第三节 各类电缆的结构特点

电力电缆的基本结构由导体、绝缘层和护层三部分组成。电力电缆的导体在输送电能时，具有高电位。为了改善电场的分布情况，减小切向应力，有的电缆加有屏蔽层。多芯电缆绝缘线芯之间，还需增加填芯和填料，以便将电缆绞制成圆形。

现将常用电力电缆结构特点介绍如下。

一、聚氯乙烯绝缘电力电缆

聚氯乙烯绝缘电力电缆的绝缘层由聚氯乙烯绝缘材料挤包制成。多芯电缆的绝缘线芯绞合成圆形后再挤包聚氯乙烯护套作为内护层，其外为铠装层和聚氯乙烯外护套。聚氯乙烯绝缘电力电缆有单芯、二芯、三芯、四芯和五芯等5种。

额定电压为6kV以上的电缆，其导体表面和绝缘表面均有半导电屏蔽层；同时在绝缘屏蔽层外面还有金属带组成的屏蔽层，以承受故障时的短路电流，避免因短路电流引起电缆温升过高而损坏绝缘。

聚氯乙烯绝缘电力电缆安装、维护都很简便，多用于10kV及以下电压等级，在1kV配电线路中应用最多，特别适用于高落差场合。

图1-1是1kV聚氯乙烯绝缘电力电缆的结构图。

二、交联聚乙烯绝缘电力电缆

交联聚乙烯绝缘电力电缆（简称交联电缆）的电场分布均匀，没有切向应力，重量轻，载流量大，已用于6～35kV及110～220kV的电缆线路中。

1.35kV及以下交联聚乙烯绝缘电力电缆

1kV交联聚乙烯绝缘电力电缆与聚氯乙烯绝缘电力电缆的结构基本相同，其结构见图1-2。

图1-3为6～35kV三芯交联聚乙烯绝缘铠装电力电缆的结构图。在圆形导体外有内屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层和外屏蔽层。外面还有保护带、铜线屏蔽、铜带和塑料带保护层；三个缆芯中间有一圆形填芯，连同填料扭绞成缆后，外面再加护套、铠装等保护层。

导体屏蔽层为半导电材料，绝缘屏蔽层为半导电交联聚乙烯，并在其外绕包一层0.1mm厚的金属带（或金属丝）。电缆内护层（套）的型式，除了上面介绍的三个绝缘线芯共用一个护套外，还有绝缘线芯分相护套。分相护套电缆相当于三个单芯电缆的简单组合。

6～35kV交联聚乙烯绝缘电力电缆已广泛使用。

2.110kV及以上交联聚乙烯绝缘电力电缆

（1）与充油电缆相比较，交联聚乙烯绝缘电力电缆有以下主要优点：

1）有优越的电气性能。交联聚乙烯作为电缆的绝缘介质，具有十分优越的电气性能，在理论上，其性能指标比充油电缆还要好，见表1-6。

2）有良好的热性能和机械性能。聚乙烯树脂经交联工艺处理后，大大提高了电缆的耐热性能，交联聚乙烯绝缘电缆的正常工作温度达90℃，比充油电缆高。因而在相同导体截面时，载流量比充油电缆大。

3）敷设安装方便。由于交联聚乙烯是干式绝缘结构，不需附设供油设备，这样给线路施工带来很大的方便。交联聚乙烯绝缘电缆的接头和终端采用预制成型结构，安装比较容易。敷设交联聚乙烯绝缘电缆的高差不受限制。在有振动的场所，例如大桥上敷设电缆，交联聚乙烯电缆也显示出它的优越性。施工现场火灾危险也相对较小。

（2）与充油电缆相比较，交联电缆的缺点是：

1）交联聚乙烯作为绝缘介质制成产品的电缆，其性能受工艺过程的影响很大。从材料生产、处理到绝缘层（包括屏蔽层）挤塑的整个生产过程中，绝缘层内部难以避免出现杂质、水分和微孔，且电缆的电压等级越高，绝缘厚度越大，挤压后冷却收缩过程产生空隙的几率也越大。运行一定时期后，由于“树枝”老化现象，使整体绝缘下降，从而降低电缆的使用寿命。

2）连接部位（终端和接头）的绝缘品质还是比不上充油电缆附件，特别是一旦终端或接头附件密封不良而受潮后，容易引起绝缘破坏。

（3）110kV及以上交联聚乙烯绝缘电力电缆的结构如图1-4所示，这种电缆对于所用材料及结构工艺要求较高。下面以110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆为例作简单介绍。

1）导体。导体为无覆盖的退火铜单线绞制，紧压成圆形。为减小导体集肤效应，提高电缆的传输容量。对于大截面导体（一般＞1000mm²）采用分裂导体结构。

2）导体屏蔽。导体屏蔽应为挤包半导电层，由挤出的交联型超光滑半导电材料均匀地包覆在导体上。表面应光滑，不能有尖角、颗粒、烧焦或擦伤的痕迹。

3）交联聚乙烯绝缘。电缆的主绝缘由挤出的交联聚乙烯组成，采用超净料。110kV电压等级的绝缘标称厚度为19mm，任意点的厚度不得小于规定的最小厚度值17.1mm（90%标称厚度）。

4）绝缘屏蔽。亦为挤包半导电层，要求绝缘屏蔽必须与绝缘同时挤出。绝缘屏蔽是不可剥离的交联型材料，以确保与绝缘层紧密结合。其要求同导体屏蔽。

5）半导电膨胀阻水带。这是一种纵向防水结合。一旦电缆的金属护套破损造成水分进入电缆，这时半导电膨胀阻水带吸水后会膨胀，阻止水分在电缆内纵向扩散。

6）金属屏蔽层。一般由疏绕软铜线组成，外表面用反向铜丝或铜带扎紧。

7）金属护套。金属护套由铅或铝挤包成型，或用铝、铜、不锈钢板纵向卷包后焊接而成。成型的品种有无缝铅套、无缝波纹铝套、焊缝波纹铝套、焊缝波纹铜套、焊缝波纹不锈钢套、综合护套等6种。这些金属护套都是良好的径向防水层，但内在质量、应用特性和制造成本各不相同。目前国内除波纹铜套和波纹不锈钢套外都有生产。一般用铅和铝制作护套者较多。

8）外护层。外护层包括铠装层和聚氯乙烯护套（或由其他材料组成的）等。交流系统单芯电缆的铠装层一般由窄铜带、窄不锈钢带、钢丝（间置铜丝或铝丝）制作，只有交流系统三芯统包型电缆的铠装层才用镀锌钢带或不锈钢带。无铠装层的电缆，在金属护套的外面涂敷沥青化合物，然后挤上聚氯乙烯外护套。在外护套的外面再涂覆石墨涂层，作为外护套耐压试验用电极。当有铠装层时，在金属护套沥青涂敷物外面包以衬垫层后，再绕制铠装层和挤包外护套。

三、橡胶绝缘电力电缆

6～35kV的橡胶绝缘电力电缆，导体表面有半导电屏蔽层，绝缘层表面有半导电材料和金属材料组合而成的屏蔽层。多芯电缆绝缘线芯绞合时，采用具有防腐性能的纤维填充，并包以橡胶布带或涂胶玻璃纤维带。橡胶绝缘电缆的护套一般为聚氯乙烯或氯丁橡胶护套。橡胶绝缘电力电缆的结构如图1-5所示。

橡胶绝缘电缆的绝缘层柔软性最好，其导体的绞合根数比其他型式的电缆稍多，因此电缆的敷设安装方便，适用于落差较大和弯曲半径较小的场合。它可用于固定敷设的电力线路，也可用于定期移动的电力线路。

橡皮绝缘电缆的特点是：

（1）柔软性好，易弯曲，适于多次拆装的线路。

（2）耐寒性好，电气性能和化学性能稳定。

（3）电晕、耐臭氧、耐热、耐油性较差。

四、阻燃电缆

普通电缆的绝缘材料有一个共同的缺点，就是具有可燃性。当线路中或接头处发生故障时，电缆可能因局部过热而燃烧，并导致扩大事故。阻燃电缆是在电缆绝缘或护层中添加阻燃剂，即使在明火烧烤下，电缆也不会燃烧。阻燃电缆的结构与相应的普通聚氯乙烯绝缘电缆和交联聚乙烯绝缘电缆的结构基本上相同，而用料有所不同。对于交联聚乙烯绝缘电缆，其填充物（或填充绳）、绕包层内衬层及外护套等，均在原用材料中加入阻燃剂，以阻止火灾延燃；有的电缆为了降低电缆火灾的毒性，电缆的外护套不用阻燃型聚氯乙烯，而用阻燃型聚烯烃材料。对于聚氯乙烯绝缘电缆，有的采用加阻燃剂的方法，有的则采用低烟、低卤的聚氯乙烯料作绝缘，而绕包层和内衬层均有无卤阻燃料，外护套用阻燃型聚燃烃材料等。至于采用哪一种型式的阻燃电力电缆，要根据使用者的具体情况进行选择。其结构如图1-6、图1-7所示。

五、耐火电缆

耐火电缆是在导体外增加有耐火层，多芯电缆相间用耐火材料填充。其特点是可在发生火灾以后的火焰燃烧条件下，保持一定时间的供电，为消防救火和人员撤离提供电能和控制信号，从而大大减少火灾损失。耐火电力电缆主要用于1kV电缆线路中，适用于对防火有特殊要求的场合，其结构如图1-8所示。

六、油浸纸绝缘电力电缆

油浸纸绝缘电力电缆由导体、油浸绝缘纸和护层三部分组成。为了改善电场的分布情况，减小切向应力，有的电缆加有屏蔽层。多芯电缆绝缘线芯间还需增加填芯和填料，以便将电缆绞制成圆形。

现将常用的油浸纸绝缘电力电缆的结构及其特点分述如下。

（一）油浸纸绝缘统包型电力电缆

油浸纸绝缘统包型电力电缆，各导体外包有纸绝缘，绝缘厚度依电压而定。在绝缘线芯之间填以纸、麻或其他材料为主的填料，将各绝缘线芯连同填料扭绞成圆形，外面再用绝缘纸统包起来。如果用于中性点接地的电力系统中，则统包绝缘层的厚度可以薄一层；如果用于中性点不接地的电力系统中，统包绝缘层的厚度则要求厚一些。统包绝缘层不仅加强了各导体与铅（铝）护套之间的绝缘，同时也将三个绝缘线芯扎紧，使其不会散开。统包绝缘层外为多芯共用的一个金属（铅或铝）护套。由于敷设环境不同，有的电缆在金属护套外，还有铠装层，铠装层外有聚氯乙烯护套或聚乙烯护套。

（二）油浸纸绝缘分相铅（铝）套型电力电缆

油浸纸绝缘分相铅（铝）套型电力电缆的主要特点是各导体绝缘层外加了铅（铝）套，然后再与内衬垫及填料绞成圆形，用沥青麻带扎紧后，外加铠装和保护层。

（三）自容式充油电力电缆

自容式充油电力电缆一般简称为充油电缆，其特点是利用压力油箱向电缆绝缘内部补充绝缘油的办法，消除因温度变化而在纸绝缘层中形成的气隙，以提高电缆的工作电场强度。

单芯充油电缆的导体中心留有可对电缆补充绝缘油的油道。所用的绝缘油是低黏度的电缆油，它可以提高补充浸渍速度，减小油流在油道中的压降。电缆的油道通过管路与压力油箱相连。当电缆温度上升时，绝缘油受热膨胀，电缆内的油压力升高，压力油箱内的弹性元件在此油压力的作用下而收缩，吸收由于膨胀而多余的油量。当电缆温度下降时，绝缘油体积缩小，压力油箱中的绝缘油在弹性元件的作用下流入电缆中，这样做能维持电缆内部的油压，避免在绝缘层中产生气隙。国家标准规定，充油电缆线路中任何一点、任何时刻的油压应大于0.02MPa；按电缆加强层结构不同，其允许最高稳态油压分为0.4MPa和0.8MPa两种。

充油电缆纸绝缘的工作电场强度比一般电缆纸绝缘的工作电场强度高得多，因而工作电压可提高很多，故可运行于35～330kV或更高电压等级的电缆线路中。

充油电缆有单芯和三芯两种。单芯电缆的电压等级为110～330kV；三芯电缆的电压等级为35～110kV。

电缆绝缘层采用高压电缆纸绕包而成。导体表面及绝缘层外表面均有半导电纸带组成的屏蔽层；绝缘层外为金属护套；护套外为具有防水性的沥青和塑料带的内衬层、径向加强层、铠装层和外被层。径向铜带用以加强内护套，并承受机械外力。有纵向铜带或钢丝铠装的电缆，可以承受较大的拉力，适用于高落差的场合。外被层一般为聚氯乙烯护套或纤维层（或采用阻燃型材料制成）。单芯自容式充油电力电缆结构如图1-9所示。

（四）钢管充油电缆

钢管充油电缆一般为三芯。将三根屏蔽的电缆线芯置于充满一定压力的绝缘油的钢管内，其作用和自容式充油电缆相似，用补充浸渍剂的方法，消除绝缘层中形成的气隙，以提高电缆的工作场强。

钢管电缆导线没有中心油道，绝缘层的结构与自容式充油电缆相同。绝缘屏蔽层外扎铜带和缠以两至三根半圆形铜丝，其作用是使电缆拖入钢管时减小阻力，并防止电缆绝缘层擦伤。

钢管充油电缆线芯绝缘层的浸渍剂一般采用高黏度聚丁烯油，在20℃时粘度为（10～20）×10^-4m²/s，以保证电缆拖入钢管后，再行充入钢管内的聚丁烯油，其黏度较低（在20℃时粘度为（5～6）×10^-4m²/s，这样油流阻力小，可保证电缆绝缘充分补偿浸渍。钢管内的油用油泵供给，油压一般保持在1.5MPa（15kgf/cm²）左右。

与自容式充油电缆比较，钢管充油电缆采用钢管作为电缆护层，机械强度高，不易受外力损伤；钢管电缆的油压高，油的黏度大，所以电气性能较高；而且供油设备集中，管理维护较方便。对于大长度电缆线路，自容式充油电缆通常需采用护套交叉换位互联的措施，以减少护套损耗和提高载流量。为此，就需要增加绝缘连接盒和普通连接盒。钢管充油电缆则不需要护套交叉互联接地，不必因此增加绝缘连接盒和普通普通连接盒。钢管电缆三芯在同一钢管内，占地少；但一相发生故障时会影响其余两相；敷设安装比自容式充油电缆复杂，且只能敷设于斜坡落差不大的场合，不宜敷设于垂直高落差的场合。

钢管充油电缆结构如图1-10所示。

七、直流电缆

直流电缆的结构与交流电缆有很多相似之处，但绝缘长期承受直流电压，且可比交流电压高5～6倍。迄今投入运行的直流电缆大部分为粘性浸渍纸绝缘，只有当线路高差或电压特别高时，采用充油电缆。

直流电缆对于跨越海峡的大长度输电线路更为有利，因为交流电缆有很大的电容电流，对于长线路需要作电抗补偿，而在一些系统中很难做到，因此存在临界长度问题，而直流电缆则没有这个问题，并且线路损耗比交流的小。

直流电缆与交流电缆不同的另一特点是，绝缘必须能承受快速的极性转换。在带负荷的情况下，极性转换实际上会引起电缆绝缘内部电场强度的增加，通常可达50%～70%。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问题。直流电缆的护层结构主要考虑机械保护和防腐。迄今直流电缆都采用铅护套，防腐层结构与交流电缆基本相同，大多挤包聚乙烯或氯丁橡皮作防腐层。在铅包和防腐层之间，有时还用镀锌钢带或不锈钢带加强，并可起到抗扭作用。海底直流电缆一般都采用镀锌钢丝或挤塑钢丝铠装，根据要求，有单层钢丝铠装或双层钢丝铠装。

八、压缩气体绝缘电缆

压缩气体绝缘电缆通常又称管道充气电缆，是在内外两个圆管之间充以一定压力（一般是0.2～0.5MPa）的SF₆气体。内圆管（常用铝管或铜管）为导电线芯，由固体绝缘垫片（通常是环氧树脂浇注体）每隔一定距离支撑在外圆管内。外圆管既作为SF₆气体介质的压力容器，又作电缆的外护层。单芯结构的外圆管用铝或不锈钢管，三芯结构的可用钢管。压缩气体绝缘电缆的导线和护层结构有刚性和可挠性两种，如图1-11和图1-12所示。

刚性结构电缆在工厂装配成长12～15m的短段，运至现场进行焊接。由于负荷和环境温度的变化而引起热伸缩，在线路中要有导线和护层的伸缩连接。在长线路中，还应有隔离气体的塞止连接。

压缩气体绝缘电缆的电容小、介质损耗低、导热性好，因而传输容量较大，一般传输容量可达2000MVA以上，常用于大容量发电厂的高压引出线、封闭式电站与架空线的连接线或在避免两路架空线交叉而将一路改为地下输电时使用。

但是压缩气体绝缘的尺寸较大，如电压等级为275～500kV的刚性压缩气体绝缘电缆的外径在340～710mm之间，500kV三芯结构的外径达1220mm。可挠性结构电缆的最大外径，一般限制在250～300mm之间，以便于卷挠；但传输容量要比刚性的小得多，并且必须采用高气压（一般为1.5MPa左右），以保证足够的耐压强度。压缩气体绝缘电缆的管道要清洁光滑，气体要经过处理，去除其中的自由导电粒子，以保证高的电气强度，固体绝缘垫片要设计合理，以改善其电场分布，使它具有高的耐冲击电压性能。

九、低温电缆

高纯度铝或铜的电阻在低温下将大幅度降低，铅在温度为20K的液氢中，其电阻为常温下的1/500；在温度为77K的液氮中，其电阻为常温下的1/10。导线在液氢或液氮冷却下，电缆的散热能力也大大提高。低温电缆应用上述原理，既降低了导线损耗，又增强了散热能力，因而传输容量大为增加。一般传输容量可达5000MVA以上。

低温电缆的绝缘结构一般有两种：一种是液氮（或液氢）浸渍非极性合成纤维纸，如聚乙烯合成纸（图1-13和图1-14）；另一种是采用真空作为绝缘，如图1-15所示。

由于低温下导线的电阻低，集肤效应更为明显，因此大截面的低温电缆均采用分裂导线结构。

十、超导电缆

超导电缆是利用超导在其临界温度下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载大电流的特点而设计制造的。其传输容量远远超过充油电缆，亦大于低温电缆，可达10000MVA以上，是正在大力研究发展中的一种新型电缆。由于超导体的临界温度一般在20K以下，故超导电缆一般在4.2K的液氮中运行。

超导电缆分直流、交流两类。

直流超导电缆可采用临界电流密度高的Ⅲ类超导体，如铌钛合金（NbTi）及铌三锡化合物（Nb₃Sn）等。由于承载的传输电流很大，在故障时电流更大，超导体又可能局部瞬时失超^❶。为保障电缆正常安全运行，应采用超导体与起稳定作用的基体金属（如铜或铝）构成的复合超导体。超导体NbTi或Nb₃Sn承载传输电流，基体金属铜或铝承载失超电流，并起逸散热量的作用。

交流超导电缆不宜用Ⅲ类超导体，因为Ⅲ类超导体在其自身产生的交流磁场中运行时，产生的交流损耗与交变电流峰值的三次方成正比。所以应采用表面光滑平整、交流损耗低的Ⅰ类超导体，如铌或铅。如用电流密度大的Ⅲ类超导体，如Nb₃Sn，则应采用厚度极薄的带或直径极小的纤维，以减低交流损耗。为保障电缆正常安全运行，亦须采用以基体金属铜或铝构成的复合超导体。

超导电缆的主要组成部分除超导体外，还有电绝缘及热绝缘。电绝缘一般由液氮、真空及浸渍液氦的塑料薄膜或纤维纸组成，要求有足够的耐电压强度，在高电场强度下介质损耗角正切仍能保持极低值，塑料绝缘在4.2K的低温环境下仍具有足够的柔软性。为防止周围环境的热量通过辐射、传导及对流方式漏入低温下运行的电缆内部，电缆及其终端附件外部的绝热层须具有高绝热效能的热绝缘，一般采用真空多层绝热方法，用若干层铝箔或表面喷铝的聚酯薄膜作为辐射屏，层间夹以绝缘性能良好的尼龙网等，并抽真空。为进一步降低辐射漏热，绝热层可采用多层结构，外层可用液氮冷却的夹层。

超导电缆的结构有刚性和可挠性两种形式，缆芯分单芯和三芯，其结构如图1-16、图1-17所示。设计时须充分考虑其组成材料的膨胀系数，以免电缆因热胀冷缩产生过大内应力而受损。

❶ 超导体因为温度、磁场或电流密度超过临界值时，由超导态转变为正常态，称为“失超”。

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❶ 超导体因为温度、磁场或电流密度超过临界值时，由超导态转变为正常态，称为“失超”。