电力电缆击穿机理及常见故障原因

 

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［wayneshaw 在 2008-9-11 10:39:09 编辑过］

电力电缆用的导体知识
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电线电缆主要用于电能传输、分配以及信号的传递，其主要组成部分包括线芯（导体）、绝缘层、屏蔽层、和护层，下面对各组成部分的性能技术指标及工艺技术参数进行逐一介绍：

电缆的导体

导体的作用是传送电流，当导体通过电流时，便产生电能损耗而使导体温度升高，导体温升又使导体电阻增大，同时使绝缘的性能下降，当导体温度超过绝缘材料的允许工作温度，就会加速绝缘材料的老化甚至在电缆弯曲处使绝缘首先软化变形，导致电缆寿命缩短或在电缆弯曲处短期内发生击穿，不能满足电缆长期使用的要求；线芯的损耗主要由导体的截面及材料的体积电阻率决定，因此，生产过程必须对导体截面及材料的性能指标进行严格检验和控制。

一、          导体用材料：

导体材料必须具备良好的导电性能和机械性能、易于加工成型、资源丰富等特点，银的导电性能虽最好，但因其价格昂贵而不被采用，为减小线芯损耗和电压降，当前广泛采用的是铜材和铝材，下面就铜、铝的主要性能技术指标进行学习：

1、材料的电性能及物理特性：

                软铜             硬铝（A2-A8）

型号          T1R TU1R T2R TU2R T3R      A2 A4 A6 A8

纯度≥％              99.90                99.6

20℃体积电阻率             

不大于Ω·mm²/m     0.017241             0.02801

电阻温度系数1/℃      0.00393              0.00403

线膨胀系数1/℃        16.6*10^-6             23*10^-6

热容系数 J/kg·℃      414                 924

比重                  8.89                 2.703

熔解点℃              1084.5               658

抗拉强度≥N/mm²                          A8(120-150)

伸长率 ≥％           40                  A8(6)

2、影响导电性能的因素：

2.1温度：

金属的导电性能随温度升高而降低，当温度不是很高（接近于熔点）或很低（接近于绝对零度），电阻率和温度呈下列线性关系：ρ＝ρ₀［1+α（T-T₀）］。

2.2杂质：

金属中含有某些杂质，将使其电阻增大。杂质对金属电阻的影响，取决于杂质的种类、含量、和杂质在金属中存在的状态，铝、锑、砷、磷、镍、铅等是铜的有害杂质，当砷含量为0.35％时，铜的电阻率将增大50％；铝导体中的主要有害杂质是硅与铁。

2.3冷变形：

弹性变形时对金属电阻影响极小，而塑性变形则使电阻增大，当冷加工变形超过10％，其电阻才明显增大。对于纯金属，由于冷变形而增加的电阻，一般不大于4％。电工圆铝杆拉丝前电阻率为0.02801，经过拉丝后，生产成需要规格的电工圆铝线，电阻率采用0.028264。

2.4热处理（退火）：

金属经冷变形后，由于金属结晶的变化，抗张强度、屈服强度、弹性增加，而电导系数、伸长率下降，为了提高冷拉铜线的电导系数和柔软性，将线材在一定温度下韧炼，达到提高伸长率和电导系数的目的，电阻可恢复到变形前的水平。

2.5环境：

当环境因素使金属表面产生污染或氧化层以及附有水份、油渍时，金属电阻会增大，在金属表面包覆其他金属的保护层时，电阻可按复合材料原有电阻率的大小及包覆层厚度，通过计算求得。铜对于某些浸渍剂（例如矿物油、松香复合浸渍剂等）、硫化橡皮有促进老化作用，在此情况下，可在铜线表面镀锡，使铜不直接与绝缘层接触。

3、电线电缆常用的金属材料力学性能的有关概念：

电线电缆用金属材料应具有较好的力学性能，包括抗拉强度、弹性、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。

3.1抗拉强度：

    金属在均匀的拉力作用下，逐渐拉细直至拉断时所需的负荷，称为拉断力，拉断力除以导体受力方向的垂直截面积所得的值称为抗拉强度。他表明单位截面积金属导线抵抗拉断力的最大能力。

3.2塑性：

金属材料在负荷作用下产生变形而不被破坏，当负荷去除后，仍能使变形保留下来的性能叫塑性，保留的这种变形叫塑性变形。一般用伸长率来表示塑性的大小，伸长率越大，则金属材料的塑性越好，说明金属柔软，富于延展性，一般把δ＞5％的材料称为塑性材料，而δ＜5％的材料称为脆性材料。电线电缆用软铜线要求断裂伸长率不下于25％。

3.3弹性：

金属材料受力变形，当外力取消变形即消失，并恢复原状的性能，称为弹性。这种变形越大，弹性越好。在弹性变形范围内，材料所受应力与应变成正比，即F/A=E*(ΔL/L₀)，E称为弹性模量或弹性系数，E值越大，材料在弹性变形范围内能够承担的外力就越大。钢芯铝绞线即采用1％伸长应力计算拉断力。

4、电线电缆用金属材料应具备良好的工艺性能：

电缆导体生产中，要求材料具有良好的可锻性和焊接性。可锻性或称可塑性是指金属材料在压力加工时能改变形状而不产生裂纹的性能；焊接是指通过加热、加压使两金属件之间造成原子间或分子间的结合，从而得到永久连接的工艺过程，焊接过程金属材料所表现出的性能成为焊接性。

二、          导体的种类：

根据GB/T3956-1997，将导体共分四种，第一种、第二种、第五种、第六种。第一种为实心导体，第二种为绞合导体，第一种、第二种预定用于固定敷设电缆的导体，第五种、第六种预定用于软电缆和软线的导体，第六种比第五种更柔软。

1、              实心导体：

导体材料用镀金属或不镀金属退火铜线、无镀层铝或铝合金线。

实心铜导体应是圆形截面，25及以上实心铜导体仅预定用于特种电缆，而不适用于一般电缆；实心铝导体，截面16及以下应是圆形截面，25及以上，若是单芯电缆应是圆形截面，若是多芯电缆，可以是圆形或成型截面。

2、              绞合导体：

为了增加电缆的柔软性或可曲度，较大截面的电缆线芯由多根较小直径的单线绞合而成。由多根单线绞合的线芯柔软性好、可曲度大，线芯弯曲时，线芯中心线内外两部分可以互相移动补偿，弯曲时不会引起导体的塑性变形，因此线芯的柔软性和稳定性大大提高。

线芯的绞合形式可以分为两类，规则绞合和不规则绞合。规则绞合的定义为：导线有规则、同心且相继各层依不同方向的绞合称为规则绞合，它还可分正常规则绞合和非正常规则绞合，后者系指层与层间的导线直径不尽相同的规则绞合，而前者指组成导线的直径均相同；规则绞合还可分为简单规则绞合和复合规则绞合，后者系指组成规则绞合的导线不是单根的，而是由更细的导线按规则绞合成股，再绞合成线芯，这种绞合多用于移动橡皮绝缘电缆的线芯，以提高其柔软性。不规则绞合（束绞），所有组成导线都依同一方向的绞合。

2.1非紧压绞合圆形导体：

绞合圆铝导体截面一般不小于10mm²。导体中的单线应具有相同的标称直径，导体的单线根数、直流电阻应符合标准规定。

2.2紧压绞合圆形导体和成型导体：

紧压绞合圆铝导体截面应不小于16mm²，绞合成型铜或铝导体截面应不小于25mm²，同一导体中两根不同单线的直径比应不超过2，导体的单线根数和直流电阻应符合标准规定。

3、              软导体（第五种、第六种）

导体应由镀金属和不镀金属的退火铜线组成。导体中的单线应具有相同的标称直径；导体中的单线直径应不超过规定的最大值，第六种导体比第五种导体单线直径更细；导体电阻应不超过标准规定的最大值。

三、          导体的性能指标及工艺技术参数：

1、20℃直流电阻:

    直流电阻是影响电缆载流量的首要因素，直流电阻越大，导体产生的电压降、电能损耗就越大，是电缆的重要性能指标。影响直流电阻的因素包括材料的体积电阻率、导体的实际截面、环境温度、加工过程的拉丝退火压型，绞合成缆节距、导体表面有无污染氧化及镀层等，控制直流电阻就必须在每一个环节进行控制，并加强检验，以保证直流电阻不大于标准规定值。

2、导体的表面质量：

2.1导体表面应清洁无污染（油污、水渍）、无氧化现象，这不仅是考虑绝缘挤包的要求，同时也为了控制直流电阻。

2.2导体表面应光滑圆整，无尖角、毛刺、锐边或凸起的单线，导体表面质量不好会导致绝缘厚度不均甚至破皮或绝缘击穿，同时在导体的尖角部位电场集中，电场强度太大，易导致绝缘击穿，使电缆不能通过耐压试验或电缆在长期使用过程中该部位过早老化击穿，缩短电缆使用寿命。特别是扇形和瓦楞形导体，应注意导体压型时不能出现尖角、锐边。在生产低于标准规定的最小截面电缆时，特别是高压电缆，应考虑加大导体直径或加大绝缘厚度。

2.3导体应无断裂的单线或缺股现象，缺股和断头会导致导体直流电阻增大。

3、焊接：

3.1各种绞束的成品导体不允许整芯焊接，束线和绞线中的单线允许焊接，单线直径0.20mm及以下允许扭接，同一层内，相邻两接头间的距离应不下于300mm。电阻对焊的接头应退火，接头两侧退火距离约为250mm。

3.2对于铝绞线及钢芯铝绞线，单根或多根镀锌钢线均不应有任何接头；每根制造长度的导线不应使用多于1根有接头的成品铝单线；在整根导线上，任何两接头间的距离应不下于15m。电阻对焊的接头应退火，接头两侧退火距离约为250mm。电阻对焊接头的抗拉强度应不小于75MPa。

4、导体的结构根数、单丝直径应满足标准规定。

5、排列规则：

通过计算，正常规则绞合，除中心单线根数为1根例外，外层单线根数均比其相邻内层多6根单线，例如，1+6+12+18+24、2+8+14等结构。

6、绞向：将绞线垂直放在面前，单线由左下方向右上方旋转向上的称为右向（Z向），单线由右下方向左上方旋转向上的称为左向（S向）。钢芯铝绞线等裸导线最外层绞向为右向，除钢芯铝绞线架空绝缘电缆外，电线电缆绝缘线芯最外层绞向为左向。为了导体结构的稳定性，相邻两层绞向应相反。

7、节距、节径比：

节距：单线围绕绞合中心旋转一周所前进的距离称为节距。

节径比：节距与该绞层外径的比值。

根据原GB3956-83标准规定，第五种和第六种导体，一次绞束线芯节径比不大于25，股线节径比不大于30，内层节径比不大于20，外层节径比不大于14；第二种非紧压绞合圆形导体，内层不大于40，外层不大于20。

绞合导体，在导体的垂直截面上，所有圆形单线为椭圆形截面，在圆周方向上为长轴，径向为短轴，节径比越小，绞合越紧密，单线间的间隙越小，节径比越小线芯越柔软，但正常规则绞合，节径比一般不能小于10，节径比太小，易造成相邻两层结合不紧，导体起“灯笼”，节径比太大，绞线的缝隙大，绞合不紧密，易散股。在绞合导体中，每根单线的实际长度比导体的长度要大，单线的实际长度与导体的长度之比称为绞入系数，导体的节径比越小，绞入系数越大，使用的材料越多，直流电阻反而增大，因此，节径比太小不利于材料节约，节径比大又不利于绞合的紧密，生产过程需对节径比进行控制。

紧压绞合扇形、瓦楞形导体，特别是紧压绞合圆形导体，为了保证压型后导体的紧密性和弯曲性能，应选用较小的节径比。

8、线芯的截面：

8.1非紧压绞合圆形导体的截面，是由单线根数和单线直径决定的，应对单线直径和单线根数进行控制，此外，在绞合过程中，涨紧力应适当，由于拉力太大，会导致单线被拉细。

8.2紧压圆形绞合导体及紧压扇形导体，不仅要控制单线根数和直径，还要对扇高和紧压外径进行控制，这也是影响截面大小的因素。

8.3导体截面的检验可用称重法，用导体的单位长度重量除以材料密度可的导体实际截面。

9、绞合外径：

绞合外径是最外层单线与之相内切的的圆的直径，以下是正常规则绞合时外径的计算。

9.2、绞合外径D＝绞合中心外径+绞合层数*2d   绞合中心不计为绞合层数。

9.3、绞合中心外径：1根时等于d，2根时等于2d，3根时等于2.16d，4根时等于2.42d，5根时等于2.7d。

10、扇形导体、瓦楞形导体尺寸形状公差：

    应按规定选用轧刀，上下轧刀应对正，保证扇形两边对称，扇形导体不对称偏差，2*（大边-小边）/（大边＋小边）应不大于10％；应对扇高和瓦楞厚度进行控制，以控制导体截面和电缆外径。

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学习中

骗人吧

力缆异形及圆形紧压导体的截面控制，永远不可能做到首次生产实际截面和计算截面正好吻合，原因在于并不是计算方法和结果的问题，而是紧压导体受：铜、铝材质的质量好坏、机械性能均匀性、单丝是否退火软化、退火软化均匀性、轧辊及拉模的材质和结构尺寸、绞线设备的不同、导体结构的不同等等多方面因素影响，总会出现一些不确定的、无规律性的问题。同样的导体结构设计、轧辊和设备，不同时间生产的导体截面可能就会有些出入。

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