董 琦， 李浩浩， 馮 濤， 陳志國(guó)

（江蘇上上電纜集團(tuán)有限公司，溧陽(yáng) 213300）

0 引 言

高壓電纜在線(xiàn)路設(shè)計(jì)、電纜選型、確定導(dǎo)體截面時(shí)，主要根據(jù)電纜的載流量要求來(lái)選擇。 隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，220 kV 交聯(lián)電力電纜在中遠(yuǎn)距離電力傳輸、大型水力發(fā)電站、城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)等領(lǐng)域廣泛被使用，電纜選擇截面也越來(lái)越大。 IEC 60287?1?1：2014《電纜連續(xù)負(fù)荷額定電流計(jì)算（100%負(fù)荷因數(shù)）》為電纜的載流量計(jì)算提供了標(biāo)準(zhǔn)方法，為線(xiàn)路設(shè)計(jì)、電纜選型提供了重要依據(jù)。 本工作在參數(shù)選擇過(guò)程中，確定了220 kV 電力電纜皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)，計(jì)算了不同條件下的載流量。

1 電纜結(jié)構(gòu)

220 kV 銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 220 kV 銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜示意圖

2 載流量的計(jì)算

電力電纜載流量計(jì)算依據(jù)為IEC 60287。 高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升（Δθ） 計(jì)算如下：

式（1）中：I為單根導(dǎo)體流過(guò)的電流，A；R為最高工作溫度下導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的交流電阻，Ω·m-1；Wd為導(dǎo)體絕緣單位長(zhǎng)度的介質(zhì)損耗，W·m-1；T1為單根導(dǎo)體和金屬套間單位長(zhǎng)度熱阻，K·m·W-1；T2為金屬套和鎧裝之間內(nèi)襯層單位長(zhǎng)度熱阻，K·m·W-1；T3為電纜外護(hù)層單位長(zhǎng)度熱阻，K·m·W-1；T4為電纜表面和周?chē)橘|(zhì)之間單位長(zhǎng)度熱阻，K·m·W-1；n為電纜（等截面并載有相同負(fù)荷）中載有負(fù)荷的導(dǎo)體數(shù)；λ1為電纜金屬套損耗相對(duì)于所有導(dǎo)體總損耗的比率；λ2為電纜鎧裝損耗相對(duì)于所有導(dǎo)體總損耗的比率。

從式（1）得出載流量計(jì)算公式：

式（2）中參數(shù)的含義在電力電纜行業(yè)中是通用的，此處不再累述。 結(jié)合產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)，根據(jù)式（2）， 將 （ 土 壤 溫 度 25 ℃， 土 壤 熱 阻 系 數(shù)1.0 K·m·W-1）埋地敷設(shè)（直埋）和環(huán)境溫度 40 ℃時(shí)空氣中敷設(shè)（非直射）條件下載流量計(jì)算結(jié)果整理，見(jiàn)表1。 表1 中，導(dǎo)體截面積800 mm2為圓形緊壓導(dǎo)體，1 000 mm2及以上為分割導(dǎo)體。

表1 載流量的理論計(jì)算值

3 從理論計(jì)算過(guò)程看提高載流量方法

3.1 增加線(xiàn)芯截面

增加電纜截面是一個(gè)提高電纜載流量最直接的方式。 220 kV 電纜空氣中敷設(shè)長(zhǎng)期載流量曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 220 kV 電纜空氣中敷設(shè)長(zhǎng)期載流量

由圖2 可以看出：隨著導(dǎo)體截面面積的增加，載流量也隨之增大。 但當(dāng)導(dǎo)體截面面積增大到一定程度，載流量增加的趨勢(shì)明顯變緩。

220 kV 電纜空氣中敷設(shè)電流密度見(jiàn)圖3。

圖3 220 kV 電纜空氣中敷設(shè)電流密度

由圖3 可以看出：隨著導(dǎo)體截面面積的增加，其平均電流密度逐漸減小，材料的綜合利用率越來(lái)越低。

這是由于電纜在通過(guò)交流電時(shí)，存在集膚效應(yīng)。導(dǎo)體的集膚深度可用下式表示：

式（3）中：d為集膚深度，mm；f為頻率，Hz；μ為絕對(duì)磁導(dǎo)率；σ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率，S·m-1。

通過(guò)式（3）可以計(jì)算出，銅導(dǎo)體在20 ℃時(shí)的集膚深度為 9.5 mm，在 90 ℃時(shí)的集膚深度為12.2 mm。 也就是說(shuō)，銅導(dǎo)體直徑增大到24.4 mm后（鋁的電導(dǎo)率比銅的電導(dǎo)率小，集膚深度會(huì)稍大些）再增大導(dǎo)體截面面積，其內(nèi)部導(dǎo)體的電流密度將變得很小，內(nèi)部材料不能有效傳遞電流，材料利用率很低。 因此，電纜的載流量不會(huì)隨導(dǎo)體截面面積成比例增加。 采用分割導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以有效減小集膚效應(yīng)，但對(duì)于大截面導(dǎo)體，改善效果仍不理想。 單絲絕緣或氧化處理是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)，可很好地解決集膚效應(yīng)。

3.2 改善鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)

高壓電纜皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)電緩沖層大多采用繞包兩層半導(dǎo)電緩沖（阻水）帶，皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)電纜縱剖面示意圖見(jiàn)圖4。 半導(dǎo)電緩沖（阻水）帶由蓬松棉和半導(dǎo)電無(wú)紡布組成，其蓬松多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)有大量的空氣。 此外，皺紋鋁護(hù)套和緩沖層間也存在一定的氣隙，緩沖層的熱阻其實(shí)就是半導(dǎo)電緩沖帶和空氣的混合熱阻，而靜止空氣的熱阻非常大，約40.0 K·m·W-1（遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 IEC 60287 標(biāo)準(zhǔn)給定值6.0 K·m·W-1，空氣和緩沖層混合熱阻系數(shù)20.0 K·m·W-1較為合理）［1?2］。 熱阻越大，越阻礙著電纜線(xiàn)芯表面熱量的散失，對(duì)載流量不利。

圖4 皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)電纜縱剖面示意圖

近年來(lái)，緩沖層燒蝕問(wèn)題頻頻出現(xiàn)，因此平板鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)受到越來(lái)越多的廠家關(guān)注。 從對(duì)載流量影響來(lái)看，平板鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)使得緩沖層厚度普遍減小，鋁護(hù)套和緩沖層緊密接觸，很大程度壓縮了空氣隙的厚度，有效提高了導(dǎo)熱性能，其綜合熱阻明顯降低（約 11.0 K·m·W-1）。

3.3 優(yōu)化安裝敷設(shè)環(huán)節(jié)

多條電力電纜并列敷設(shè)時(shí)會(huì)形成鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)，使電荷集中在導(dǎo)線(xiàn)截面表面，降低了導(dǎo)線(xiàn)允許載流量。 而且多條并列敷設(shè)導(dǎo)致熱量集聚，也會(huì)降低載流量。 所以在三角形、平行敷設(shè)時(shí)均應(yīng)考慮電纜之間的間距。

對(duì)敷設(shè)環(huán)境加以?xún)?yōu)化，例如在電纜管道內(nèi)填充噴潤(rùn)土、降阻沙或利用天然的地下水，降低環(huán)境溫度，從而達(dá)到降低熱阻系數(shù)，加快散熱，提高載流量的目的。 同樣，對(duì)電纜的排列方式采用最合理的布局，盡量減少電纜與電纜之間相互影響。

電纜安裝環(huán)境時(shí)，必須對(duì)幾個(gè)主要步驟加以改進(jìn)和控制：比如在金屬導(dǎo)體對(duì)接或壓接的時(shí)候，確保足夠的接觸面積和壓強(qiáng)，降低電纜阻抗產(chǎn)生的損耗；在絕緣處理的時(shí)候，要絕對(duì)保證絕緣處理粗糙度，以滿(mǎn)足運(yùn)行時(shí)的零局放要求；應(yīng)考慮絕緣的熱老化問(wèn)題，避免在進(jìn)行接地焊接的時(shí)候?qū)^緣集中加熱引起老化；還應(yīng)確保電纜接地系統(tǒng)的完整與準(zhǔn)確，及時(shí)修復(fù)電纜外護(hù)層的破損點(diǎn)；等等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作在參數(shù)選擇過(guò)程中，按照常規(guī)的皺紋鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)對(duì)220 kV 電力電纜計(jì)算了不同條件下的理論載流量。 結(jié)合理論計(jì)算過(guò)程，分析了提高載流量的方法，以供大家參考。