陶少樂 唐家賓 梁 威 楊錫杰 何昌龍

電纜安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素是其絕緣的良好程度和內(nèi)部電場分布的均勻性。電纜彎曲半徑是電纜敷設(shè)施工及運(yùn)行中保證其絕緣性能的主要指標(biāo)。所謂彎曲半徑，是指工程上把彎曲的電纜近似看做一段圓弧，圓弧所在圓的半徑即為此彎曲電纜的彎曲半徑。

電纜敷設(shè)過程中經(jīng)常遇到轉(zhuǎn)彎半徑不足的情況，驗(yàn)收人員由于沒有相應(yīng)儀器設(shè)備測量，憑工作經(jīng)驗(yàn)判斷半徑是否滿足運(yùn)行規(guī)程，得出模棱兩可的答案。轉(zhuǎn)彎半徑不足將對(duì)日后運(yùn)維埋下安全隱患。為了解決上述問題，筆者研發(fā)一種簡便且準(zhǔn)確用于測量高壓電纜轉(zhuǎn)彎半徑的專用尺，就其創(chuàng)新思路和創(chuàng)新點(diǎn)、應(yīng)用情況進(jìn)行分析探討，希望能對(duì)電纜設(shè)施工做一些預(yù)防性指導(dǎo)。

一、彎曲半徑不足對(duì)電纜的影響

（一）本體過度彎曲對(duì)導(dǎo)體的影響

電纜導(dǎo)體由多根單芯導(dǎo)線以一定節(jié)距絞合而成，在導(dǎo)體制作過程中導(dǎo)體的單線根數(shù)和節(jié)距大小決定了導(dǎo)體彎曲時(shí)的穩(wěn)定性，過度的彎曲將導(dǎo)致導(dǎo)體的松散和突起，直接影響導(dǎo)體半導(dǎo)電層和絕緣層的性能。導(dǎo)體彎曲過大，出現(xiàn)毛刺將造成導(dǎo)電和內(nèi)屏蔽發(fā)生畸變，從而使電場也隨之發(fā)生畸變，在導(dǎo)體毛刺周圍聚集大量不平衡電荷不斷沖擊絕緣介質(zhì)。凸起處集中的電荷不足以在短時(shí)間內(nèi)造成絕緣擊穿，放電量微乎其微。隨著時(shí)間的延長和電荷不斷沖擊，缺陷處的放電樹枝也不斷向絕緣外層生長和擴(kuò)散，最終造成電熱擊穿事件。

（二）彎曲對(duì)絕緣的影響

當(dāng)電纜發(fā)生了彎曲，在彎曲處的絕緣將會(huì)發(fā)生拉伸變形。當(dāng)彎曲超過允許最小彎曲半徑時(shí)，可能導(dǎo)致絕緣損傷。對(duì)于XLPE 交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，由于絕緣層厚度較大，在彎曲半徑較小的情況下運(yùn)行時(shí)，絕緣層承受一定的應(yīng)力，特別是當(dāng)達(dá)到一定運(yùn)行溫度時(shí)，XLPE 絕緣層在熱和應(yīng)力的作用下可能出現(xiàn)形變，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣層的電場分布畸變。不同彎曲半徑條件下的電纜絕緣層場強(qiáng)及最大場強(qiáng)相對(duì)變化量：彎曲半徑越小，絕緣內(nèi)側(cè)最高場強(qiáng)越集中，絕緣內(nèi)的場強(qiáng)分布越不均勻。只要保證彎曲半徑大于20 倍的電纜外徑，絕緣內(nèi)的最高場強(qiáng)就都在XLPE 允許的最高場強(qiáng)范圍內(nèi)。最大場強(qiáng)相對(duì)變化量與彎曲半徑的關(guān)系：最大場強(qiáng)相對(duì)變化量與彎曲半徑成類指數(shù)遞減關(guān)系，彎曲半徑越大，對(duì)應(yīng)的最大場強(qiáng)相對(duì)變化量越小。因此，在實(shí)際敷設(shè)電纜時(shí)應(yīng)盡量避免小的彎曲半徑。

（三）彎曲對(duì)金屬屏蔽的影響

當(dāng)電纜彎曲過大時(shí)，引起金屬帶起皺或卷邊，容易導(dǎo)致絕緣損傷。目前傳統(tǒng)的銅帶搭蓋繞包在工藝上雖有優(yōu)勢(shì)，但在運(yùn)行時(shí)金屬屏蔽層間由于接觸面產(chǎn)生氧化物，以及彎曲冷熱變形后減少接觸壓力，造成接觸電阻成倍增加，影響短路電流的容量和短路電流的導(dǎo)通。接觸不良加上熱脹冷縮彎曲變形，直接損傷外半導(dǎo)電層。

二、創(chuàng)新思路

依據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力電纜線路運(yùn)行規(guī)程（DL/T 1253—2013）》，電纜敷設(shè)和運(yùn)行時(shí)的最小彎曲半徑見表1。

表1 高壓電纜敷設(shè)和運(yùn)行最小彎曲半徑

如果電纜在敷設(shè)施工或運(yùn)行中彎曲半徑小于規(guī)定值，可能會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的破壞，最終致使絕緣擊穿，釀成安全質(zhì)量事故。鑒于工程實(shí)踐中大量存在著對(duì)彎曲半徑進(jìn)行測量及判斷的問題，需尋求一種簡便且準(zhǔn)確測量電纜彎曲半徑的方法，以期正確判斷其符合性。

本文介紹一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、具有較大應(yīng)用前景的測量高壓電纜轉(zhuǎn)彎半徑專用尺，它包括激光測距模塊、主控電路板單元、嵌入式計(jì)算軟件、顯示屏模塊、電源模塊單元、伸縮式測量桿和外殼組成。

激光測距模塊單元，設(shè)置在電力電纜轉(zhuǎn)彎處的內(nèi)側(cè)，且所述激光測距模塊單元的兩端分別與電纜轉(zhuǎn)彎處兩側(cè)抵接，用于檢測其中心點(diǎn)與電力電纜轉(zhuǎn)彎處之間垂直距離h，以及其中心點(diǎn)和其與電力電纜抵接處之間的水平距離。

主控電路板單元，與所述激光測距單元和電源模塊單元等連接，用于根據(jù)所述激光測距單元和電源模塊直接互聯(lián)，控制整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行。

嵌入式計(jì)算軟件，其主要是將激光測距測得的數(shù)據(jù)代入計(jì)算軟件實(shí)施計(jì)算，以抵接處之間的水平距離計(jì)算電力電纜的轉(zhuǎn)彎半徑。

顯示屏模塊，主要是將激光測距數(shù)據(jù)、計(jì)算電纜轉(zhuǎn)彎半徑和電纜轉(zhuǎn)彎半徑的倍數(shù)等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的顯示在顯示屏上，便于直觀地實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)。

電源模塊單元，主要給激光測距模塊、主控電路板、計(jì)算模型等單元進(jìn)行供電，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

外殼及伸縮桿，主要是保護(hù)主控電路板模塊和激光測距模塊單元，伸縮桿模塊方便實(shí)時(shí)測量取得固定的值。

測量電纜轉(zhuǎn)彎半徑專用尺原理如圖1 所示。

圖1 測量電纜轉(zhuǎn)彎半徑專用尺原理圖

專用尺主要采用弦高法進(jìn)行測量，如圖2，其原理是通過測量被測圓弧上的一段弦長和與之相對(duì)應(yīng)的弦高，再使用幾何學(xué)中相交弦定理導(dǎo)出的弦高、弦長和半徑的函數(shù)關(guān)系（公式如下），經(jīng)計(jì)算求出圓弧所在圓的半徑值。

圖2 弦高法測量電纜轉(zhuǎn)彎半徑示意圖

——L 為測量出圓弧的弦長

——h 為在弦長L 的1/2 處（中間位置）測量出圓弧的高

——R 為按公式計(jì)算出圓弧的半徑

測量時(shí)，在數(shù)字輸入按鍵上可以設(shè)置高壓電纜直徑，電纜的允許彎曲半徑應(yīng)符合電纜絕緣及其構(gòu)造特性要求。測量處轉(zhuǎn)彎半徑R，根據(jù)公式直接實(shí)現(xiàn)電纜轉(zhuǎn)彎半徑倍數(shù)計(jì)算。專用尺能在電纜敷設(shè)完成后快速、準(zhǔn)確地測量電纜轉(zhuǎn)彎半徑以及轉(zhuǎn)彎倍數(shù)。實(shí)物模型如圖3。

圖3 電纜轉(zhuǎn)彎半徑專用尺實(shí)物模型圖

三、關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

（一）技術(shù)先進(jìn)性

1.攜帶方便、操作簡單：專用尺長、寬、高數(shù)據(jù)127 毫米×77 毫米×45 毫米，用于日常外出進(jìn)行高壓電纜敷設(shè)工程驗(yàn)收工作，便利性強(qiáng)，只需按下裝置上的按鈕，即可通過測量數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出電纜的轉(zhuǎn)彎半徑。

2.數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、安全可靠：測量工具采用精密的激光測距傳感器，測量顯示所處位置電纜轉(zhuǎn)彎半徑值達(dá)到1 毫米精度等級(jí)。

3.測量過程中直接顯示電纜半徑、電纜轉(zhuǎn)彎半徑倍數(shù)：測量人員可通過可視化的數(shù)據(jù)直接判斷電纜敷設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑是否符合要求。

4.適用性強(qiáng)、使用范圍廣：能適用于各種尺寸的電纜轉(zhuǎn)彎半徑的測量，可以推廣至輸電電纜、配電電纜、變電站內(nèi)部電纜相關(guān)專業(yè)，通用性強(qiáng)，實(shí)用性高。

（二）技術(shù)創(chuàng)新性

1.實(shí)現(xiàn)智能電子控制系統(tǒng)應(yīng)用，提高耐用性和精度。

2.通過智能轉(zhuǎn)換滿足不同電纜轉(zhuǎn)彎半徑測量的需求，提高靈活性和可操作性。

3.直接顯示電纜轉(zhuǎn)彎半徑倍數(shù)功能，判斷轉(zhuǎn)彎半徑是否符合規(guī)程要求。

4.在基礎(chǔ)程序上，延伸擴(kuò)展其他功能程序，可以滿足曲線外測量、三點(diǎn)法等方法測量。

四、應(yīng)用情況

（一）測量與整改

柳州供電局2021 年對(duì)35 千伏、110 千伏電纜溝架設(shè)和直接敷設(shè)的高壓電纜轉(zhuǎn)彎半徑測量100 處，發(fā)現(xiàn)有10 處（35 千伏3 處、110 千伏2處）轉(zhuǎn)彎半徑不滿足運(yùn)行規(guī)程。2021 年11 月開展220 千伏雙賓線電纜驗(yàn)收工作中使用該儀器測量轉(zhuǎn)彎半徑，對(duì)半徑不符合要求的現(xiàn)場提出整改方案。

2022 年對(duì)110 千伏靜船線、官花擴(kuò)埠線和楊擴(kuò)埠線等6 處電纜遷改過程中，測量200 處，發(fā)現(xiàn)有12 處轉(zhuǎn)彎半徑不滿足運(yùn)行規(guī)程，2 處轉(zhuǎn)彎半徑10 倍，10 處轉(zhuǎn)彎半徑13—15 倍。

2021 年、2022 年電纜彎曲半徑現(xiàn)場測量情況見表2。

表2 電纜彎曲半徑現(xiàn)場測量情況

經(jīng)過測試數(shù)據(jù)分析，對(duì)照電纜敷設(shè)和運(yùn)行時(shí)的最小彎曲半徑表1 得出：35 千伏雙鐵II 線三芯電纜敷設(shè)時(shí)小于12D 為不合格，110 千伏靜船線等線路電纜敷設(shè)時(shí)小于20D 為不合格，小于15D 為嚴(yán)重不足情況下，電纜在轉(zhuǎn)角處絕緣嚴(yán)重拉伸，運(yùn)行5 年時(shí)間絕緣擊穿。測量出轉(zhuǎn)彎半徑不足后及時(shí)整改，確保電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行，保證了電網(wǎng)的安全運(yùn)行和可靠供電。

（二）經(jīng)濟(jì)效益

專用尺應(yīng)用到1 條110 千伏線路上，可減少停電損失：110 千伏電纜發(fā)生故障跳閘后，查找電纜故障和土建開挖時(shí)間1 天，電纜故障搶修時(shí)間1 天，電纜試驗(yàn)以及恢復(fù)引線時(shí)間1 天，搶修時(shí)間共計(jì)3 天72 小時(shí)（不算系統(tǒng)操作），以平均線電流約為100 安的110 千伏電纜線路為例，計(jì)算多供電量及經(jīng)濟(jì)效益。

1.多供電量W ＝U I t=110/1.732×100×3×72 ≈1382400 千瓦時(shí)。

2.新增產(chǎn)值￥＝0.5W ＝1382400×0.5 ≈691200 元≈69.12 萬元。

3.新增利潤P=0.1￥=69.12×0.1 ≈6.9 萬元（目前供電企業(yè)利潤為新增產(chǎn)值5%～15%，取其中的平均值）。

通過以上計(jì)算看出，針對(duì)110 千伏電纜線路，使用專用尺發(fā)現(xiàn)1 處轉(zhuǎn)彎半徑不足并及時(shí)整改，確保電纜線路5 年不發(fā)生因轉(zhuǎn)彎半徑不足造成的故障跳閘就可多供電量約1382400 千瓦時(shí)，新增產(chǎn)值約69.12 萬元，新增利潤約6.9 萬元。

（三）社會(huì)效益

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電力供應(yīng)的要求質(zhì)量越來越高，城市化的進(jìn)程日益加速，城市電網(wǎng)中電力電纜的使用不斷增加，城網(wǎng)架空線入地工程也在大范圍內(nèi)實(shí)施。柳州電網(wǎng)北部生態(tài)片區(qū)220 千伏改造，越來越多220 千伏甚至500 千伏電纜下地。使用專用尺可事前預(yù)防，在土建驗(yàn)收或者發(fā)現(xiàn)電纜半徑不足時(shí)提前做好預(yù)控措施，減少后續(xù)因?yàn)殡娎|轉(zhuǎn)彎半徑不足引起電纜絕緣損傷發(fā)生故障，進(jìn)一步保證了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過項(xiàng)目的實(shí)施和應(yīng)用，減少了故障搶修幾率，提升供電可靠性，最大程度提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié)語

通過這種新型的電纜轉(zhuǎn)彎半徑測量裝置的應(yīng)用，可有效避免因電纜半徑無法測量、核實(shí)判斷給電網(wǎng)運(yùn)行留下安全隱患，也大大提高了實(shí)際土建以及電氣驗(yàn)收工作效率。