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10kv交联聚乙烯电力电缆原理及结构分析
来源: 太平洋电线电缆 发布日期: 2020.05.15 浏览次数:
信息摘要:
  交联聚乙烯(XLPE)电力电缆具有良好的电气及抗腐蚀性能,其安装简单、运维方便,在10 k V农配网得到广泛应用,但其一旦出现故障,检修…

  交联聚乙烯(XLPE)电力电缆具有良好的电气及抗腐蚀性能,其安装简单、运维方便,在10 k V农配网得到广泛应用,但其一旦出现故障,检修查找难度也很大,本文结合运行工作实际,着重对交联电缆原理及其结构进行分析,供配网运管、施工单位参考。

一、 交联聚乙烯材料(XLPE)绝缘原理分析

以聚乙烯为基本绝缘材料,采用化学和物理的交联方法,使高分子化合物聚乙烯由线形分子结构转变为三维网状结构的交联聚乙烯。其完全保持了聚乙烯的高电气物理性能,如:击穿强度高、绝缘电阻大、介质损耗正切值低等,同时由于采用交联工艺,使其耐老化性能、耐热性能、机械性能、抗腐蚀性能得到很大提高。

日常使用的XLPE电缆多为化学交联法——惰性气体交联。采用加入过氧化物(常用二异丙苯)交联剂的聚乙烯材料,通过三层共挤后,连续均匀地通过充满高温、高压氮气的密封交联管,借助过氧化物受热分解,产生游离基,游离基能与聚乙烯中的氢原子结合,失去氢原子的聚乙烯分子就联合起来,形成交联聚乙烯,完成交联过程。

但XLPE作为聚合物也有其固有缺陷,聚合物的大分子固体结构使其内部很容易累积“空间电荷”,空间电荷也被称为陷阱电荷,即被陷阱捕获后停留在介质内的那部分电荷,也可指由于不均匀极化引起的极化电荷。陷阱的形成是由于生产过程中的污染、机械加工时的引入或在应用过程中产生的,但电极注入被认为是空间电荷形成的主要原因。空间电荷一般分布在介质杂质处、物理缺陷处以及聚合物分子链间。在生产过程中的残留电荷,高电极注入或因材料不纯引起的极化等因素,都会造成空间电荷的累积,而恰恰这些因素在实际生产中又不可避免。空间电荷对XLPE电缆绝缘的危害程度很大。

此外,由于XLPE的网状分子结构,使其存在较大的透水问题。当XLPE绝缘体侵入微量水分时,会引发绝缘体中形成水树枝,同时致使类似气体游离过程而产生的高电场,造成绝缘破坏,水树枝直径一般只有几个微米,由许多微观上的小水珠空隙组成。当电缆加上电压时,在强电场的作用下,水树枝会演化成电树枝诱发绝缘击穿。由此可见,透水问题是XLPE材料的硬伤,而XLPE是主绝缘,因此在电缆安装使用中要严防水分的侵入。

二、 交联聚乙烯电力电缆结构分析

交联电缆主要由线芯导体、绝缘层和保护层3部分构成。线芯导体居于中心,在其外围是“三层共挤”工艺的绝缘屏蔽层,具有优良的绝缘屏蔽和耐、散热性能。最外围是保护层,由内护套、铠装和外护套构成,用来密封导体和主绝缘。交联电缆的这种简单结构,是基于很高的科技性和工艺性,其每层结构都有特殊的作用和要求,如果某一层结构出了问题都将使整个电缆报废,为了弄清电缆各层的结构要求,对交联电缆各结构部分原理分析如下。

1、线芯导体结构分析

线芯导体起传输电能的作用,当交流电流通过导体时,集肤效应使得导体表面附近的电荷密度大。由于导体表面的电场强度与其表面电荷密度成正比,与导体表面的曲率半径成反比,所以在导体边缘或尖端处曲率半径最小,表面电荷密度最大,空间电荷最容易聚集,电场强度就最高,也最容易发生局部强电场放电,这种现象称为“边缘效应”。

如果有杂质侵入电缆内结构,杂质会形成尖端导致局部放电,最终形成击穿。这是电缆结构内不能有杂质侵入的另一重要原因。

为了避免“边缘效应”对电缆绝缘的危害,尽量使得导体电场均匀而降低对绝缘的要求,我们应该将导体制成曲率半径最大的几何形——圆形,并使导体表面尽量光滑,从而避免尖端强电场,为此,交联电缆线芯为多芯紧压型圆绞线。由此可见,在电缆敷设安装施工时,要严格避免损伤电缆内部结构平整性而破坏均匀电场的行为。

2、内外半导电层和主绝缘层的“三层共挤”分析

半导电层是一种有较高介电常数的聚合物材料(在高电场下是导体),弥补绞合线芯不可能完全成圆,均匀线芯表面不均匀的电场,同时,可以防止制造过程中线芯意外突刺和外界杂质的引入所造成的局部高电场。其中含有迅速捕捉水分的物质,可有效地阻挡水分从内部和外部侵入绝缘层,防止水分沿线芯扩散,从而可防止水树枝的产生。另外,聚合物的固有热阻,可起到分温的热屏蔽作用,而提高电缆的载流量。

“三层共挤”工艺是将内、外半导电层与绝缘层紧密挤塑,使三层紧紧的结合在一起。此种工艺避免了外界杂质(空气、水分、异物颗粒等)侵入所造成的局部高电场,使得电场均匀平滑,从而提高了起始游离放电电压,大大提高了绝缘强度。

3、铜屏蔽和铠装

在外半导电层与内衬层之间,有用二层退火铜带螺旋搭盖绕包,成一个圆柱同心导体层,此为铜屏蔽层,它与被屏蔽得半导电层有良好得接触,并为等电位。安装时,铜屏蔽带两端接地,使电缆外半导电层始终处于零电位,从而保证了电场分布为经向均匀分布。当电缆发生故障时,铜屏蔽层上通过接地电流或短路电流使保护装置迅速动作,从而保护了电缆的非故障部分。注意,经测算,铜屏蔽层与外半导电层不接触长度不得超过2 cm。

铠装主要作用是增加电缆纵向机械应力,减少机械力对电缆得影响,同时也起到均匀电场,通过故障电流等保护作用。

当电缆发生绝缘击穿、遭受雷击、操作过压或线芯中流过较大故障电流时,金属护套的感应电压可能使内护套击穿,引起电弧,而此时的故障电流又不足以启动继电保护,那么,击穿现象会逐渐增加,直到将金属护套烧熔成洞,使故障进一步加大,为了消除这种危害,必须将金属护套在终端处接地。

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