2025年電力電纜習題及參考答案一、填空題1.交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜的典型結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為：_導體_、_內(nèi)半導電屏蔽層_、_交聯(lián)聚乙烯絕緣層_、_外半導電屏蔽層_、_金屬屏蔽層_、_內(nèi)護套_（或墊層）、_鎧裝層_、_外護套_。2.電力電纜導體的常見材料為_銅_和_鋁_，其中_銅_的導電率更高（約為鋁的1.68倍），適用于對載流量或機械強度要求較高的場景。3.電纜絕緣層的作用是_隔離導體與接地部分，承受工作電壓和過電壓_，其擊穿場強是衡量絕緣性能的關(guān)鍵指標，XLPE絕緣的擊穿場強約為_30-40kV/mm_（工頻交流）。4.電纜金屬屏蔽層的主要功能包括_均勻絕緣層電場分布_、_傳導故障電流_、_防止外部電磁干擾_，常用結(jié)構(gòu)為_銅帶繞包_或_銅絲編織_。5.電纜載流量的定義是_在規(guī)定環(huán)境條件下，電纜導體允許長期運行的最大電流值_，其計算需考慮導體電阻損耗、絕緣層熱阻、周圍介質(zhì)散熱等因素。二、簡答題1.簡述電力電纜與架空線路相比的優(yōu)缺點。參考答案：優(yōu)點：（1）受環(huán)境（如雷擊、風偏、覆冰）影響小，供電可靠性高；（2）不占用地面空間，適合城市密集區(qū)或特殊區(qū)域（如隧道、水下）；（3）電磁輻射低，對周圍設備干擾??；（4）維護周期長，檢修頻率低。缺點：（1）建設成本高（材料、敷設、隧道/排管費用）；（2）故障定位難度大，修復時間長；（3）散熱條件差，載流量受環(huán)境限制更明顯；（4）擴容改造需重新敷設，靈活性低。2.說明電纜外護套的作用及常見材料類型。參考答案：外護套的作用：（1）機械保護：防止外界機械損傷（如銳物穿刺、土壤壓力）；（2）防潮防水：隔絕水分侵入內(nèi)部絕緣層（水樹老化是XLPE電纜的主要劣化機制）；（3）化學防護：抵御土壤中的酸堿、鹽類或工業(yè)污染物腐蝕；（4）電絕緣：部分外護套（如PVC）可提供額外絕緣，降低接地電流。常見材料：（1）聚氯乙烯（PVC）：耐化學腐蝕，成本低，但耐溫性差（長期≤70℃）；（2）聚乙烯（PE）：耐溫性較好（長期≤90℃），耐候性優(yōu)，多用于戶外或直埋；（3）氯磺化聚乙烯（CSPE）：耐油、耐臭氧，適用于特殊環(huán)境（如化工廠）；（4）無鹵低煙阻燃材料（如低煙無鹵聚烯烴）：燃燒時發(fā)煙少、無毒性氣體，用于人員密集場所（如地鐵、醫(yī)院）。3.解釋電纜“水樹老化”現(xiàn)象的形成機理及預防措施。參考答案：水樹老化是XLPE電纜在電場、水分和溫度共同作用下，絕緣層內(nèi)部產(chǎn)生樹枝狀微裂紋的現(xiàn)象。形成機理：（1）絕緣層中存在雜質(zhì)、氣隙或半導電屏蔽層凸起，導致局部電場集中；（2）水分通過外護套缺陷或?qū)w間隙侵入絕緣層；（3）在交變電場作用下，水分子在電場集中處反復遷移，產(chǎn)生機械應力，逐漸形成微水樹；（4）水樹持續(xù)生長會降低絕緣擊穿場強，最終引發(fā)絕緣擊穿。預防措施：（1）提高制造工藝：減少絕緣層雜質(zhì)、氣隙，優(yōu)化半導電屏蔽層與絕緣層的界面光滑度；（2）加強外護套質(zhì)量：采用耐水樹XLPE材料（如添加抗水樹添加劑）；（3）改善敷設環(huán)境：避免電纜浸泡在水中，直埋時需鋪設沙層并做好排水；（4）運行維護：定期檢測外護套完整性（如接地電流法），及時修復破損點；（5）設計階段：選擇合適的電纜截面，避免長期過負荷（高溫會加速水樹生長）。三、計算題1.某10kV三芯XLPE電纜，導體為銅芯，截面240mm2，導體電阻率ρ=1.724×10??Ω·m（20℃時），長度L=1.5km，求20℃時單芯導體的直流電阻。若運行溫度升至70℃（銅的電阻溫度系數(shù)α=0.00393/℃），計算此時的導體電阻。參考答案：（1）20℃時直流電阻計算：導體電阻公式：R=ρL/A其中，ρ=1.724×10??Ω·m，L=1500m，A=240×10??m2（注意單位轉(zhuǎn)換：240mm2=240×10??m2）代入得：R=1.724×10??×1500/(240×10??)=(1.724×1500)/(240×102)=(25860)/(24000)=1.0775×10?1Ω=0.10775Ω≈0.108Ω（2）70℃時電阻計算：溫度修正公式：R?=R??[1+α(t-20)]其中t=70℃，α=0.00393/℃R??=0.108×[1+0.00393×(70-20)]=0.108×(1+0.1965)=0.108×1.1965≈0.1292Ω2.某單芯電纜額定電壓110kV，絕緣層外徑D=80mm，導體外徑d=25mm，絕緣材料相對介電常數(shù)ε?=2.3，計算該電纜每千米的電容值（真空介電常數(shù)ε?=8.85×10?12F/m）。參考答案：單芯電纜電容計算公式：C=(2πε?ε?)/ln(D/d)（單位：F/m）其中，D=80mm=0.08m，d=25mm=0.025m，ε?=2.3，ε?=8.85×10?12F/m計算對數(shù)項：ln(D/d)=ln(0.08/0.025)=ln(3.2)≈1.16315代入得：C=(2×π×8.85×10?12×2.3)/1.16315≈(2×3.1416×8.85×2.3×10?12)/1.16315≈(127.35×10?12)/1.16315≈109.5×10?12F/m=109.5pF/m每千米電容：C=109.5pF/m×1000m=109500pF=0.1095μF/km≈0.11μF/km四、案例分析題某110kV電纜線路投運5年后，在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示金屬屏蔽層接地電流異常增大（正常運行時約50mA，當前監(jiān)測值為280mA），同時紅外測溫發(fā)現(xiàn)電纜中間接頭處溫度較相鄰段高15℃。試分析可能的故障原因，并提出檢測與處理建議。參考答案：可能故障原因分析：（1）金屬屏蔽層單點接地失效：110kV及以上電纜通常采用單端接地或交叉互聯(lián)接地方式，若接地端絕緣破壞（如外護套破損），會導致屏蔽層多點接地，形成環(huán)流，使接地電流增大。（2）中間接頭質(zhì)量問題：接頭制作時半導體層處理不平整、絕緣層表面有劃痕或氣隙，可能引發(fā)局部放電，導致絕緣劣化，損耗增加，溫度升高；同時，接頭處屏蔽層連接不良（如壓接不緊）會增大接觸電阻，引起發(fā)熱。（3）外護套破損進水：外護套被外力破壞（如施工機械損傷）或老化開裂，水分侵入后，屏蔽層與大地間絕緣電阻降低，導致泄漏電流增大；水分進一步滲透至絕緣層，可能引發(fā)水樹老化，加劇絕緣性能下降。（4）交叉互聯(lián)箱故障：若采用交叉互聯(lián)接地，互聯(lián)箱內(nèi)電纜換位連接錯誤、絕緣隔板擊穿或電纜頭絕緣受損，會導致屏蔽層環(huán)流異常，接地電流升高。檢測與處理建議：（1）初步檢測：-測量外護套絕緣電阻：使用500V或1000V兆歐表，檢測外護套對地絕緣（正常應≥100MΩ·km），若絕緣電阻顯著降低，說明外護套破損。-檢查交叉互聯(lián)箱：打開互聯(lián)箱，觀察電纜頭是否有放電痕跡、絕緣隔板是否碳化，測量換位連接電阻（正常應≤200μΩ），若電阻過大，可能是壓接不良。-高頻局部放電檢測：使用高頻電流互感器（HFCT）或特高頻（UHF）傳感器，在接頭處檢測局部放電信號（放電量≥100pC時需警惕），定位放電部位。（2）針對性處理：-若外護套破損：確認破損位置（可采用跨步電壓法或電纜故障定位儀），對小范圍破損進行修補（如纏繞防水膠帶、熱縮套），大范圍破損需更換外護套或局部更換電纜段。-若中間接頭故障：解體接頭，檢查半導體層是否平整、絕緣層是否有劃痕或氣隙，重新制作接頭（需嚴格控制環(huán)境濕度≤70%，溫度≥5℃，避免灰塵污染），并進行耐壓試驗（如0.1Hz超低頻試驗，110kV電纜試驗電壓為128kV，持續(xù)60min）。-若屏蔽層多點接地：查找接地回路，斷開異常接地點，恢復單端接地或交叉互聯(lián)的正確連接方式，必要時在屏蔽層與地之間加裝限流電抗器。五、綜合設計題某工業(yè)廠區(qū)需敷設一條35kV電力電纜，向2臺1600kVA變壓器供電（功率因數(shù)0.9，同時系數(shù)0.8），電纜路徑為直埋敷設，土壤熱阻系數(shù)1.2℃·m/W，環(huán)境溫度30℃，電纜溝深度1m（無其他并行電纜）。試選擇電纜型號及導體截面（需校驗載流量和短路熱穩(wěn)定）。已知條件：-35kV電纜常用型號：YJV22（銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝聚氯乙烯外護套）、YJLV22（鋁芯）。-銅導體短路熱穩(wěn)定系數(shù)C=143，鋁導體C=94（假設短路持續(xù)時間t=0.5s）。-電纜載流量修正系數(shù)：土壤溫度30℃時修正系數(shù)K?=1.0；直埋深度1m時K?=1.0；無并行電纜時K?=1.0。解答步驟：1.計算計算電流：總負荷S=2×1600kVA×0.8=2560kVA計算電流I=S/(√3×U)=2560/(√3×35)=2560/(60.62)=42.2A（35kV為線電壓）2.初步選擇導體材料：工業(yè)廠區(qū)對可靠性要求較高，優(yōu)先選銅芯（YJV22）。3.確定導體截面：查35kVYJV22電纜直埋載流量表（示例數(shù)據(jù)）：-銅芯25mm2：載流量85A-50mm2：125A-70mm2：160A計算電流42.2A遠小于最小截面25mm2的載流量（85A），但需校驗短路熱穩(wěn)定。4.短路熱穩(wěn)定校驗：（1）計算三相短路電流：假設廠區(qū)110kV電源短路容量S_c=1000MVA（35kV側(cè)短路電流I_k=S_c/(√3×U)=1000/(√3×35)=16.5kA）（2）熱穩(wěn)定最小截面A_min=I_k×√t/C銅芯C=143，t=0.5s：A_min=16500×√0.5/143≈16500×0.707/143≈11665.5/143≈81.6mm2因此需選擇≥95mm2的銅芯電纜（因標準截面無81.6mm2，可選95mm2或120mm2）。5.最終選型：選擇YJV22-3×95型電纜（銅芯3×95mm2，交聯(lián)聚乙烯絕緣，鋼帶鎧裝，聚氯乙烯外護套），其直埋載流量約185A（遠大于計算電流42.2A），且95mm2≥81.6mm2，滿足熱穩(wěn)定要求。六、判斷題（正確√，錯誤×）1.電力電纜的金屬屏蔽層必須兩端接地，以提高抗干擾能力。（×）解析：110kV及以上電纜通常單端接地或交叉互聯(lián)接地，兩端接地會形成環(huán)流，增加損耗。2.電纜彎曲半徑過小會導致絕緣層損傷，XLPE電纜的最小彎曲半徑為15倍電纜外徑。（√）解析：DL/T5221-2016規(guī)定，交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜單芯最小彎曲半徑為