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[期刊雜志] 電力電纜擊穿機(jī)理及常見故障原因
P:2009-08-21 22:56:19
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電纜導(dǎo)體
電線電纜各組成部分及主要性能指標(biāo)技術(shù)參數(shù)
電線電纜主要用于電能傳輸、分配以及信號的傳遞，其主要組成部分包括線芯（導(dǎo)體）、絕緣層、屏蔽層、和護(hù)層，下面對各組成部分的性能技術(shù)指標(biāo)及工藝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行逐一介紹：
電纜的導(dǎo)體
導(dǎo)體的作用是傳送電流，當(dāng)導(dǎo)體通過電流時，便產(chǎn)生電能損耗而使導(dǎo)體溫度升高，導(dǎo)體溫升又使導(dǎo)體電阻增大，同時使絕緣的性能下降，當(dāng)導(dǎo)體溫度超過絕緣材料的允許工作溫度，就會加速絕緣材料的老化甚至在電纜彎曲處使絕緣首先軟化變形，導(dǎo)致電纜壽命縮短或在電纜彎曲處短期內(nèi)發(fā)生擊穿，不能滿足電纜長期使用的要求；線芯的損耗主要由導(dǎo)體的截面及材料的體積電阻率決定，因此，生產(chǎn)過程必須對導(dǎo)體截面及材料的性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)和控制。
一、 導(dǎo)體用材料：
導(dǎo)體材料必須具備良好的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能、易于加工成型、資源豐富等特點(diǎn)，銀的導(dǎo)電性能雖最好，但因其價格昂貴而不被采用，為減小線芯損耗和電壓降，當(dāng)前廣泛采用的是銅材和鋁材，下面就銅、鋁的主要性能技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)：
1、材料的電性能及物理特性：
軟銅 硬鋁（A2-A8）
型號 T1R TU1R T2R TU2R T3R A
純度≥％ 99.90 99.6
不大于Ω·mm2/m 0.017241 0.02801
電阻溫度系數(shù)1/℃ 0.00393 0.00403
線膨脹系數(shù)1/℃ 16.6*10-6 23*10-6
熱容系數(shù) J/kg·℃ 414 924
比重 8.89 2.703
熔解點(diǎn)℃ 1084.5 658
抗拉強(qiáng)度≥N/mm
伸長率 ≥％
2、影響導(dǎo)電性能的因素：
2.1溫度：
金屬的導(dǎo)電性能隨溫度升高而降低，當(dāng)溫度不是很高（接近于熔點(diǎn)）或很低（接近于絕對零度），電阻率和溫度呈下列線性關(guān)系：ρ＝ρ0［1+α（T-T0）］。
2.2雜質(zhì)：
金屬中含有某些雜質(zhì)，將使其電阻增大。雜質(zhì)對金屬電阻的影響，取決于雜質(zhì)的種類、含量、和雜質(zhì)在金屬中存在的狀態(tài)，鋁、銻、砷、磷、鎳、鉛等是銅的有害雜質(zhì)，當(dāng)砷含量為0.35％時，銅的電阻率將增大50％；鋁導(dǎo)體中的主要有害雜質(zhì)是硅與鐵。
2.3冷變形：
彈性變形時對金屬電阻影響極小，而塑性變形則使電阻增大，當(dāng)冷加工變形超過10％，其電阻才明顯增大。對于純金屬，由于冷變形而增加的電阻，一般不大于4％。電工圓鋁桿拉絲前電阻率為0.02801，經(jīng)過拉絲后，生產(chǎn)成需要規(guī)格的電工圓鋁線，電阻率采用0.028264。
2.4熱處理（退火）：
金屬經(jīng)冷變形后，由于金屬結(jié)晶的變化，抗張強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性增加，而電導(dǎo)系數(shù)、伸長率下降，為了提高冷拉銅線的電導(dǎo)系數(shù)和柔軟性，將線材在一定溫度下韌煉，達(dá)到提高伸長率和電導(dǎo)系數(shù)的目的，電阻可恢復(fù)到變形前的水平。
2.5環(huán)境：
當(dāng)環(huán)境因素使金屬表面產(chǎn)生污染或氧化層以及附有水份、油漬時，金屬電阻會增大，在金屬表面包覆其他金屬的保護(hù)層時，電阻可按復(fù)合材料原有電阻率的大小及包覆層厚度，通過計(jì)算求得。銅對于某些浸漬劑（例如礦物油、松香復(fù)合浸漬劑等）、硫化橡皮有促進(jìn)老化作用，在此情況下，可在銅線表面鍍錫，使銅不直接與絕緣層接觸。
3、電線電纜常用的金屬材料力學(xué)性能的有關(guān)概念：
電線電纜用金屬材料應(yīng)具有較好的力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度、彈性、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等。
3.1抗拉強(qiáng)度：
金屬在均勻的拉力作用下，逐漸拉細(xì)直至拉斷時所需的負(fù)荷，稱為拉斷力，拉斷力除以導(dǎo)體受力方向的垂直截面積所得的值稱為抗拉強(qiáng)度。他表明單位截面積金屬導(dǎo)線抵抗拉斷力的最大能力。
3.2塑性：
金屬材料在負(fù)荷作用下產(chǎn)生變形而不被破壞，當(dāng)負(fù)荷去除后，仍能使變形保留下來的性能叫塑性，保留的這種變形叫塑性變形。一般用伸長率來表示塑性的大小，伸長率越大，則金屬材料的塑性越好，說明金屬柔軟，富于延展性，一般把δ＞5％的材料稱為塑性材料，而δ＜5％的材料稱為脆性材料。電線電纜用軟銅線要求斷裂伸長率不下于25％。
3.3彈性：
金屬材料受力變形，當(dāng)外力取消變形即消失，并恢復(fù)原狀的性能，稱為彈性。這種變形越大，彈性越好。在彈性變形范圍內(nèi)，材料所受應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即F/A=E*(ΔL/L0)，E稱為彈性模量或彈性系數(shù)，E值越大，材料在彈性變形范圍內(nèi)能夠承擔(dān)的外力就越大。鋼芯鋁絞線即采用1％伸長應(yīng)力計(jì)算拉斷力。
4、電線電纜用金屬材料應(yīng)具備良好的工藝性能：
電纜導(dǎo)體生產(chǎn)中，要求材料具有良好的可鍛性和焊接性�？慑懶曰蚍Q可塑性是指金屬材料在壓力加工時能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能；焊接是指通過加熱、加壓使兩金屬件之間造成原子間或分子間的結(jié)合，從而得到永久連接的工藝過程，焊接過程金屬材料所表現(xiàn)出的性能成為焊接性。
二、 導(dǎo)體的種類：
根據(jù)GB/T3956-1997，將導(dǎo)體共分四種，第一種、第二種、第五種、第六種。第一種為實(shí)心導(dǎo)體，第二種為絞合導(dǎo)體，第一種、第二種預(yù)定用于固定敷設(shè)電纜的導(dǎo)體，第五種、第六種預(yù)定用于軟電纜和軟線的導(dǎo)體，第六種比第五種更柔軟。
1、 實(shí)心導(dǎo)體：
導(dǎo)體材料用鍍金屬或不鍍金屬退火銅線、無鍍層鋁或鋁合金線。
實(shí)心銅導(dǎo)體應(yīng)是圓形截面，25及以上實(shí)心銅導(dǎo)體僅預(yù)定用于特種電纜，而不適用于一般電纜；實(shí)心鋁導(dǎo)體，截面16及以下應(yīng)是圓形截面，25及以上，若是單芯電纜應(yīng)是圓形截面，若是多芯電纜，可以是圓形或成型截面。
2、 絞合導(dǎo)體：
為了增加電纜的柔軟性或可曲度，較大截面的電纜線芯由多根較小直徑的單線絞合而成。由多根單線絞合的線芯柔軟性好、可曲度大，線芯彎曲時，線芯中心線內(nèi)外兩部分可以互相移動補(bǔ)償，彎曲時不會引起導(dǎo)體的塑性變形，因此線芯的柔軟性和穩(wěn)定性大大提高。
線芯的絞合形式可以分為兩類，規(guī)則絞合和不規(guī)則絞合。規(guī)則絞合的定義為：導(dǎo)線有規(guī)則、同心且相繼各層依不同方向的絞合稱為規(guī)則絞合，它還可分正常規(guī)則絞合和非正常規(guī)則絞合，后者系指層與層間的導(dǎo)線直徑不盡相同的規(guī)則絞合，而前者指組成導(dǎo)線的直徑均相同；規(guī)則絞合還可分為簡單規(guī)則絞合和復(fù)合規(guī)則絞合，后者系指組成規(guī)則絞合的導(dǎo)線不是單根的，而是由更細(xì)的導(dǎo)線按規(guī)則絞合成股，再絞合成線芯，這種絞合多用于移動橡皮絕緣電纜的線芯，以提高其柔軟性。不規(guī)則絞合（束絞），所有組成導(dǎo)線都依同一方向的絞合。
2.1非緊壓絞合圓形導(dǎo)體：
絞合圓鋁導(dǎo)體截面一般不小于
2.2緊壓絞合圓形導(dǎo)體和成型導(dǎo)體：
緊壓絞合圓鋁導(dǎo)體截面應(yīng)不小于
3、 軟導(dǎo)體（第五種、第六種）
導(dǎo)體應(yīng)由鍍金屬和不鍍金屬的退火銅線組成。導(dǎo)體中的單線應(yīng)具有相同的標(biāo)稱直徑；導(dǎo)體中的單線直徑應(yīng)不超過規(guī)定的最大值，第六種導(dǎo)體比第五種導(dǎo)體單線直徑更細(xì)；導(dǎo)體電阻應(yīng)不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值。
三、 導(dǎo)體的性能指標(biāo)及工藝技術(shù)參數(shù)：
1、
直流電阻是影響電纜載流量的首要因素，直流電阻越大，導(dǎo)體產(chǎn)生的電壓降、電能損耗就越大，是電纜的重要性能指標(biāo)。影響直流電阻的因素包括材料的體積電阻率、導(dǎo)體的實(shí)際截面、環(huán)境溫度、加工過程的拉絲退火壓型，絞合成纜節(jié)距、導(dǎo)體表面有無污染氧化及鍍層等，控制直流電阻就必須在每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，并加強(qiáng)檢驗(yàn)，以保證直流電阻不大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。
2、導(dǎo)體的表面質(zhì)量：
2.1導(dǎo)體表面應(yīng)清潔無污染（油污、水漬）、無氧化現(xiàn)象，這不僅是考慮絕緣擠包的要求，同時也為了控制直流電阻。
2.2導(dǎo)體表面應(yīng)光滑圓整，無尖角、毛刺、銳邊或凸起的單線，導(dǎo)體表面質(zhì)量不好會導(dǎo)致絕緣厚度不均甚至破皮或絕緣擊穿，同時在導(dǎo)體的尖角部位電場集中，電場強(qiáng)度太大，易導(dǎo)致絕緣擊穿，使電纜不能通過耐壓試驗(yàn)或電纜在長期使用過程中該部位過早老化擊穿，縮短電纜使用壽命。特別是扇形和瓦楞形導(dǎo)體，應(yīng)注意導(dǎo)體壓型時不能出現(xiàn)尖角、銳邊。在生產(chǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小截面電纜時，特別是高壓電纜，應(yīng)考慮加大導(dǎo)體直徑或加大絕緣厚度。
2.3導(dǎo)體應(yīng)無斷裂的單線或缺股現(xiàn)象，缺股和斷頭會導(dǎo)致導(dǎo)體直流電阻增大。
3、焊接：
3.1各種絞束的成品導(dǎo)體不允許整芯焊接，束線和絞線中的單線允許焊接，單線直徑
3.2對于鋁絞線及鋼芯鋁絞線，單根或多根鍍鋅鋼線均不應(yīng)有任何接頭；每根制造長度的導(dǎo)線不應(yīng)使用多于1根有接頭的成品鋁單線；在整根導(dǎo)線上，任何兩接頭間的距離應(yīng)不下于
4、導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)根數(shù)、單絲直徑應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
5、排列規(guī)則：
通過計(jì)算，正常規(guī)則絞合，除中心單線根數(shù)為1根例外，外層單線根數(shù)均比其相鄰內(nèi)層多6根單線，例如，1+6+12+18+24、2+8+14等結(jié)構(gòu)。
6、絞向：將絞線垂直放在面前，單線由左下方向右上方旋轉(zhuǎn)向上的稱為右向（Z向），單線由右下方向左上方旋轉(zhuǎn)向上的稱為左向（S向）。鋼芯鋁絞線等裸導(dǎo)線最外層絞向?yàn)橛蚁颍撔句X絞線架空絕緣電纜外，電線電纜絕緣線芯最外層絞向?yàn)樽笙颉榱藢?dǎo)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，相鄰兩層絞向應(yīng)相反。
7、節(jié)距、節(jié)徑比：
節(jié)距：單線圍繞絞合中心旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離稱為節(jié)距。
節(jié)徑比：節(jié)距與該絞層外徑的比值。
根據(jù)原GB3956-83標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，第五種和第六種導(dǎo)體，一次絞束線芯節(jié)徑比不大于25，股線節(jié)徑比不大于30，內(nèi)層節(jié)徑比不大于20，外層節(jié)徑比不大于14；第二種非緊壓絞合圓形導(dǎo)體，內(nèi)層不大于40，外層不大于20。
絞合導(dǎo)體，在導(dǎo)體的垂直截面上，所有圓形單線為橢圓形截面，在圓周方向上為長軸，徑向?yàn)槎梯S，節(jié)徑比越小，絞合越緊密，單線間的間隙越小，節(jié)徑比越小線芯越柔軟，但正常規(guī)則絞合，節(jié)徑比一般不能小于10，節(jié)徑比太小，易造成相鄰兩層結(jié)合不緊，導(dǎo)體起“燈籠”，節(jié)徑比太大，絞線的縫隙大，絞合不緊密，易散股。在絞合導(dǎo)體中，每根單線的實(shí)際長度比導(dǎo)體的長度要大，單線的實(shí)際長度與導(dǎo)體的長度之比稱為絞入系數(shù)，導(dǎo)體的節(jié)徑比越小，絞入系數(shù)越大，使用的材料越多，直流電阻反而增大，因此，節(jié)徑比太小不利于材料節(jié)約，節(jié)徑比大又不利于絞合的緊密，生產(chǎn)過程需對節(jié)徑比進(jìn)行控制。
緊壓絞合扇形、瓦楞形導(dǎo)體，特別是緊壓絞合圓形導(dǎo)體，為了保證壓型后導(dǎo)體的緊密性和彎曲性能，應(yīng)選用較小的節(jié)徑比。
8、線芯的截面：
8.1非緊壓絞合圓形導(dǎo)體的截面，是由單線根數(shù)和單線直徑?jīng)Q定的，應(yīng)對單線直徑和單線根數(shù)進(jìn)行控制，此外，在絞合過程中，漲緊力應(yīng)適當(dāng)，由于拉力太大，會導(dǎo)致單線被拉細(xì)。
8.2緊壓圓形絞合導(dǎo)體及緊壓扇形導(dǎo)體，不僅要控制單線根數(shù)和直徑，還要對扇高和緊壓外徑進(jìn)行控制，這也是影響截面大小的因素。
8.3導(dǎo)體截面的檢驗(yàn)可用稱重法，用導(dǎo)體的單位長度重量除以材料密度可的導(dǎo)體實(shí)際截面。
9、絞合外徑：
絞合外徑是最外層單線與之相內(nèi)切的的圓的直徑，以下是正常規(guī)則絞合時外徑的計(jì)算。
9.2、絞合外徑D＝絞合中心外徑+絞合層數(shù)*2d 絞合中心不計(jì)為絞合層數(shù)。
9.3、絞合中心外徑：1根時等于d，2根時等于2d，3根時等于2.16d，4根時等于2.42d，5根時等于2.7d。
10、扇形導(dǎo)體、瓦楞形導(dǎo)體尺寸形狀公差：
應(yīng)按規(guī)定選用軋刀，上下軋刀應(yīng)對正，保證扇形兩邊對稱，扇形導(dǎo)體不對稱偏差，2*（大邊-小邊）/（大邊＋小邊）應(yīng)不大于10％；應(yīng)對扇高和瓦楞厚度進(jìn)行控制，以控制導(dǎo)體截面和電纜外徑。
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