城市電力線路應(yīng)急電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王志強(qiáng)

(上海浦東電線電纜集團(tuán)有限公司，上海201414)

0 引言

青海省西寧供電公司根據(jù)冰雪、地震以及城市電網(wǎng)突發(fā)性設(shè)備故障線路的搶險(xiǎn)需要，自行開(kāi)發(fā)了一個(gè)不停電搶修系統(tǒng)。在這系統(tǒng)中需要一種電纜與之配套，并提出了這種電纜的具體設(shè)計(jì)要求。我們公司根據(jù)這個(gè)需要，設(shè)計(jì)了配套電纜。本文將對(duì)該應(yīng)急電纜的設(shè)計(jì)作具體介紹。

1 旁路供電電纜的要求

這個(gè)系統(tǒng)可以用旁路電纜來(lái)取代原來(lái)的線路，整個(gè)過(guò)程只需要20 min就可解決3 km范圍內(nèi)的不停電搶修作業(yè)。系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

其配套的8.7/15 kV旁路供電電纜需要滿足以下特殊要求:(1)由于架設(shè)時(shí)電纜會(huì)經(jīng)多次彎曲，所以電纜應(yīng)盡可能柔軟;(2)由于操作者直接接觸電纜，因此電纜應(yīng)保證充分安全、可靠;(3)因電纜直接暴露在大氣中，所以電纜應(yīng)能經(jīng)受雷電沖擊的考驗(yàn)。其它技術(shù)要求:(1)系統(tǒng)額定電壓12 kV，工作狀態(tài)下無(wú)閃絡(luò);(2)工頻電壓試驗(yàn)42 kV，5 min，無(wú)擊穿;(3)沖擊試驗(yàn)109 kV，±10次，無(wú)閃絡(luò);(4)可靠接地系統(tǒng)。圖2為工人正在架設(shè)旁路供電電纜。

圖1 不停電搶修原理圖

圖2 正在架設(shè)的旁路應(yīng)急電纜

2 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)用戶的要求，我們的設(shè)計(jì)涉及到:電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu);滿足工頻電壓及雷電沖擊條件下的絕緣層厚度;滿足安全性能、可靠接地性能的屏蔽層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。15 kV旁路供電電纜的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 15 kV旁路供電電纜結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計(jì)

2.1.1 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

考慮電纜盡可能柔軟，可選用軟導(dǎo)體(第5種結(jié)構(gòu))。先將很多根細(xì)軟銅絲束絲成股，然后將股與股絞合在一起組成導(dǎo)體。根據(jù)GB/T 3956—2008規(guī)定，導(dǎo)體銅單絲直徑不得大于0.41 mm。本設(shè)計(jì)選用單根細(xì)銅絲直徑為0.40 mm。

2.1.2 計(jì)算銅絲根數(shù)

由導(dǎo)體截面公式可推得:

式中，n為導(dǎo)體根數(shù);S為導(dǎo)體截面;λ為絞入率，一般取1.035;d為導(dǎo)體直徑。

經(jīng)計(jì)算可得到根數(shù)n為412(根)。

2.1.3 計(jì)算導(dǎo)體束絞外徑

軟銅絲束絞后直徑D為:

式中，n為銅絲根數(shù);d為銅絲直徑。

可以求得D=9.58≈9.6 mm。

2.2 半導(dǎo)電包帶和導(dǎo)體屏蔽

按圖3所示，由于很多根細(xì)軟銅絲絞合后不圓整，所以設(shè)計(jì)考慮用半導(dǎo)電包帶扎緊，同時(shí)與擠包的導(dǎo)體屏蔽組成復(fù)合屏蔽層。15 kV電纜導(dǎo)體屏蔽厚度一般為0.7 mm。

2.3 計(jì)算XLPE絕緣層厚度

2.3.1 根據(jù)工頻擊穿電壓計(jì)算絕緣厚度

工頻電壓下的絕緣厚度Δi為:

式中，Um為系統(tǒng)最高工作電壓，對(duì)于8.7/15 kV電纜取 Um=17.5 kV;K1為絕緣老化系數(shù)，一般取4.0;K2為工頻電壓下絕緣層溫度系數(shù)，一般取1.1;K3為工頻電壓試驗(yàn)裕度系數(shù)，一般取1.1;Ec為工頻擊穿電壓的最低值，取15 kV/mm。

數(shù)值代入后計(jì)算得到工頻電壓下電纜絕緣層厚度Δi=3.58 mm。

2.3.2 根據(jù)雷電沖擊電壓計(jì)算絕緣厚度

式中，UBIL為基本絕緣水平，8.7/10 kV電纜取95 kV;k'1為絕緣在脈沖電壓下老化系數(shù)，一般取1.1;k'2為絕緣層溫度系數(shù)，取1.1;k'3為沖擊試驗(yàn)裕度系數(shù)，一般取1.20;EP為交聯(lián)聚乙烯平均脈沖擊穿強(qiáng)度，取35 kV/mm。

計(jì)算得到雷電沖擊電壓條件下的絕緣層厚度為Δi=3.94 mm。比較工頻擊穿電壓和雷電擊穿電壓下分別計(jì)算得到的絕緣厚度3.58 mm和3.94 mm，選取后者。

2.4 確定絕緣屏蔽層厚度

15 kV電纜的絕緣屏蔽一般取0.8 mm。

2.5 計(jì)算銅絲和銅帶復(fù)合金屬屏蔽層結(jié)構(gòu)尺寸

考慮到電纜中性點(diǎn)不接地，因此采用金屬銅絲屏蔽，同時(shí)在銅絲屏蔽層外再反向疏繞一層銅帶，以保證屏蔽銅絲完全連續(xù)。金屬屏蔽層的截面應(yīng)根據(jù)電纜短路電流計(jì)算獲得。

2.5.1 計(jì)算短路電流

根據(jù)IEC 60949短路電流IAD計(jì)算公式:

式中，IAD為短路電流;t為短路時(shí)間，取t=5 s;K為取決于載流體材料的常數(shù)，銅導(dǎo)體取226;S為載流體幾何面積，取50 mm2;θf(wàn)為短路時(shí)最終溫度，取250℃;θi為短路時(shí)起始溫度，取90℃;β為0℃時(shí)導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)倒數(shù)，銅導(dǎo)體取234.5。經(jīng)計(jì)算得到IAD=3 196 A。

2.5.2 計(jì)算屏蔽層最小截面Smin

式中，t為短路持續(xù)時(shí)間，一般取t=1 s，因考慮熱量損失在鄰近層的因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取1.2 s;K為與導(dǎo)體有關(guān)的系數(shù)，取K=226;β為銅導(dǎo)體溫度系數(shù)的倒數(shù)，取β=234.5;θf(wàn)為短路時(shí)最終溫度，取 θf(wàn)=250℃;θi為導(dǎo)體在短路時(shí)起始溫度，通常取50℃。

代入式中計(jì)算得到Smin=16.15 mm2。這一計(jì)算結(jié)果與DIN VDE 0276-620:2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“導(dǎo)體截面50 mm2，其屏蔽層的最小截面為16 mm2”是基本一致的。

2.5.3 確定銅絲屏蔽的直徑和根數(shù)

先選用常用的屏蔽銅絲規(guī)格，確定直徑為0.4 mm。再根據(jù)公式S=n(πd2/4)求屏蔽銅絲根數(shù)。式中，S為屏蔽截面;n為根數(shù);d為銅絲直徑?？梢郧蟮酶鶖?shù)為127根?？紤]到加工設(shè)備因素，實(shí)際選用144根0.4 mm的屏蔽銅絲，其屏蔽截面為18.1 mm2，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.5.4 屏蔽銅絲外繞包銅帶的尺寸

在屏蔽銅絲外再用一薄銅帶捆扎起來(lái)，這是為了確保屏蔽銅絲處處連續(xù)，同時(shí)也增加了屏蔽截面。一般選用厚0.1 mm、寬10 mm的薄銅帶。

2.6 確定電纜的外護(hù)套厚度

在擠包外護(hù)套之前，可先繞包一層非吸濕性包帶作為襯墊。依據(jù)GB/T 3956—2008附錄C規(guī)定，外護(hù)套應(yīng)根據(jù)電纜“假定外徑”來(lái)選取。因計(jì)算假定外徑的過(guò)程較復(fù)雜，這里不再贅述。經(jīng)計(jì)算，該電纜的假定外徑為25.4 mm，因此厚度可確定為1.9 mm。考慮到電纜在實(shí)際使用中需要經(jīng)常收卷、放出，因此設(shè)計(jì)時(shí)選用耐磨、耐候的聚合物材料。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)完成后，還經(jīng)過(guò)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)論證。在產(chǎn)品出廠試驗(yàn)完成后，又通過(guò)了國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的型式試驗(yàn)，產(chǎn)品完全符合各項(xiàng)性能指標(biāo)，達(dá)到了用戶要求?，F(xiàn)在這種應(yīng)急不停電搶修系統(tǒng)已在青海西寧以及其它中心城市推廣應(yīng)用，相信其配套的城市電力線路應(yīng)急電纜的未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊。目前，本電纜又以“一種中壓旁路柔性應(yīng)急處置用電力電纜”名稱獲得了實(shí)用新型專利證書(shū)(專利號(hào)201020136361)。

［1］羅俊華，藍(lán) 劍，蘇 勇，等.15 kV柔性旁路電纜的不停電搶修作業(yè)技術(shù)［J］.高電壓技術(shù)，2009，35(4):949-953.

［2］朱欣娣，武宇波，魏螢螢，等.中壓交聯(lián)電纜金屬屏蔽層的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的討論［J］.電線電纜，2009(4):11-13.

［3］IEC 60949:1988 Calculation of thermally permissible short-circuit currents，taking into account non-adiabatic heating effects［S］.

［4］DIN VDE 0276-620:2009 Distribution cables with extruded insulation for rated voltages from 3，6/6(7，2)kV to 20，8/36(42)kV［S］.

［5］GB/T 3956—2008電纜外護(hù)層［S］.