2.7g/cm3），g/cm3。電纜的截面積則等于各層截面積的總和。除了采用上述方法外，還可以應用幾何方法確定電纜的截面積。未經(jīng)壓縮的圓形

26、導體的截面積，可以按照組成導體的各單線的截面積總和來計算；對于壓縮過的電纜芯，可以按照所測得的等值直徑用式（1-2）、式（1-3）求得：圓形導體的截面積=ar2（mm2）（1-2）扇形導體的截面積=ar（0.5c-r）（mm2）（1-3）式中a導體的填充系數(shù)，導體為一次緊壓的，取0.820.84；導體為分層緊壓的，取0.90.93；r導體等值半徑，mm；c導體的圓周長，mm。在現(xiàn)場工作時，一般不允許用上述兩種方法確定導體截面。由于電纜導體截面機的大小有固定的等級，因此經(jīng)驗豐富的電纜工人和技術(shù)人員，可憑經(jīng)驗用肉眼來判斷電纜的截面機，這是熟練的電纜工人必須掌握的基本技能?，F(xiàn)將常用的幾種纜芯截面尺寸

27、列于表1-5。表1-5常用的幾種纜芯截面尺寸導體截面/mm2圓形導體外徑/mm扇形導體長軸/mm短軸/mm509.112.37.07010.714.58.39512.516.79.812014.718.511.215015.721.312.818517.423.514.224019.826.216.41.6 電纜的電場任何導體在電壓的作用下，會在其周圍產(chǎn)生以下眼的電場，其強度和電壓的大小與電極的形式和電極對接地部分的距離等有關(guān)。導體周圍的絕緣物質(zhì)在一定的溫度和壓力條件下，蹦夠承受一定的電場強度而不受破壞，稱為絕緣的電氣強度。電纜的制造，也是根據(jù)這個基本原則來設(shè)計的，電纜的結(jié)構(gòu)不同，其電場的分布

28、情況也有所不同，如單芯電纜（包括三芯屏蔽型和分相鉛包型電纜），單芯分階絕緣電纜和統(tǒng)包型電纜等。1.6.1單芯電纜的電場單芯或分相屏蔽型圓形線芯電纜的電場單芯或分相屏蔽型圓形線芯電纜的電場，在大多數(shù)情況下，線芯和絕緣層表面均具有均勻電場分布的屏蔽層，因此均可看作同心圓柱體電場，它的電力線完全是輻向的，其電場強度是均勻徑向分布的，電場等位線的分布如圖1-5所示?？拷鼉?nèi)屏蔽處，電場強度最大；靠近外屏蔽處，電場強度最小。各點的電場強度按以下公式計算：x處的電場強度Ex（Kv/mm）Ex=（1-4）最大電場強度Emax（Kv/mm）Emax=（1-5）最小電場強度Emin（Kv/mm）Emin=（1-6

29、）平均電場強度Eav（Kv/mm）Eav=（1-7）式中U導體對地電壓，Kv；x絕緣中任一點半徑，mm；ri絕緣外半徑，mm；rc絕緣內(nèi)半徑，mm。平均電場強度與最大電場強度之比稱為該絕緣層的利用系數(shù)，即：=In（1-8）利用系數(shù)愈大說明電場分布愈均勻，絕緣材料利用愈充分，它的利用系數(shù)等于1時，有下列關(guān)系式：Emax= Eav=Emin電纜絕緣結(jié)構(gòu)絕緣層的利用系數(shù)均小于1。電纜絕緣層愈厚，利用系數(shù)愈小。從式（1-5）可以看出，當式中In=1時（即=2.72或=0.37）導體表面的最大電場強度Emax最小，且Emax=。如按=0.37來設(shè)計電纜的導線半徑，則其導體的半徑比允許載流量所要求的大。有

30、時利用鋁為導體或中空結(jié)構(gòu)導體來增加導體半徑，但制造上除了考慮電氣性能之外，還必須考慮其他因素，如成本、材料和加工問題等。當rc與ri之比在0.250.5之間時，倒替表面最大現(xiàn)場強度基本上變化不大，不超過6%。所以一般電纜制造不論其導體截面大小，同電壓等級均用同樣的絕緣厚度。在考慮導體表面場強時，就必須考慮導體面的不光滑因素。導體是由許多單線絞合而成，表面形成了很多小曲率，應力相應增大。對于非圓形導體，扇形或橢圓線芯電纜電場分布較為復雜。在電纜設(shè)計中，主要是電纜最大電場強度。單芯分階絕緣電纜的電場電纜絕緣層厚度增加，其利用系數(shù)降低，因此，在高壓電纜中，常采用分階絕緣結(jié)構(gòu)使電場分布均勻，以提高電纜

31、絕緣的利用系數(shù)。所謂分階絕緣結(jié)構(gòu)就是采用多層絕緣，在接近線芯的內(nèi)層絕緣采用較外層介電常數(shù)高的材料，以達到均勻電場的目的。1.6.2統(tǒng)包型電纜絕緣層中的電場多芯電纜絕緣層中的電場分布比較復雜，一般用模擬實驗方法來確定。在此基礎(chǔ)上，再近似計算出它的最大電場強度。三芯電纜電場的互相堆積作用，電場的分布很不規(guī)則。此外，導體的形狀對電場強度有很大的影響。因此，三芯電纜的電場強度不能準確地用簡單的數(shù)學公式來計算。一般都用近似的公式，或根據(jù)實驗所得的應力與電纜幾何尺寸的關(guān)系曲線來求得。當導體為圓形時，統(tǒng)包型電纜的最大電場強度存在于連接三芯導體中心點的三角地帶。1.6.3單芯直流電纜的電場單芯直流電纜，其絕緣

32、層中的電場是按絕緣電阻分別的，電阻增大，場強增高，而絕緣電阻又與溫度及電場強度有關(guān)，因此直流電纜絕緣內(nèi)的電場分布隨絕緣層的溫度變化而不同，如圖1-6所示。當絕緣電阻系數(shù)=0e-arE-P r時，絕緣中的電場強度按下式計算：Er=Ur-1/（ri-rc）（1-9）式中U導體與金屬護層間的電壓，kV；r絕緣中任一點半徑，mm；ri絕緣外半徑，mm；rc絕緣內(nèi)半徑，mm；00時的絕緣電阻系數(shù)，·mm；Er半徑為r處的電場強度，kV/mm；表示下列關(guān)系式=+×（c-s）/In式中c、s導線和金屬護層溫度，；P絕緣電阻的電場系數(shù)，油浸紙絕緣P1，交聯(lián)聚乙烯P2；絕緣電子溫度系數(shù)，油浸

33、紙絕緣0.11/，交聯(lián)聚乙烯0.051/。1.7電纜的絕緣電力電纜的絕緣層材料應具有的主要性能如下。高的擊穿強度（脈沖、工頻）。低的介質(zhì)損耗角正切（tan）。相當高的絕緣電阻。 優(yōu)良的耐樹枝放電、局部放電性能。 具有一定的柔軟性和機械強度。 絕緣性能長期穩(wěn)定。常用的電力電纜絕緣材料有塑料（聚氯乙烯、聚乙烯）、浸漬紙、橡皮等。過去電力電纜的絕緣幾乎為油浸紙絕緣，隨著化學合成工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在中低壓電力電纜中，幾乎都采用塑料絕緣或橡皮絕緣，并逐漸往高壓電力電纜方面發(fā)展。但油紙絕緣優(yōu)良的性能，多少年來已證明的可靠性，是其他電纜所不及的，故仍占有一定市場，特別在高壓、超高壓電力電纜方面，仍然采用油浸紙絕

34、緣。1.7.1絕緣材料選擇絕緣材料需考慮如下因素 電性能對于1kV及以下的電線電纜，主要是絕緣電阻和耐電壓強度；對6kV及以上的電纜，除上述兩項外，還有表面放電、介質(zhì)損耗、耐電暈等性能。在選用材料時應對橡塑材料、配合劑的基本性能及含水率、雜質(zhì)、均勻性提出相應的指標，同時還應考慮材料制備和絕緣工藝中的控制要求。 熱性能主要是長期和短期允許工作我副、熱變形、熱老化等。用于高溫條件（如100以上）的材料，熱性能的要求更為突出，選擇材料時應對材料的分子結(jié)構(gòu)與熱老化特性的關(guān)系及配合劑對改善熱性能的作用效果進行分析。 力學性能主要是抗拉強度、伸長率、柔軟性、彈性、抗撕性等，這些性能對沒有護層的和使用時頻繁

35、移動的電纜更為重要。 防護性能對于僅有絕緣層的產(chǎn)品，要求絕緣材料具有一定的耐氣候性和其他的防護性能（如耐油、不延燃等）。絕緣線芯成纜將多根絕緣線芯絞合在一起稱為成纜。成纜時，應將填芯、加強芯等進行合理排列。外徑相同的絕緣線芯，成纜方式與導線正規(guī)絞合相似。某些小截面的2、3芯電線，可將絕緣線芯平行排列，一次擠出，便于安裝，也利于組成絕緣、護套生產(chǎn)流水線。成纜時，線芯間、線芯與護套間的空隙需用纖維、橡皮條、泡沫塑料管（或條）等填充，使其結(jié)構(gòu)緊密、穩(wěn)固。小截面的多芯電纜可不加填充。移動使用的電線電纜，要求導線、各絕緣芯和護層間互不粘連。有的品種允許在絕緣與護層間包一層電纜紙或塑料薄膜，個別品種成纜時

36、以密封膠漿填充線芯間，使產(chǎn)品具有橫向或縱向密封性。成纜的節(jié)距比一般如下。 固定敷設(shè)用電線電纜不大于25。 移動使用的電線電纜不大于14。 柔軟性要求高的產(chǎn)品，成纜節(jié)距比應小些。各種電纜絕緣材料的性能 塑料絕緣材料A、 聚氯乙烯絕緣材料的性能聚氯乙烯塑料是以聚氯乙烯樹脂為主要原料，根據(jù)各種電纜的不同使用要求，加入各種配合劑，如增塑劑、穩(wěn)定劑、填充劑等經(jīng)混合塑化、造粒而制得電線電纜用的聚氯乙烯塑料。聚氯乙烯塑料是應用最早、最廣泛的塑料，可用它作為電線電纜的絕緣，也可作為電纜的護套。聚氯乙烯樹脂是由氯乙烯單體聚合而成。作為絕緣材料的聚氯乙烯樹脂，主要是懸浮法聚氯乙烯樹脂，與乳液聚合樹脂相比較，它的雜

37、質(zhì)少，具有較高的電氣性能，具有較高的力學性能和耐酸、耐堿、耐油性能，不延燃，工藝性能好。它的缺點是分子結(jié)構(gòu)中有極性基因，絕緣電阻率小，介質(zhì)損耗大，耐熱性能低，熱穩(wěn)定性不高及耐寒性差等。經(jīng)常采用作為電纜絕緣用的聚氯乙烯樹脂為XS-1和XS-2，即懸浮法疏松型樹脂。XS-1聚氯乙烯樹脂的聚合度為14001530，而XS-2型的聚合度為12701400。聚合度高者，則絕緣電阻、擊穿強度都較高，力學性能及耐寒性亦較好。單純的聚氯乙烯樹脂不能直接用作絕緣，必須加入配合劑。主要的配合劑如下。 穩(wěn)定劑由于聚氯乙烯樹脂在68時就開始分解出氯化氫，但聚氯乙烯加工溫度大大超過這 溫度，另外，在氧氣、紫外線、光、熱

38、的作用下，聚氯乙烯會分解而破壞，或高分子斷鏈、交聯(lián)、或氧化老化等。加穩(wěn)定劑就是使聚氯乙烯對光、氧、熱保持穩(wěn)定。用于電纜絕緣的穩(wěn)定劑是鉛鹽為主體的復合穩(wěn)定劑。例如，三鹽基硫酸鉛、二鹽基亞磷酸鹽、硬脂酸鋇、硬脂酸鉛等，硬脂酸鹽類同時也起到潤滑作用。增塑劑由于聚氯乙烯樹脂是極性材料，分子之間引力很大，致使塑性很差，所以要加入增塑劑。其作用是減少聚氯乙烯分子之間的引力，提高活動性，使?；瘻囟?、黏流溫度降低，以獲得彈性的聚氯乙烯塑料，并易于加工。常用的增塑劑有鄰苯二甲酸二辛酯、苯二甲酸混合辛酯、石油酯、雙季戌四醇酯、均苯四辛酯等，后三者多用于耐熱塑料配方。 填充劑為了降低成本，改善塑料的某些性能，如塑料

39、電氣性能、老化性能、工藝性能等，常要使用填充劑，常用填充劑為陶土、碳酸鈣、滑石粉等。B、 聚乙烯絕緣材料的性能聚乙烯是單體乙烯的聚合物，根據(jù)聚合的方法可以分為高壓聚乙烯和低壓聚乙烯。高壓聚乙烯是將乙烯氣態(tài)單體在100200Mpa壓力下加熱聚合而成，而低壓聚乙烯是用催化劑在較低的壓力0.110Mpa壓力下加熱聚合而成。高壓聚乙烯的密度、結(jié)晶程度、軟化點均較低壓聚乙烯低，硬度也較小。根據(jù)分子量的大小可以分成高分子量聚乙烯和低分子量聚乙烯。應當指出，分子量大小與密度大小互不相關(guān)，分子量大不一定是高密度，例如就有高分子量低密度聚乙烯。由于聚乙烯為非極性分子所組成，因此它的分子之間的作用力很小。由于聚乙

40、烯大分子在化學結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)上都很規(guī)則、對稱，所以聚乙烯很容易結(jié)晶。不過它的烴鏈相當富有柔韌性，要聚乙烯不含結(jié)晶結(jié)構(gòu)固然很難，但要它全為結(jié)晶結(jié)構(gòu)也不可能。一般聚乙烯是結(jié)晶相和無定形少的兩相共存物，結(jié)晶相含量的百分數(shù)稱為結(jié)晶度。聚乙烯根據(jù)側(cè)基的情況結(jié)晶度也可能不同，高壓聚乙烯含支鏈數(shù)目較多，因而結(jié)晶度較低，在室溫下約為55%70%。低壓和中壓聚乙烯的側(cè)基較少，因而結(jié)晶度較高，在室溫下約80%90%。聚乙烯的結(jié)晶度隨溫度變化而變化。聚乙烯的原料來源豐富，價格低廉。電氣性能優(yōu)異（小的tan值和介電常數(shù)），在通常溫度下技具有一定的韌性和柔性，不要增塑劑，加工方便。但用作高壓電纜必須注意解決下述問題：耐

41、電暈、光熱老化，抗氧化性能低；聚乙烯分子之間引力小，因而熔點低、耐熱性低、機械強度不高、蠕變大；容易產(chǎn)生環(huán)境應力開裂；容易形成氣隙。為了克服聚乙烯的上述缺點，可加入各種相應的填加劑，為了提高聚乙烯絕緣的耐電暈性以提高其使用電壓，可以在聚乙烯混料中添加所謂穩(wěn)壓劑。穩(wěn)壓劑的作用如下：吸收放電能量，抑制局部放電發(fā)展；加入難燃物質(zhì)，提高聚乙烯的耐電暈能力；用無機填料填滿氣隙降低氣隙場強，使聚乙烯絕緣內(nèi)不產(chǎn)生電暈。為了提高聚乙烯的耐光、熱老化，抗氧化性能，可以采用各種抗老化劑、抗氧劑和紫外線吸收劑。在抗環(huán)境應力開裂性方面，可以在聚乙烯中混入一定量的聚異丁烯和丁基橡膠來對聚乙烯增塑。另外，為了減少氣隙的形

42、成，聚乙烯電纜采用內(nèi)外屏蔽層，在制造上采用分層擠出。C、 交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的性能聚乙烯卻染具有一系列優(yōu)點，但其缺點是耐熱性和力學性能差，蠕變性大和容易產(chǎn)生環(huán)境應力開裂等現(xiàn)象，這方案聚乙烯在電纜工業(yè)中的應用。目前為了克服這些缺點，除在混料中加入各種添加劑外，主要途徑是采用交聯(lián)法，使線型聚乙烯變成三度空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的矯聯(lián)聚乙烯，從而大大提高了聚乙烯的耐 熱性和力學性能。交聯(lián)的方法很多，從機理上可分為物理交聯(lián)和化學交聯(lián)兩大類。物理交聯(lián)用高能粒子射線輻照交聯(lián)，此外可用紫外線交聯(lián)、超聲波交聯(lián)、微波交聯(lián)等?；瘜W交聯(lián)是在拘役系中加入化學交聯(lián)劑，常用的是加入過氧化物。交聯(lián)聚乙烯在保持聚乙烯優(yōu)良性能的同時，又克

43、服了聚乙烯的缺點，在力學、耐熱、抗蠕變性能上都優(yōu)于聚乙烯。 橡皮絕緣材料橡皮是最早用來作電線的絕緣材料。橡皮在很大的溫度范圍內(nèi)具有高彈性，對氣體、潮氣、水分具有低的滲透性，有高的化學穩(wěn)定性和電氣性能，特別是橡皮的高彈性使它具有極好的彎曲性能，彎曲半徑可以小到只有它的絕緣線芯的三倍，它幾乎成為目前制造要求高柔軟性的移動式設(shè)備如掘土機、采煤機等所用供電電纜唯一的材料。橡皮是以橡膠為主體，配以各種配合劑，經(jīng)混合煉制而成橡料，再經(jīng)過硫化后成為有彈性的橡皮，橡皮是一種復雜的混合物，其力學、化學、物理、電氣性能在很大程度上由它的組成部分、工藝因素等來決定。下面簡單介紹組成橡皮的膠料和配合劑。A、 橡膠天然

44、橡膠（NR），由橡膠樹的乳液制成膠片，制法不同分煙膠片和白皺片，電纜工業(yè)采用的是鹽 膠片，按級別而言，一、二級煙膠片可作絕緣橡皮，三級則用于護套橡皮。它具有優(yōu)越的介電性能，此外，它的抗拉強度和彈性優(yōu)于合成膠，低溫柔軟性、加工性能都不錯。但它的耐熱老化性能不佳，耐油、耐溶劑性能都較差，對耐氣候老化、耐臭氧、耐電暈性也差，工作溫度為65，是可燃性物質(zhì)，微量的銅和錳等金屬鹽，還能加速它的老化。丁苯橡膠（SBR），是合成橡膠，由丁二烯與苯乙烯共聚而成。丁苯橡膠按聚合方法不同又分為乳聚丁苯膠和溶聚丁苯膠。電纜常用的是乳聚丁苯膠中的冷丁苯膠，它的聚合溫度僅5。溶聚丁苯膠性能更好，也適用于電纜工業(yè)。丁苯膠與

45、天然膠相比，力學性能、耐油性能都比天然膠好，而且它硫化速度慢，不易燒焦及硫化變形。所以電纜工業(yè)中一般不單獨使用它，總是把它與天然膠配合使用，互相取長補短，工作溫度不太高約65。乙丙橡膠，是新型合成膠，20世紀50年代中才發(fā)展起來，最初是由乙烯、丙烯共聚而成，稱之為二元乙丙膠，具有優(yōu)良電氣性能，耐臭氧、耐氣候、耐熱性能都很好，但由于不含有雙鍵而不能交聯(lián)（硫化），機械強度不能提高，所以不宜用于電纜工業(yè)。而電纜絕緣用的是三元乙丙膠，它是在二元乙丙膠的基礎(chǔ)上引入少量的第三單體如雙環(huán)戊二烯，進行共聚而成，改善了硫化性能，但也不降低它的優(yōu)良性能。它的缺點是可燃燒、不耐油、黏合性差，加工性能不好，硫化速度慢

46、。由于它的優(yōu)良電性能，特別是它優(yōu)良的耐臭氧、耐侯、耐熱等物理性能，不僅礦用電纜上大量采用，而且已用于高壓電力電纜。丁基橡膠（GR-1），由異丁烯和異戊二烯共聚而成。比一般通用的天然-丁苯膠的耐電暈性能、抗老化性能、電氣性能好，能用于較高壓電纜，較重要（如船用電纜、高壓電機引出線等）電纜的絕緣。另外它是現(xiàn)有橡膠中透氣性能最小的一種，是一種耐濕橡膠。它的缺點是回彈性、耐熱性較差，硫化速度較慢，與其它橡膠相容性差等?，F(xiàn)已有改性丁基膠克服上述缺點。自乙丙膠出現(xiàn)后丁基橡膠用得較少。除以上幾種橡膠外，硅橡膠也常被采用于高溫場合下使用的電纜絕緣中，硅橡膠溫度范圍很廣泛可以從-90300，瞬時溫度可達幾千攝氏

47、度。B、 橡皮用的配合劑橡皮除了它的基料橡膠外，還需要加各種配合劑。配合劑的配方不同對橡皮性能影響很大，所以每一種橡皮按使用要求應有其合理的配方。配合劑種類繁多，作用各異，歸納起來可有以下幾個體系：硫化體系、防護體系、軟化體系、填充補強體系、特殊用途加入劑。浸漬紙絕緣浸漬紙絕緣是應用最早、歷史最久的電力電纜的絕緣材料。它是由電纜紙包繞到電纜線芯后，經(jīng)過干燥，在真空下浸漬電纜油而成，所以它是一種由紙和油組合的絕緣材料。A、 電纜紙最常用的電纜紙，主要由木質(zhì)纖維組成，纖維素也是一種高分子化合物，電纜紙還含有其他一些成分。它的性能在很大程度上決定于纖維素在紙中的排列狀況，以及其他成分的影響。為了獲得

48、較高機械強度的紙，制造過程中必須保持由長纖維相互組編而成，長的纖維形成的毛細管結(jié)構(gòu)使它具有優(yōu)良的浸漬性能。紙的密度與纖維的含量密切相關(guān)，一般說紙密度增大，其沖擊擊穿強度、抗拉力和彈性模量均會增加，同時介質(zhì)損失角正切也相應增加。此外，紙的厚度對油浸紙的電氣強度影響很大，減薄紙的厚度，脈沖擊穿強度提高較大，但機械強度卻有所下降?？疾旒埖男再|(zhì)另一個重要參數(shù)是不透氣度，既紙張多孔性的指標，不透氣度增加意味著電纜紙對形成擊穿通道的攔阻效應增加，從而有利于提高脈沖及短時擊穿強度。但不透氣度對長時間交流擊穿強度未見得有顯著影響。紙的的含量高，有利于提高紙的密度和不透氣度，但是正如前述，這又將引起介質(zhì)損耗及介

49、電常數(shù)的增加。因此在高壓和超高壓電纜中，力求更低的介電常數(shù)和低tan值的絕緣紙。如脫離子水洗木纖維紙，已被各國采用。B、 電纜浸漬劑電纜的浸漬劑按黏度可分為兩類：一類為黏性浸漬劑，它的黏度高，在電纜的工作溫度下不流動或基本不流動，主要用于35kV及以下浸漬紙絕緣電力電纜；另一類為低黏度油，用于充油電纜，自容式充油電纜的浸漬劑黏度最低，鋼管充油電纜的浸漬劑黏度要高些，而鋼管中填充的浸漬劑黏度適中。黏性浸漬劑有兩種主要配方。一種是以光亮油與松香為主的復合浸漬劑，光亮油是從減壓殘渣油經(jīng)過脫瀝青、酚精制、脫臘以及白土精制而成，也可以用合成方法制得，目前從軟臘裂解產(chǎn)物烯烴，經(jīng)過聚合及常壓蒸餾、減壓蒸餾而

50、成。另一種是不滴流電纜用的浸漬劑，在浸漬溫度下應具有足夠低的黏度，以保證充分浸漬，但在電纜的工作溫度范圍內(nèi)，應不流動，成為塑性固體，并且要求較小的線脹系數(shù)，以保證氣隙形成盡可能少。不滴流浸漬劑的配方可以是由礦物油、微晶臘，低分子量的聚合物如聚異丁烯，再加上松香組成。也有的是用油脂狀聚乙烯或液體聚異丁烯加上適量的固體配合劑組成。充油電纜油、自容式充油電纜油（或稱浸漬劑），黏度要求很低，以便減少流動阻力。早期用礦物油，現(xiàn)期已采用高壓電纜油即十二烷基苯。鋼管電纜用聚聚丁烯油。C、 油浸紙絕緣結(jié)構(gòu)及性能油浸紙絕緣結(jié)構(gòu)，是把電纜紙切成525mm寬的紙帶螺旋式繞包在線芯上，這樣可以保證電纜可曲度，也便于包

51、纏，若是以整張紙包纏，將是不可想象的。整張包纏，電纜幾乎不可彎曲。用紙帶螺旋繞包，電纜彎曲時紙帶間可有相互移動，這樣電纜的彎曲半徑可以到本身線芯半徑的1225倍，也不會損傷絕緣。包繞的方式分為正搭蓋式、負搭蓋式、銜接式。正搭蓋螺旋繞包時第二圈部分壓在第一圈上，而負搭蓋則是每圈之間留有一定間隙，而銜接式則下一圈的邊正好與上一圈的邊緊挨著。電纜絕緣的包繞主要是負搭蓋式，在線芯部分或絕緣最外層才可能采用正搭蓋式。每層之間也有搭蓋問題，一般取搭蓋度位25%40%，即后一層繞包壓住前一層紙帶寬度為25%40%。這主要是考慮到間隙重疊次數(shù)不要太多，及間隙之間距離不要太短，保證絕緣層有較高的擊穿強度，無論在工頻電壓或脈沖電壓作用下都能滿足要求。紙帶包繞時從減少間隙提高擊穿強度來考慮，希望包得盡可能的緊，較窄的紙帶易包緊，但生產(chǎn)率低，所以一般低壓電纜用較寬的紙帶，而高壓電纜所用紙