1.2 电力电缆基础

1.2.1 电力电缆概述

为了降低发电成本和提升供电的可靠性，现代的电力系统都是将分散的电力系统并网连接成一个大的电力系统整体运行。各类发电站将电能通过升压接入高电压的输电网络，输电网络再通过降压将电能接入配电网络，配电网络进一步通过降压将电能传输给一般用户。

电力电缆是电力系统主网的主要元件，是电能传输的通道。一般情况下，电力电缆通过直埋、排管、电缆沟和隧道等方式敷设于地下。由于不占用地面空间，所以隐蔽性较高且受外部环境条件的影响较小，电力电缆一般应用于城市电网、大型工厂和国防工程等。

传统电力电缆的品种和规格有上千种之多，分类方法多种多样。通常按照电缆的绝缘和结构不同，可分为纸绝缘电缆、挤包绝缘电缆和压力电缆三大类。其中纸绝缘电缆是绕包绝缘纸带后浸渍绝缘剂（油类）作为绝缘的电缆。挤包绝缘电缆又称为固体挤压聚合电缆，它是以热塑性或热固性材料挤包形成绝缘的电缆。挤包绝缘材料主要有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、交联聚乙烯（XLPE）和乙丙橡胶（EPR）等。压力电缆是在电缆中充以能够流动，并具有一定压力的绝缘油或气的电缆。

电力电缆主要由三大部分组成：

1）导体：传输电流；

2）绝缘层：承受电压，起绝缘作用；

3）外护层：保护电缆绝缘不受外界环境境影响和防止机械损伤等。

电缆导体一般由具有较高电导率的铜、铝或者合金材料制成。电缆导体的作用是传输电流，由于电阻的存在，传输电流时导体会产生焦耳热，造成电能损耗和导体温度上升，导体的损耗主要由导体截面和导体材料电导率决定。

电缆绝缘层采用具有较高击穿场强、高绝缘电阻，具备一定柔软性和机械强度的材料制成。电缆绝缘的作用是承受导体与保护层（接地）之间的电场。为增加电力电缆的输电容量，电缆导体一般运行于极高的对地电压下，因此导体与保护层之间由具有较高击穿场强的材料进行绝缘。电缆绝缘失效是电网事故的主要原因，绝缘失效将导致导体与保护层之间产生极大的击穿电流，释放巨大的能量，可能引发爆炸、火灾和连锁的电网故障。现有中高压电力电缆主要采用XLPE作为绝缘，其绝缘寿命取决于材料工艺、运行环境、运行场强和运行温度等。一般要求XLPE正常工作温度不得高于90℃，短路故障下温度不得高于250℃，否则将加速材料热老化，威胁电缆运行安全。

电缆外护层是包裹于电缆绝缘层外面的保护层。护层的主要作用是在敷设时保护电缆不受机械破坏，运行时保护电缆不受外部环境影响，对于有金属护层的电缆，金属护层还需要承担正常运行时的电容电流和短路故障时的故障电流。不同电压等级的电缆对保护层的要求不一样，一般低压电缆不需要考虑电容电流和故障电流，其护层主要作用就是机械保护。中压电缆的电容电流和故障电流相对较小，护层除了需要提供机械保护外，还需要有铜丝或者铜带来承担电流。高压及以上电压等级电缆的电容电流和故障电流较大，一般由具有较大截面的铝套等来承载电容电流和故障电流。

1.2.2 电力电缆主要性能参数

电力电缆关键性能参数主要包括导电缆载流量、绝缘电阻、电缆的电阻、电感和电容，以及正（负）序阻抗和零序阻抗等。

电缆载流量决定了电缆的输电能力。电缆载流量的大小除了与电缆自身的结构、材料有关外，还与电缆敷设方式接地方式和外部环境等有密切关系。电缆载流量可由以下公式进行计算：

式中 I ——一根导体中流过的电流，单位为A；

Δθ ——高于环境温度的导体温升，单位为K；

R ——最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，单位为Ω/m；

W _d ——导体绝缘单位长度的介质损耗，单位为W/m；

T ₁ ——一根导体和金属套之间单位长度热阻，单位为K·m/W；

T ₂ ——金属套和铠装之间内衬层单位长度热阻，单位为K·m/W；

T ₃ ——电缆外护层单位长度热阻，单位为K·m/W；

T ₄ ——电缆表面和周围介质之间单位长度热阻，单位为K·m/W；

n ——电缆（等截面并载有相同负荷的导体）中载有负荷的导体数；

λ ₁ ——电缆金属套损耗相对于所有导体总损耗的比例；

λ ₂ ——电缆铠装损耗相对于所有导体总损耗的比例。

可以看出电缆载流量是在给定电缆最高允许运行温度的前提下，电缆自身发热与散热能力相平衡的结果。

一般情况下电力电缆最主要的发热来自电缆导体的焦耳热，影响散热能力的最主要因素是环境温度和外部热阻。由于每根电缆都是一个热源，因此在多根电缆一起敷设的情况下，相邻电缆相互加热，将使电缆载流量降低。另外，局部热源或者局部散热条件过于恶劣也会严重限制整根电缆的载流量，成为整根电缆载流量的瓶颈。

电缆的电阻是决定电缆输电损耗的最主要因素，电缆的直流电阻一般由以下公式进行计算：

式中 R ₀ ——20℃时导体的直流电阻，单位为Ω/m（电力电缆行业对各截面的电缆的 R ₀ 值进行了标准要求，直接引用标准GB/T 3956—2008）；

α ₂₀ ——20℃时材料温度系数；

θ ——导体工作温度（一般直接选取最高允许工作温度）。

单位长度电缆的交流电阻由以下公式给出：

式中 R ′——电缆的直流电阻，单位为Ω/m；

Y _s ——趋肤效应因数；

Y _p ——邻近效应因数。

对于敷设于具有铁磁性通道或电缆周边具有铁磁性物质的情况，电缆交流电阻应进一步考虑电缆周边通道或物质的磁滞损耗引起的电阻增量。

电缆的电感保护有内感和外感两部分。电缆内感取决于电缆导体的结构和电流分布情况。对于电流分布均匀的实心导体，其单位长度的内感为0.5×10 ^-7 H/m。电缆外感取决于电缆回路距离、接地方式以及是否有铁磁性铠装等。

电缆的电容是电缆线路中的一个重要参数，它决定了电缆线路中电容电流的大小。在超高压电缆线路中，电容电流可能会达到可与电缆额定电流相比拟的数值，成为限制电缆容量及传输距离的因素。此外，它也是电缆绝缘本身的一个参数，可用来检查电缆工艺质量、绝缘质量的变化等。单位长度圆形单芯电缆电容可用以下公式表示：

电缆绝缘电阻是电缆线芯到外部屏蔽之间的电阻，单位长度圆形单芯电缆绝缘电阻可用以下公式表示：

计算电缆的工作绝缘电阻（交流泄漏电阻）或用交流电压测量电缆的绝缘电阻， ρ _i 取其相应频率下的数值。通常，绝缘电阻系数在交流情况下比直流情况下小得多，因此用直流测量电缆的绝缘电阻比用交流测量的高得多。实际上，电缆的工作绝缘电阻等于绝缘层承受电压的二次方除以绝缘层的介质损耗。

电缆常用绝缘材料的绝缘电阻系数与温度和测量时的电场强度有关，一般说来，它随温度和电场强度的上升而下降。电缆绝缘材料的绝缘电阻系数随温度和场强的关系一般可以用下列经验公式表示：

式中 ρ _i0 ——绝缘材料在0℃时的绝缘电阻系数；

θ ——温度；

E ——电场强度；

a 、 b ——与绝缘材料性质有关的常数。

电气参数对电力电缆是至关重要的，它决定了电缆的传输性能和传输容量，这是由于容量主要取决于各部分的损耗发热，而损耗则是根据电气参数来计算的。相序阻抗是线路保护系统所依据的重要参数，直接影响着电网的安全运行。现普遍采用电气参数作为检查电缆质量和工艺的指标和依据。

1.2.3 电力电缆敷设方式

电缆敷设方式有直埋敷设、排管敷设、隧道敷设、电缆沟敷设等。不同敷设方式的施工技术要求不完全相同，所使用的机械设备也有所差异。

1.直埋敷设

将电缆线路直接埋设在地面下的敷设方式称为电缆直埋敷设，埋设深度为0.7～1.5m，电缆上面覆盖15cm细土，并用水泥盖板保护。直埋敷设适用于电缆线路不太密集的城市地下走廊，如市区人行道、公共绿地、建筑物边缘地带等。直埋敷设不需要大量的土建工程，施工周期较短，是一种较经济的敷设方式。直埋敷设的缺点是电缆较容易遭受机械性外力损伤，容易受到周围土壤的化学或电化学腐蚀，电缆故障修理或更换比较困难。

2.排管敷设

将电缆敷设于预先建好的地下排管中的安装方式称为电缆排管敷设。排管敷设适用于交通比较繁忙、地下管网比较密集、敷设电缆条数较多的地段。在一些城市，排管敷设已成为仅次于直埋敷设而被广泛采用的敷设方式。排管和工井的位置一般在城市道路的非机动车道，也有的建设在人行道或机动车道上。在排管和工井的土建一次完成之后，安装相同路径的电缆线路，可以不再重复开挖路面。电缆置于管道中，基本消除了外力机械损坏的可能性，因此其外护层不需要铠装，但一般应有一层聚氯乙烯外护套。排管敷设的缺点是，土建工程投资较大，工期较长。管道中电缆发生故障时，需更换两座工井之间的一段电缆，修理费用较高。

3.隧道敷设

将电缆线路敷设于已建成的电缆隧道中的安装方式称为电缆隧道敷设。电缆隧道是能够容纳较多电缆的地下土建设施。在隧道中有高1.9～2.0m的人行通道，有照明、通风和自动排水装置。隧道中可随时进行电缆安装和维修作业。

电缆敷设于隧道中，消除了外力损坏的可能性，对电缆安全运行十分有利。但隧道的建设投资较大，建设周期较长，是否选用隧道作为电缆通道，要进行综合因素考量。电缆隧道适用的场合有大型电厂或变电所，进出线电缆在20根以上的区段；电缆并列敷设在20根以上的城市道路；有多回路高压电缆从同一地段跨越内河。

（1）电缆固定 在电缆隧道中，多芯电缆安装在金属支架上，一般可以不做机械固定，但单芯电缆则必须固定。因为当发生短路故障时，由于电动力作用，单芯电缆之间所产生的相互排斥力，可能导致很长一段电缆从支架上移位，以致引起电缆损伤。

从电缆热机械特性考虑，电缆在隧道支架上和竖井中应采用蛇形方式，并使用可移动的夹具将电缆固定。

（2）防火措施 敷设在隧道中的电缆应满足防火要求，例如具有不延燃的外护套或裸钢带铠装，重要的线路应选用具有阻燃外护套的电缆等。隧道中应有火灾报警设施和自动灭火系统。在隧道中，电缆防火措施还常以50%正搭盖方式包绕防火带两层（高压电缆防火带用量约为lkg/m），或采用防火槽盒，将电缆置于全密封防火槽盒中，可有效地防止火灾蔓延。此外，还需要有常规消防设施，如在隧道中每隔50m设置沙桶，在竖井中分层设置灭火机等。

4.电缆沟敷设

将电缆敷设在预先建成的电缆沟中的安装方式称为电缆沟敷设。电缆沟敷设适用于发电厂及变电所内、工厂厂区或城市人行道，或并列安装多根电缆的场所。根据敷设电缆的数量，可在沟的双侧或单侧装置支架，电缆敷设后应固定在支架上。在支架之间或支架的沟壁之间应留有一定宽度的通道，见表1-2。电缆沟中敷设的电缆应满足防火要求，例如具有不延燃的外护层或裸钢带铠装，重要的线路应选用具有阻燃外护套的电缆等。电缆沟敷设的缺点是沟内容易积水、积污，而且清除不方便。由于电缆沟一般离地面较近，空气散热条件差，因而其电缆允许载流量比直埋敷设低。