夏云海，王曉峰，閆志雨，謝書鴻，侯虹劍，張建民，黃秋香

(1.中天科技海纜股份有限公司，江蘇 南通 226010；2.青海電力公司，青海 西寧 810008;3.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通 226463)

0 引言

近年來，皺紋鋁套屏蔽結(jié)構(gòu)XLPE(交聯(lián)聚乙烯)絕緣高壓電纜的緩沖層及外屏燒蝕問題導(dǎo)致電纜故障日益增多，已經(jīng)引起電力用戶和電纜制造商高度關(guān)注。我國的XLPE絕緣高壓電纜主要采用皺紋鋁套屏蔽結(jié)構(gòu)，而歐美、東南亞等國家基本采用銅絲屏蔽+鋁塑復(fù)合帶屏蔽結(jié)構(gòu)或者平滑鋁套屏蔽結(jié)構(gòu)的高壓電纜，他們認為皺紋鋁套內(nèi)部過大的空氣熱阻會降低電纜的載流量，且皺紋鋁套存在的感應(yīng)電壓會對絕緣線芯產(chǎn)生放電燒蝕〔1〕。基于以上背景，在電力用戶的支持下，國內(nèi)有多家電纜制造商研發(fā)成功110 kV、220 kV平滑鋁套屏蔽結(jié)構(gòu)高壓電纜，通過型式試驗，并開展多個工程示范應(yīng)用。但目前對平滑鋁套XLPE高壓電纜的擴展性能研究較少，尤其對其載流能力的系統(tǒng)性研究不夠深入。本文結(jié)合熱分析法、有限元仿真計算及電流通流試驗開展平滑鋁套和皺紋鋁套屏蔽結(jié)構(gòu)XLPE絕緣高壓電纜長期運行載流能力的研究。

1 電纜結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

我們采用同一根導(dǎo)體做成兩根絕緣尺寸相同的絕緣線芯，僅改變絕緣線芯外部金屬套形式，做成皺紋鋁套高壓電纜和平滑鋁套高壓電纜兩根樣品，減少對電纜載流量的影響因素。

皺紋鋁套電纜型號為YJLW03-Z 127/220 kV 1×2 500 mm2，平滑鋁套電纜型號為YJLP03-Z 127/220 kV 1×2 500 mm2。其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2。

表1 220kV平滑鋁套與皺紋鋁套XLPE絕緣高壓電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖1 220kV平滑鋁套XLPE絕緣電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 220kV皺紋鋁套XLPE絕緣電纜結(jié)構(gòu)示意圖

2 載流量的理論計算

2.1 基于熱分析法計算載流量

根據(jù)IEC 60287-1-1-2006《電纜額定電流的計算 第1-1部分 額定電流方程(100 %負載系數(shù))和電損耗計算總則》中導(dǎo)體溫升的計算方法，單芯XLPE絕緣交流電纜高于環(huán)境溫度的溫升表達見式(1)：

Δθ= (I2R+0.5Wd)T2+(I2R(1+λ1)+Wd)

nT2+ (I2R(1+λ1+λ2) +Wd)n(T3+T4)

(1)

其計算原理是采用圖3的等值熱路模型。

圖3 等值熱路模型

電纜的額定載流量計算公式見式(2)所示。

(2)

式中：I—連續(xù)額定載流量，單位 A；

Δθ—導(dǎo)體溫度與環(huán)境溫度之差，單位 °C；

R— 導(dǎo)體交流電阻，單位 Ω/m；

Wi—絕緣介質(zhì)損耗，單位 W/m；

λ1—金屬護套損耗因數(shù)；

T1—導(dǎo)體與金屬護套間絕緣層熱阻，單位K·m/W；

T3—電纜外護層熱阻，單位K·m/W；

T4—電纜表面與周圍媒介之間熱阻，單位K·m/W。

將導(dǎo)體最高溫度90 ℃，環(huán)境溫度30 ℃，20 ℃導(dǎo)體直流電阻0.0072 Ω/km，XLPE熱阻系數(shù)3.5 K·m/W，PE熱阻系數(shù)3.5 K·m/W將入上式(2)，計算可得出220 kV平滑鋁套和皺紋鋁套屏蔽兩種結(jié)構(gòu)XLPE絕緣電纜的長期允許載流量分別為2 657 A和2 545 A。

2.2 基于有限元仿真方法計算載流量

目前電纜穩(wěn)態(tài)載流量主要根據(jù)IEC-60287給出的方法確定，雖然可以方便的獲得電纜載流量，但對計算模型條件進行了簡化處理，計算結(jié)果與實際存在較大偏差。電纜運行過程中包括熱傳導(dǎo)、對流、輻射多種傳熱方式，通過解析方法進行載流量準(zhǔn)確的計算比較困難。因此本文利用COMSOL有限元仿真軟件分析平滑鋁套屏蔽結(jié)構(gòu)電纜熱場分布，進而獲得電纜載流量。

建立電纜溫度場仿真模型的基本假設(shè)是：①高壓電纜線芯導(dǎo)體，導(dǎo)體屏蔽層，絕緣層與絕緣屏蔽層，鋁護套與外護套之間擠包較為緊密，忽略它們的接觸熱阻；②電纜長度相對半徑是無限長，熱量只存在徑向的傳遞；③電纜的仿真模型發(fā)熱等于散熱，溫度為恒定值，即溫度場分布不隨時間而改變，仿真計算為穩(wěn)態(tài)計算〔2〕。

在COMSOL有限元仿真軟件中建立平滑鋁套XLPE絕緣電纜熱偶合模型如圖4所示。模擬在室內(nèi)空氣中的電纜運行環(huán)境，空氣溫度為30 ℃，電纜表面與外部空氣自然對流散熱，考慮輻射對電纜載流量的影響，電纜表面為輻射率為0.9。傳輸電流與電纜導(dǎo)體溫度關(guān)系如圖5所示，隨著電流增加導(dǎo)體溫度逐漸增大，并且導(dǎo)體溫度增加趨勢愈加顯著。以導(dǎo)體溫度為90 ℃時對應(yīng)的導(dǎo)體載流值作為在該條件下的載流量，通過計算當(dāng)導(dǎo)體溫度為90 ℃時，電纜的載流量為2 794 A，在導(dǎo)體溫度為90 ℃時電纜的溫度場分布如圖6所示。

圖4 平滑鋁套XLPE絕緣電纜網(wǎng)格模型

圖5 導(dǎo)體溫度隨電流的變化關(guān)系

圖6 平滑滑套有限元仿真結(jié)果

3 電纜載流量試驗

3.1 試驗裝置及回路布置

使用穿芯式感應(yīng)電流發(fā)生器作為恒流源使電纜導(dǎo)體中產(chǎn)生交流電流，利用穿芯式電流互感器測量電纜導(dǎo)體中流過電流的有效值，采用實時溫度在線監(jiān)測儀器對電纜進行通流下發(fā)熱情況監(jiān)控，調(diào)整電流值，使電纜導(dǎo)體加熱并穩(wěn)定在90 ℃，此時電流作為該條件下電纜載流量。

試驗回路主要包括穿芯式感應(yīng)電流發(fā)生器、試驗電纜及溫控在線檢測系統(tǒng)，將樣品1和樣品2分別為220 kV皺紋鋁套和平滑鋁套XLPE絕緣兩種高壓電纜串聯(lián)成一條回路，兩種結(jié)構(gòu)電纜長度均為15米，布置兩個U型彎，直徑均為4.5米,如圖7、8所示。電纜樣品距離地面、墻面等要保持不小于200 mm的距離。

圖7 220 kV電纜載流量試驗原理圖

利用穿心變壓器對回路進行加熱，分別在U型彎處布置3個測量導(dǎo)體溫度的熱電偶(T1、T2、T3、T4、T5、T6)和2個測量護套溫度的熱電偶(T7、T8)，兩根樣品電纜中的熱電偶均布置在上表面，通過溫度數(shù)據(jù)采集裝置監(jiān)控負荷電流下電纜的溫度，表2列出了熱電偶對應(yīng)的測試位置。

圖8 220 kV電纜載流量試驗回路圖

表2 熱電偶布置情況

3.2 試驗過程

試驗根據(jù)GB/T 18890標(biāo)準(zhǔn)的推薦加熱方式，采用熱循環(huán)試驗相同的溫控方法，導(dǎo)體溫度應(yīng)在90 ℃±1 ℃范圍內(nèi)保持至少2 h，加熱應(yīng)至少8 h，隨后應(yīng)自然冷卻至少16 h，共完成1個熱循環(huán)，試驗過程如下：

試驗環(huán)境溫度為30 ℃，在該溫度下靜置試驗回路至少24小時，直到被測樣品所有熱電偶顯示溫度均穩(wěn)定在30 ℃±1 ℃；

通過穿芯式感應(yīng)電流發(fā)生器對導(dǎo)體施加電流，使其中一個規(guī)格電纜導(dǎo)體溫度到達90 ℃，并要保證30 min內(nèi)變化不超過± 1 ℃，在穩(wěn)定的最后5 min內(nèi)電流值應(yīng)保持恒定，記錄該電流值。繼續(xù)增加電流，使另一個規(guī)格電纜導(dǎo)體溫度到達90 ℃，并要保證30 min內(nèi)變化不超過±1 ℃，在穩(wěn)定的最后5 min內(nèi)電流值應(yīng)保持恒定，記錄該電流值。停止電流輸出，使電纜回路自然冷卻16小時。

3.3 試驗結(jié)果

一個熱循環(huán)試驗過程中平滑鋁套和皺紋鋁套電纜導(dǎo)體溫度達到90 ℃時各熱電偶的平均溫度數(shù)值和對應(yīng)的平均電流見表3，圖9為兩種不同金屬屏蔽電纜的載流與溫度曲線。

表3 試驗回路的負載電流

圖9 平滑鋁套與皺紋鋁套電纜的載流與溫度曲線

經(jīng)過試驗對比，平滑鋁套電纜在工作溫度下載流量為2 840 A，皺紋鋁套電纜在工作溫度下載流量為2 690 A。

4 分析與討論

熱分析法計算的平滑鋁套電纜的載流量大于皺紋鋁套電纜的載流量，由于平滑鋁套外徑小于皺紋鋁套，使平滑鋁套的截面積比皺紋鋁套的截面積小4.8 %，金屬屏蔽損耗因數(shù)小9.7 %,外護套熱阻降低50.8 %，外部空氣熱阻提高6.3 %，外部空氣熱阻僅與電纜外徑有關(guān)，T4在電纜載流量計算中對載流量的影響有限，因此平滑鋁套電纜的載流量比皺紋鋁套要提高4.4 %。

對比有限元計算的平滑鋁套載流量比熱分析法大，主要是有限元仿真計算方式具備識別電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)能力同時還可以模擬周圍環(huán)境與電纜之間的熱輻射作用，得到的計算結(jié)果更接近于試驗結(jié)果〔3〕。

兩種不同金屬屏蔽結(jié)構(gòu)形式的高壓電纜實際載流量通過試驗對比，平滑鋁套電纜的載流量比皺紋鋁套的要提高5.6 %。由于皺紋鋁套的螺旋紋的結(jié)構(gòu)特點，使金屬套與緩沖層接觸方式為線性接觸，緩沖層并未填滿皺紋鋁套的波峰，使其在波峰內(nèi)產(chǎn)生大量的空氣隙?？諝鈱?dǎo)熱系數(shù)低，只要空氣隙的厚度足夠小，不引起對流，熱阻效應(yīng)十分顯著，空氣隙的熱阻取決于空氣隙的厚度，厚度增加，熱阻變大，再者緩沖阻水帶材料的熱阻系數(shù)在10.5 K·m/W 左右，實際上緩沖帶阻水帶內(nèi)中含有大量靜止空氣，靜止空氣的熱阻系數(shù)約為40 K·m/W，因此，在空氣不流動時，纖維層中所保持的空氣越多，材料的熱阻系數(shù)越大〔4〕。而平滑鋁套結(jié)構(gòu)緊湊，墊層與平滑鋁套無空氣隙，以上分析是平滑鋁套電纜比皺紋鋁套載流量提升的主要原因。

5 結(jié)論

本文通過載流量熱分析法理論計算得出平滑鋁套電纜載流量比皺紋鋁套電纜提升4.4 %，通流試驗得出平滑鋁套電纜載流量比皺紋鋁套電纜提升5.6 %，由于平滑鋁套理論計算的載流量比實際小6.9 %，采用有限元法計算值與實際試驗驗證值比較接近，僅相差1 %，更接近載流量的驗證結(jié)果。