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[资料] 电力电缆的基本组成
2018-5-3 10:26:39  707 电缆
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从基本结构上分,电力电缆主要由导体、绝缘层和保护层三部分组成。导体用于传输电能;绝缘层承受电压,在电气上使导体与外界隔离,保证电能沿导体传输;保护层起保护密封作用,使绝缘层不受外界环境的影响,防止机械损伤,保持绝缘性能。
2.2.1 电力电缆的导体
1、导体材料
  常用电缆导体材料是金属铜和铝,这两种金属的电导率大,机械强度好,有一定韧性,易于加工,其主要性能指标见表2-2。
  铜导体具有许多技术上的优点,如电导系数大,机械强度相当高,加工性好(易于压延、拉伸、焊接等),耐腐蚀等,它是应用最广泛的电缆线芯材料。但是,铜对于某些浸渍剂(如矿物油、松香复合浸渍剂等)、硫化橡皮等有促进老化的作用,在此情况下,一般可采取在铜线表面镀锡,使铜不与绝缘层直接接触,以降低老化速度。
  铝的电导系数仅次于银、铜和金,它是地壳中最多的元素之一,由于铜的资源匮缺,铝愈来愈多地被作为导电材料来取代铜。
  铝线与铜线的制造工艺相似,所不同的是铝线的韧炼温度不是400~600℃,而是300~350℃。韧炼后的铝线柔软性提高,抗张强度下降。因此,铝芯电缆不宜承受大的张力,多用于固定敷设的电缆线芯。

  表2-2  铜和铝的主要性能指标

2、导体结构方式
  为了增加电缆的柔软性或可曲度,较大截面的电缆导体由多根较小直径的导线绞合而成。由多根导线绞合的线芯柔软性好,可曲度大,因为单根金属导线沿某一半径弯曲时,其中心线外部受拉伸,而中心线内部受压缩。为了保证线芯结构形状的稳定性和减小线芯弯曲时每根导线的变形,多根导线组成的线芯均需绞合而成。不同的电缆应用场合对电缆线芯的可曲度要求也不同。
  一般地,电缆线芯的绞合形式可分为规则绞合和不规则绞合两类。
规则绞合:导线有规则,同心且相邻各层依不同方向的绞合称为规则绞合。规则绞合还可进一步分为正常规则纹合和非正常规则绞合,前者系指所有组成导线的直径均相同,而后者系指层与层间的导线直径不尽相同的规则绞台。另外规则绞合还有简单和复合之分,一般的电力电缆则是简单正常规则绞合最为常见。因此,若无特别说明,规则绞合一般均指简单正常规则纹合。
不规则绞合:指所有组成导线都依同一方向绞合,又称束绞。虽然束绞工艺简单,成本低,线芯填充系数较高,相同截面积外径较小,可曲度又高,但因其结构稳定性较差。所以,电力电缆一般不采用束绞,而绝缘软线或电压等级较低的橡皮绝缘电缆中却多采用束绞。
3、导体几何结构
  电缆的线芯按其外形可分为圆形线芯、中空圆形线芯、扇形线芯、弓形线芯等。
圆形线芯:由于其结构稳定,工艺性好,线芯表面曲率平均,35kV以上的高压电缆均采用圆形线芯,对于橡塑绝缘电力电缆一般在3kV以上也都采用圆形线芯。
中空圆形线芯:主要用于充油或充气电缆,我国中空线芯主要有两种结构。
扇形线芯:扇形线芯表面曲率半径不均等,在线芯的边角处曲率半径较小,该处电场比较集中。由于扇形线芯电缆的结构紧凑,而且生产成本较低,我国10kV及以下油浸纸绝缘电力电缆和1kV以下的塑料电缆常采用。
弓形线芯:弓形线芯适用于双芯电缆,特点是结构紧凑,电缆外形尺寸小,节省材料。

3、导体几何结构
电缆的线芯按其外形可分为圆形线芯、中空圆形线芯、扇形线芯、弓形线芯等。
圆形线芯:由于其结构稳定,工艺性好,线芯表面曲率平均,35kV以上的高压电缆均采用圆形线芯,对于橡塑绝缘电力电缆一般在3kV以上也都采用圆形线芯。
中空圆形线芯:主要用于充油或充气电缆,我国中空线芯主要有两种结构。
扇形线芯:扇形线芯表面曲率半径不均等,在线芯的边角处曲率半径较小,该处电场比较集中。由于扇形线芯电缆的结构紧凑,而且生产成本较低,我国10kV及以下油浸纸绝缘电力电缆和1kV以下的塑料电缆常采用。
弓形线芯:弓形线芯适用于双芯电缆,特点是结构紧凑,电缆外形尺寸小,节省材料。
2.2.2 电力电缆绝缘层
电缆绝缘层用来使多芯导体间及导体与护套间相互隔离,并保证一定的电气耐压强度。电缆绝缘层的材料应具备以下主要性能:
1、高的击穿场强(包括脉冲、工频、操作波等)。
2、低的介质损失角正切值(tgδ)。
3、相当高的绝缘电阻。
4、优良的耐树枝放电、局部放电性能。
5、具有一定的柔软性和机械强度。
6、绝缘性能长期稳定等。
  电缆绝缘层所选用的材料一般分为均匀质和纤维质两大类。前者包括聚乙烯、聚氯乙烯、交联聚乙烯、橡胶等,后者包括棉、麻、丝、绸、纸等。这两类绝缘材料根本差异是它们的吸湿能力明显不同。
  均匀质绝缘材料具有高度的抗潮性。在制造电缆时无需加金属内护层,但它容易受光、热、油、电晕的作用而损坏。纤维质绝缘材料却具有耐热、耐电、耐用和性能稳定等优点,适于作高压电缆的绝缘材料,它的缺点是极易吸收水分,导致绝缘性能急剧下降、甚至完全被损坏。因此,纤维质绝缘材料电缆必须借助于外层护套来防止水分侵入,同时为了提高绝缘质量,还必须除去所含的全部水分,并用适当的绝缘剂加以浸渍。
常用的电力电缆绝缘材料有油浸纸绝缘、塑料绝缘和橡胶绝缘。
1、油浸纸绝缘
(1) 绝缘纸
  电缆用绝缘纸(简称电缆纸)的主要成分是纤维素。纤维素是高分子碳氢化合物,具有很高的稳定性,不溶于水、酒精、醚、萘等有机溶剂,同时也不与弱碱及氧化剂等起作用,另外,纤维素具有毛细管结构,它的浸渍性强。
  电缆纸具有很大的吸湿性。纸内含水量的大小对纸的机械性能和电气性能的影响十分显著。技术规定纸中含水量为8%左右,主要是保证电缆纸在储存、运输过程中具有一定的机械强度。随着电缆纸中含水量的增加,其绝缘电阻、击穿场强均呈下降趋势,而介质损失角正切值却增大,使其电气性能大大地下降。因此,电缆纸必须用浸渍剂填充其结构上的微小空隙,而且在浸渍前应彻底干燥,除去纸中的全部水分。
(2)浸渍剂
  浸渍剂是用来加强和提高电缆的绝缘性能。浸渍剂应具有较高的击穿场强、介质损失低、高闪点、低凝点和良好的电、热长期稳定性。浸渍剂按其粘度的大小可分为低粘度浸渍剂和粘度较高的粘性浸渍剂两大类。
  一般来说,无论高粘度还是低粘度的绝缘油,在高电场强度的作用下,都可能发生聚合或缩合反应,出现蜡状物(X—蜡)和低分子化合物(H2、H2O等)的老化过程,当绝缘内部发生局部放电时,这一现象尤为显著。
(3)浸渍纸绝缘层结构
  浸渍纸绝缘电缆一般采用窄条纸带螺旋状包缠。这种结构既便于包缠,又可以保证电缆具有一定的可曲度,即电缆沿半径为电缆本身半径的15~25倍圆弧弯曲而不致损伤电缆绝缘。
  采用层状纸带包缠结构,绝缘层由多层纸组成,这样就减弱了单层绝缘纸对整体性能的影响,使整个绝缘层的均匀度增加,提高绝缘层的击穿强度,降低绝缘层击穿强度的分散性。
  包缠绝缘纸带有三种方式:搭盖式(正搭盖式)、间隙式(负搭盖式)和衔接式。
  间隙式包缠是采用最多的一种方式。在包缠时纸带边缘留有一定宽度间隙,间隙尺寸的大小,从电缆击穿强度来考虑,间隙越小越好,但间隙太小时,工艺难度大,另外,电缆弯曲时,在电缆弯曲中心线以内的纸带可能相碰而使纸带发皱,降低电缆的击穿强度。因此,纸带间隙的大小,应根据纸带宽度、允许弯曲半径、电缆工作电压和工艺水平来确定。一般间隙宽度选择在0.5~2.5mm范围。
  搭盖式包缠是在纸带之间相互搭盖,这会降低电缆的可曲度,电缆紧密度较低,在电缆弯曲时易引起皱折。因此,搭盖式包缠只适用于靠近线芯和绝缘层外表面的几层。
  衔接式包缠的同层纸带边缘紧密衔接,没有空隙,使同层纸带不能相互移动,降低了电缆的可曲度。因此,这种包缠方式不宜采用。
2、塑料绝缘
  自塑料电缆产生以来就得到了迅速的发展,现已突破500kV电压等级。塑料用于电缆工业的主要优点是:
(1)简化并改进电缆结构。
(2)简化电缆制造工艺、生产过程和设备,节省工时。
(3)改进电缆技术性能。
(4)适宜垂直敷设并简化安装接头技术。
  用来制作电缆绝缘层的塑料主要有:聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、交联聚乙烯 (XLPE)等。
(1)聚氯乙烯
  聚氯乙烯是电缆中应用最早、最广泛的绝缘材料。它可用作10kV及以下电缆的绝缘,也可用作电缆的护套。聚氯乙烯塑料是以聚氯乙烯树脂为基础的多组分混合材料。根据各种电缆的使用要求,在其中配以各种类型的增塑剂、稳定剂、填充剂、特种用途添加剂、着色剂等配合剂。
  聚氯乙烯中稳定剂的作用就是对热、光、氧起稳定作用,增塑剂(低分子化合物)可以使聚氯乙烯分子链间的引力减小,提高分子活动性,降低玻化温度和粘流温度,以获得赋有弹性的聚氯乙烯塑料,并易于加工成型,填充剂的作用除了降低塑料成本外,有时还可以起改善塑料的电气性能、老化性能和工艺性能等作用。
  用于绝缘材料的聚氯乙烯树脂主要是悬浮法聚氯乙烯树脂,具有较高的电气性能,而且机械强度也较高,耐酸、耐碱、耐油性能好,不延燃、工艺性好。它的缺点是分子结构中有极性基团(—C1)、绝缘电阻系数小、介质损耗大、耐热性能低、热稳定性不高、耐寒性差等。
(2) 聚乙烯
  聚乙烯是由乙烯经聚合反应而得到的一种高分子碳氢化合物。聚乙烯作为聚乙烯塑料的主体,在很大程度上决定着聚乙烯塑料的基本性能,而聚乙烯的分子结构的不同,决定了其性能的差异。根据分子量大小,聚乙烯可以分为高分子量和低分子量聚乙烯。高分子量聚乙烯具有较好的物理力学性能,但加工性能趋向困难。
  聚乙烯原料来源丰富,价格低廉,电气性能优异(tgδ值小和介电常数小),有优良的化学稳定性(耐酸、碱、盐及有机溶剂)和良好的物理性能。在通常温度下,具有一定的韧性和柔性,不需要增塑剂,加工方便。但用于高压电缆绝缘时,必须注意以下几个问题:
1)耐电晕、光氧老化、热氧老化性能低。
2)熔点低、耐热性低、机械强度不高、蠕变大。
3)容易产生环境应力开裂。
4)容易形成气隙。
5)易燃烧。
  聚乙烯塑料被大量用于中低压电缆的绝缘、内外屏蔽和护套。为了提高聚乙烯的耐光、热老化和抗氧化性能,可以采用各种抗老化剂和紫外线吸收剂。在抗环境应力开裂性能方面,可以在聚乙烯中混入一定量的聚异丁烯和丁基橡胶来对聚乙烯增塑。
(3) 交联聚乙烯
  为了利用聚乙烯良好的绝缘特性,并且克服其缺点,采用高能辐照或化学的方法对聚乙烯进行交联,使它的分子由原来的线性结构变成网状结构,即由热塑性变为热固性,从而提高聚乙烯的耐热性和热稳定性,这就是交联聚乙烯。其主要特点是软化点高、热变形小、在高温下机械强度高、抗热老化性能好等;交联聚乙烯电缆的最高运行温度可达90℃,而短路时的允许温度则达250℃。
3、橡胶绝缘的结构和性能
  橡胶是最早用来作电缆的绝缘材料。橡胶在很大的温度范围内都具有极高的弹性、柔顺性、易变性和复原性,以及良好的拉伸强度、抗撕裂性、耐疲劳,对于气体、潮气、水分具有较低的渗透性,较高的化学稳定性和电气性能。电缆绝缘用的橡皮是以橡胶为主体,加入各种配合剂,经混合形成均匀橡料,再经过硫化而制成弹性材料。因此,橡皮是一种复杂的混合物,它的电气、机械、化学、物理性能在很大程度上取决于组成成分和工艺流程。

  由于天然橡胶资源的匮乏和合成橡胶工业的迅速发展,近年来,电缆绝缘材料也大量采用合成橡胶。合成橡胶不仅在数量上满足了人们的需要,在性能上也补充了天然橡胶的不足。但是橡胶绝缘遇到油类时会很快损坏,在高电压作用下,容易受电晕作用产生龟裂。因此这种电缆一般用于10kV及以下电压等级,而人工合成的乙丙橡胶绝缘电缆可用到35kV电压级。

2.2.3 电力电缆保护层

详情可见购线网《电力电缆保护层》,在这里就不重复介绍。

购线网www.gooxian.com 专业定制各类测试线(同轴线、香蕉头测试线,低噪线等)。

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