莊小亮,余兆榮,牛海清,孫廣慧,游 勇

（1.華南理工大學 電力學院,廣東 廣州 510640；2.廣東電網(wǎng)公司 生產技術部,廣東 廣州 510600；3.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局,廣東 佛山 528000）

0 引言

地下電纜具有不占地面空間、受外界影響小、安全可靠和維護費用低等優(yōu)點。因此，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜在城市電網(wǎng)中得到廣泛應用。隨著城市用電負荷的不斷攀升，需要新增電纜線路或提高原有線路的輸送能力以滿足供電需求。然而電纜造價高、投資大，且城市地下管道密集，在地價持續(xù)走高的情況下，新增電纜線路異常困難[1-3]。因此，在現(xiàn)有基礎上充分利用電纜的輸送能力變得十分重要。

目前，一般使用持續(xù)負荷載流量作為電力電纜負荷調度的依據(jù)，而實際運行中電纜的負荷電流并非固定不變，而是呈現(xiàn)周期性的變化，且在某一個相對長的時間段（比如一個月）內日負荷曲線的形狀變化不大。由于電纜的熱時間常數(shù)較大，電纜導體溫度（即絕緣溫度）的響應滯后于負荷的變化[4]。在這種情況下，采用持續(xù)負荷載流量作為電纜線路的電流峰值，則全天內電纜的最高導體溫度將小于 XLPE電纜允許的長期工作溫度（90℃），造成輸電線路載流能力的浪費[5-6]。若根據(jù)周期負荷載流量來控制負荷，既不影響電纜壽命，又可以在不增加線路投資的情況下，大幅提高電纜的輸送能力[7-8]。

IEC60853給出了周期負荷載流量系數(shù)及周期性負荷載流量的計算方法[9-10]，其條件是在日周期內導體溫度達到但不超過電纜絕緣允許的最高工作溫度。為研究10 kV配電電纜周期負荷載流量，本文開發(fā)了三芯電纜周期負荷載流量計算軟件；開展了水泥槽盒直埋敷設10 kV配電電纜周期負荷載流量試驗；利用軟件計算結合試驗分析，研究了日負載系數(shù)與電纜周期負荷載流量及其系數(shù)的關系；針對典型負荷，計算典型電纜線路12個月的周期負荷載流量系數(shù)。

1 周期負荷三芯電纜載流量試驗

1.1 試驗電纜及現(xiàn)場

筆者所在項目組在佛山市建立了載流量試驗場，開展了水泥槽盒直埋敷設10 kV XLPE三芯電纜周期負荷載流量試驗，圖1為敷設示意圖，圖中各尺寸單位均為mm。試驗電纜是長度為20 m的YJV22-8.7/15-3×240 XPLE鋼帶鎧裝三芯電纜。

圖1 水泥槽盒直埋敷設示意圖Fig.1 Schematic diagram of cable directly buried in cement trunk

1.2 日負荷曲線的選取

1.2.1 典型負荷日負載系數(shù)分析

本項目針對佛山地區(qū)居民、工業(yè)、商業(yè)和混合用電4種典型負荷性質，選取了10條線路，針對2009年1月到2011年9月這33個月的負荷，計算每條線路每個月的日負載系數(shù)。考慮到每月中每天的日負荷曲線基本相同，以最大負荷日的負荷曲線作為該月的典型負荷曲線。其中日負載系數(shù)（或稱日負荷因數(shù)）Lf定義[11]如下：

其中，Imax為該日最大負荷電流；I（t）為日負荷曲線的電流值。

考慮到負荷調度一般每15 min改變一次電流值，為了使得試驗能夠更加貼近實際調度運行狀況，每條日負荷曲線數(shù)據(jù)以15 min為步長來采集，每條線路每天就會有96個數(shù)據(jù)。將式（1）離散化后可以改寫為：

在計算出每條線路33個月的日負荷曲線的日負載系數(shù)后，對計算所得到的結果進行統(tǒng)計分析，研究其分布規(guī)律，找出其比例最大的日負載系數(shù)。

1.2.2 典型日負荷曲線的確定

根據(jù)典型負荷性質的日負載系數(shù)的分布規(guī)律，選取佛山地區(qū)日負載系數(shù)為0.5、0.7、0.8和0.9的典型日負荷曲線，來控制加載在試驗電纜上的周期負荷電流。所選取的典型日負荷曲線如圖2所示。由圖2可見，日負載系數(shù)為0.9和0.8的日負荷曲線幅值較大，相對平穩(wěn)，峰谷差小；日負載系數(shù)為0.7和0.5的日負荷曲線峰谷差大，表現(xiàn)出較強的時間規(guī)律。

圖2 所選定的典型日負荷曲線Fig.2 Selected typical daily load curves

1.3 直埋敷設三芯電纜周期負荷載流量試驗

水泥槽盒直埋敷設條件下，本文開展了日負載系數(shù)分別為0.5、0.7、0.8、0.9的單回路周期負荷載流量試驗和單回路持續(xù)負荷（即日負載系數(shù)為1.0）載流量試驗。

根據(jù)選取的負荷曲線，按照預先計算的初值給電纜施加周期負荷電流，試驗過程中記錄電纜導體、外皮溫度以及環(huán)境溫度。根據(jù)導體溫度的監(jiān)測情況，保持負荷曲線形狀，適當調整所加電流的峰值，直至電纜導體溫度峰值達到89～91℃的準穩(wěn)態(tài)（條件是前后2個周期電流增幅不超過5%，且導體溫度波動不超過2℃），停止試驗[12-16]。試驗最后一個周期電流的峰值即為本次試驗的周期負荷載流量。由于篇幅所限，本文只給出日負載系數(shù)為0.7的單回路周期負荷載流量試驗過程如圖3所示，其他試驗過程與之類似。不同日負載系數(shù)周期負荷載流量試驗結果見表1。

圖3 日負載系數(shù)為0.7時的單回路周期負荷載流量試驗結果Fig.3 Results of cyclic ampacity experiment for single-loop cable when daily load factor is 0.7

表1 不同日負載系數(shù)的單回路周期負荷載流量試驗結果Tab.1 Results of single-loop cable cyclic ampacity experiments for different daily load factors

2 試驗結果與軟件計算結果的對比分析

2.1 周期負荷載流量的計算

根據(jù)IEC60853，電纜周期負荷載流量（以1 d為周期的電流峰值）等于周期負荷載流量系數(shù)M乘以持續(xù)負荷載流量I[10]。持續(xù)負荷載流量I和周期負荷載流量系數(shù)M的計算如式（3）和（4）所示。

其中，θc、θ0分別為導體溫度、環(huán)境溫度；T1、T2、T3及T4分別為絕緣層熱阻、內襯層熱阻、外護層熱阻及周圍媒質熱阻；n為電纜芯數(shù)；R為導體的交流電阻；Wd為絕緣介質損耗；λ1、λ2分別為金屬屏蔽層（金屬護套）、鎧裝層相對導體總損耗的比率；Yi為最高溫度時刻之前 i小時對應時刻的縱坐標[10]；θR（i）/θR（∞）為各時間段溫升與額定電流時穩(wěn)態(tài)溫升的比率；μ為周期負荷-損耗因數(shù)。

本文根據(jù)IEC60853中的計算方法，開發(fā)了周期負荷三芯電纜載流量計算軟件。

2.2 試驗環(huán)境下周期負荷載流量試驗結果與計算結果的對比

根據(jù)周期負荷載流量控制加載負荷曲線上的最大值，可以使電纜導體溫度在1 d的周期內達到但不超過電纜絕緣允許的最高工作溫度。

本文根據(jù)上述不同日負載系數(shù)三芯電纜周期負荷載流量試驗的條件，利用軟件進行計算，對比分析了軟件計算結果與試驗結果，如表2所示。

表2 三芯電纜周期負荷載流量試驗與計算結果的對比Tab.2 Comparison of three-core cable cyclic ampacity between experimental and calculated results

由表2可知，不同日負載系數(shù)三芯電纜周期負荷載流量的計算值與試驗結果最大誤差為-3.6%。

2.3 標準環(huán)境下周期負荷載流量試驗結果與計算結果的對比

由于每次試驗周期較長，每次試驗環(huán)境溫度和媒質等值熱阻都有所不同。為使試驗數(shù)據(jù)具有可比性，將試驗結果按照文獻[17]中給出的直埋敷設電纜載流量計算標準歸算至同一標準環(huán)境下，即環(huán)境溫度為30℃、土壤熱阻系數(shù)為1.2 K·m/W。標準環(huán)境下的試驗結果由試驗值乘以相應的溫度校正系數(shù)和土壤熱阻校正系數(shù)得到。

標準環(huán)境下水泥槽盒直埋敷設周期負荷載流量試驗結果與軟件計算結果對比如圖4所示，可以看出周期負荷載流量的試驗結果與計算結果相差不大。

圖4 不同日負載系數(shù)周期負荷載流量試驗與計算結果的對比Fig.4 Comparison of cyclic ampacity between experimental and calculated results for different daily load factors

熱電偶敷設工藝造成接觸電阻的不同、熱電偶敷設在電纜圓周的位置不同會引起測量的誤差，同時溫度測量系統(tǒng)本身會引入測量誤差。考慮到理論計算和試驗過程中產生的誤差，軟件計算的結果是正確的。

3 日負載系數(shù)與周期負荷載流量及其系數(shù)的關系

由圖4可知隨著日負載系數(shù)的增加，周期負荷載流量減小，但大于持續(xù)負荷載流量，即按照周期負荷載流量控制負荷，可以提高電纜輸送能力。

3.1 不同日負載系數(shù)對周期負荷載流量的影響程度

利用驗證后的軟件計算標準環(huán)境下（環(huán)境溫度為30℃、土壤熱阻系數(shù)為1.2 K·m/W）不同日負載系數(shù)對應的周期負荷載流量以及周期負荷載流量系數(shù)M，結果如表3所示。

表3 不同日負載系數(shù)對應的周期負荷載流量系數(shù)Tab.3 Cyclic load coefficients corresponding to different daily load factors

由表3看出，當日負載系數(shù)為0.5時，周期負荷載流量系數(shù)為1.34，即按照周期負荷載流量控制負荷的加載，負荷峰值相比持續(xù)負荷將提高34%；而日負載系數(shù)為0.7時，其周期負荷載流量將比持續(xù)負荷載流量高20%；日負載系數(shù)為0.8時，其周期負荷載流量將比持續(xù)負荷載流量高14%；日負載系數(shù)為0.9時，周期負荷載流量系數(shù)只有1.07，其周期負荷載流量只比持續(xù)負荷載流量高7%?？梢?，日負載系數(shù)越小，電纜輸送能力提高的空間越大。

3.2 負荷曲線形狀對周期負荷載流量系數(shù)M的影響

選擇日負載系數(shù)為0.5的3類不同形狀負荷曲線如圖5所示。圖中3條曲線形狀相同，而負荷電流幅值不同。計算結果表明日負載系數(shù)為0.5的3條負荷曲線對應的周期負荷載流量系數(shù)M均為1.34，即保持同一日負載系數(shù)不變，同比例改變負荷電流幅值，周期負荷載流量系數(shù)M不發(fā)生變化。這說明周期負荷載流量與日負載系數(shù)的大小有關，而與負荷電流幅值無關。

圖5 日負載系數(shù)為0.5時的不同負荷曲線Fig.5 Load curves corresponding to Lf=0.5

4 不同負荷類型10 kV電纜線路的周期負荷載流量系數(shù)

為研究不同性質的負荷（居民、工業(yè)、商業(yè)、混合用電等）的典型周期負荷載流量系數(shù)，本文選擇佛山地區(qū)4條有代表性的典型10 kV配電電纜線路，按照2010年的日負荷曲線，計算其直埋敷設單回路周期負荷載流量系數(shù)，結果如表4所示。

由表4中可以看出，在1 a的時間內，居民和商業(yè)負荷的日負載系數(shù)多在0.5～0.6范圍內，對應的周期負荷載流量系數(shù)較大，在1.25～1.35之間；而工業(yè)負荷的日負載系數(shù)在0.9左右，其周期負荷載流量系數(shù)較小，在1.07左右；混合負荷介于兩者之間，其日負載系數(shù)在0.7～0.8范圍內，周期負荷載流量系數(shù)在1.15～1.20之間。這是因為工業(yè)負荷在1 d內基本不變，峰谷差小，日負載系數(shù)大；而居民負荷和商業(yè)負荷與人的日常生活活動有較大相關性，負荷在1 d內波動大，日負載系數(shù)小。

表4 負荷性質不同的10 kV電纜線路2010年日負載系數(shù)及周期負荷載流量系數(shù)Tab.4 M and Lfof 10 kV cable lines with different load types in 2010

日負荷曲線越平穩(wěn)，周期負荷載流量系數(shù)越小，其周期性過負荷能力越弱；反之，峰谷差越大，日負載系數(shù)越小，則周期負荷載流量系數(shù)越大，其周期性過負荷能力越強。這也說明居民和商業(yè)負荷有較大的周期性過負荷能力。建議電力部門在負荷調度時，充分利用周期負荷載流量系數(shù)，在保證電纜壽命的前提下，提高電纜輸送能力。

5 結論

本文開展了直埋敷設不同日負載系數(shù)的三芯電纜周期負荷載流量試驗，驗證了周期負荷載流量計算軟件的正確性。利用軟件計算結合周期負荷載流量試驗，對三芯電纜周期負荷載流量與其日負載系數(shù)的關系進行研究，得到以下結論。

a.電纜周期負荷載流量比持續(xù)負荷載流量大，即按周期負荷載流量控制負荷的最大值，可在保證電纜壽命的前提下提高電纜的輸送能力。

b.日負載系數(shù)越小，按照周期負荷載流量控制負荷，電纜輸送能力提高的空間越大。

c.日負載系數(shù)相同而電流幅值不同的負荷曲線，其周期負荷載流量系數(shù)相同。

d.負荷性質決定了日負載系數(shù)的大小，進而決定了周期負荷載流量系數(shù)；日負荷曲線越平穩(wěn)，周期負荷載流量系數(shù)越小，其周期性過負荷能力越弱。

建議電力部門在調度負荷（尤其是居民負荷和商業(yè)負荷）時，充分利用周期負荷載流量系數(shù)，在保證電纜壽命的前提下，提高電纜輸送能力。