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直流电缆种类和结构

文章出处:   责任编辑:   发布时间:2020-09-04 14:06:00    点击数:-   【
       直流电缆,是用于直流输配电系统中的电力电缆。直流电缆除了运行的电气特性与交流的不同,其结构和交流电缆基本相同。直流电缆主要用在长距离的海底电缆线路。

直流电缆

       直流输配电系统通常是二线(正、负极)运行,因此直流电缆一般为单芯电缆。因为直流电缆的导体没有集肤效应和邻近效应,即使输送很大电流,也不必采用复杂的分割导体结构。直流电缆的绝缘可以和油浸纸绝缘电缆、固体挤压聚合电缆、自容式充油电缆、充气电缆的绝缘相同,而铠装层因不受导体电流的影响,不需考虑铠装层的损耗和降低铠装层电阻率的措施。
       交流电缆的最大场强总是在导体表面紧靠绝缘层处,而直流电缆的电场强度是按绝缘的电阻系数成正比分配的,绝缘的电阻系数是随温度而变化的,即绝缘层中的最大电场强度不仅与外加电压有关,而且与负载有关。当无负载时,最大电场强度在电缆导体的表面。当负载增大时,因靠近导体处温度较高,绝缘电阻系数降低,则导体表面的电场强度减少,而绝缘表面的电场强度逐渐增加。因此直流电缆允许的最大负载不应使绝缘表面的电场强度超过其允许值,即不仅要考虑电缆的最高工作温度,而且还要考虑绝缘层的温度分布。
       直流电缆的另一特点是绝缘必须能承受快速的极性转换。在带负荷的情况下极性转换会引起绝缘内电场强度的增加,通常增加50%~70%。 
       直流电缆种类
       由于世界上早期的供电是以直流为基础的,所以早在20世纪初期,直流电缆就已有所采用。但是后来,随着交流输电技术的飞速发展,交流电缆得到了广泛的应用。直流电缆在发展中吸取了交流电缆的成熟经验,所以在结构上与交流电缆有很多相似之处。目前实际使用的高压直流电缆有以下几种类型。
       油浸纸实心电缆:
       这种直流电缆采用得最早,也采用得最多,这种电缆结构简单,制造及维护方便,价格低廉,但其工作电场强度只能达25kV/mm左右。这一限制决定了这种电缆的电压只能制造到250~300kV。果特兰岛、英一法海峡、撒丁岛、温哥华岛、康梯一斯堪等工程均采用了这种电缆。它适合于做长距离海底敷设,因为它不需要供油,而且海水的良好冷却作用能避免浸渍剂的流失。这种电缆不宜做大落差敷设,因为在这种条件下运行,电缆会出现浸渍剂向下部移动,促使高处绝缘干枯,绝缘强度降低。
       充油电缆:
       当额定电压超过250kV时,大多采用充油电缆。它在陆地上采用时,具有比其他类型电缆都优越的技术性能。近年来,由于解决了长距离供油的技术问题,所以它也可用作海底电缆。在国外,这种充油电缆已用于金斯诺思、康梯一斯堪、四国一本州等直流工程中。
       充气电缆:
       它的介质通常选用高密度浸渍纸再充以压缩气体(如氮气)组成,有较高的绝缘强度,其工作电场强度可达25kV/mm以上,它适宜于做长距离海底电缆敷设及大落差敷设,如新西兰库克海峡直流输电工程就采用了这种电缆。但是,由于电缆内的压缩气体对电缆及其附件的密封性与机械强度提出了很高的要求,因此没被广泛采用。
       挤压聚乙烯电缆:
       这种电缆结构简单而坚固,用来作为海底电缆是比较适宜的,但按其直流耐压能力看,工作电压只能达250kV左右。
       目前实际采用的直流电缆绝大多数是胶浸实心电缆与充油电缆,但是没有金属包皮,只有钢丝铠装的聚乙烯电缆,由于在某些方面有了一定的优点,所以近期亦受到广泛的关注。
       直流电缆结构
       导电线芯:
       导电线芯材料一般采用铜线,其截面按额定电流、容许压降、短路容量等因素选定。在选择芯线结构时,应着重考虑发生故障后的海水渗透问题,一般可采用压聚、焊接、涂水密封材料等堵水措施。
       绝缘层:
       直流电缆的绝缘层厚度应同时满足四方面要求:①对于额定直流电压,无负荷时导体表面处的场强应在允许值以下;②对于额定直流电压,满负荷时外层包皮处的场强应在允许值以下;③能耐受冲击试验电压;④在额定电流下,导体的温度应在允许值以下。一般可先假定几种绝缘厚度进行计算,然后选定最合适的绝缘层厚度。
       外护层:
       直流电缆由于在金属护套和铠装上不会有感应电压,所以不存在护套损耗的问题。护层的结构主要是考虑机械的保护和防止腐蚀,特别是对于海底电缆。
       (1)金属护套。为了保证金属护套的可靠性和柔软性,迄今直流电缆都采用铅护套,铅护套的厚度一般为2.5~3.0mm,对内压型充油或充气电缆,还必须和所采用的压力相应,增设有几层金属带制成的加强层。
       (2)防蚀层。海底电缆在正常运行时,由于漏电流和以海水做回路的电流作用,金属护套和加强层都将受到电解腐蚀作用。通常只要加一层由塑料制成的护套,即可防止电蚀。但一旦塑料防蚀层受损,就将出现局部性的急速腐蚀。所以,有些电缆用浸沥青绝缘胶的纸带组成轻防蚀层,或在几层橡胶带之间涂上沥青绝缘胶。近年来,大多采用挤压几层聚乙烯或氯丁橡胶作为防蚀层,是因为聚乙烯或橡胶的弹性模数较大,能够部分地吸收作用在铅包上的机械应力,并使应力分布得更为合理。同时,它防水性能好,与铅包一起组成了双重防水密封。而且它的绝缘性能也较好,适合于承受金属护套的暂态过电压。
       (3)铠装。为了防止外来机械损伤,根据具体情况可在防蚀层外面加钢带或钢丝铠装。海底电缆一般都采用钢丝铠装。海底电缆在敷设或打捞时,由于电缆的自重,使电缆受到很大的机械应力,同时在复杂的海洋环境中,电缆会受到海水、海洋生物等的侵蚀。
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