降低單芯海底電力電纜鎧裝損耗的試驗(yàn)和簡易計(jì)算

鄭新龍， 張 磊， 宣耀偉， 汪 洋， 高 震

(國網(wǎng)舟山供電公司，浙江舟山316021)

0 引言

沿海及群島地區(qū)的電力輸送很大程度上依靠海底電力電纜(以下簡稱海纜)。海纜能夠?qū)崿F(xiàn)跨海域長距離傳輸，這是架空傳輸線無法相比的優(yōu)點(diǎn)。特殊的敷設(shè)環(huán)境［1］要求海纜必須具有金屬護(hù)套和鎧裝層以提高它的水密性、防腐性和機(jī)械強(qiáng)度。為了滿足日益增長的電力需求及可靠的柔韌性和抗拉力，許多海纜采用的是單芯的結(jié)構(gòu)方式［2］。當(dāng)單芯海纜的線芯導(dǎo)體通過大電流時(shí)，金屬護(hù)套(鉛包)及鎧裝會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)線芯電流較大或線路較長時(shí)，海纜兩端的金屬護(hù)套及鎧裝會有一個(gè)很大的感應(yīng)電壓，對人身和設(shè)備都不安全［3-4］。

由于海纜運(yùn)行環(huán)境的特殊性，實(shí)際生產(chǎn)中，均把海纜兩端的金屬護(hù)套及鎧裝接頭并聯(lián)后直接接地。此時(shí)在金屬護(hù)套及鎧裝層均會產(chǎn)生相當(dāng)大的電流，并伴隨著較大的損耗［5-7］。鎧裝損耗會引起海纜外護(hù)層的發(fā)熱，不利于導(dǎo)體的散熱，限制了海纜的載流量。

國外的海纜施工技術(shù)相對成熟，采用改變鎧裝材料來降低鎧裝損耗。例如:加拿大至溫哥華電壓等級525 kV海纜、西班牙至摩洛哥跨直布羅陀海峽電壓400 kV充油海纜均采用銅扁線作鎧裝［8-9］，這也讓海纜的制造成本大大提升。國內(nèi)的海纜應(yīng)用起步較晚，相關(guān)技術(shù)與研究較少，對于鎧裝損耗的研究僅限于理論設(shè)想［10］和簡略的試驗(yàn)［11］，未有系統(tǒng)地介紹降低鎧裝損耗的方法。

本文對110 kV XLPE海纜進(jìn)行鎧裝損耗試驗(yàn)研究，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)并得出降低鎧裝損耗的一種方法。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)場設(shè)備包括電纜熱循環(huán)試驗(yàn)加熱測控系統(tǒng)、功率測試儀、鉗形電流表和低電阻測試儀。

現(xiàn)場試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)樣品:

(1)樣品描述。HYJQF41-64/110-1×500光電復(fù)合單芯海底電力電纜，長約195 m。經(jīng)測試線芯導(dǎo)體電阻7.6 mΩ。

(2)樣品處理。海纜首尾連接、修復(fù)處理。為消除穿心變對鎧裝及鉛護(hù)套的影響，穿心變兩側(cè)海纜斷開其鎧裝和鉛護(hù)套，保持纖芯導(dǎo)體連接?？紤]到鉛護(hù)套及鎧裝的短路及開路試驗(yàn)，將兩者引出接線。經(jīng)測試鎧裝電阻28.9 mΩ;鉛包電阻69.4 mΩ。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

若將穿心變與海纜看作一臺變壓器，則原邊為穿心變，副邊即為海纜，圖1中的AB兩端即為副邊端口。

將AB端海纜的鉛包及鎧裝互聯(lián)后短接，并在其中串入不同阻值的電阻器，如圖2所示。測試AB端口的有功功率，即海纜有功損耗，以及鉛包、鎧裝及干路上的感應(yīng)電流。

圖2 鉛包鎧裝回路串聯(lián)電阻示意圖

3 測試結(jié)果與分析

通過變頻信號發(fā)生器對實(shí)驗(yàn)電阻測試，得出該電阻器的參數(shù):電阻R=1.32 Ω，電感L=400 mH，阻抗Z=1.35Ω。

串入不同阻值電阻后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 串入不同阻值電阻后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1中，I為導(dǎo)體電流;P為AB端，即海纜有功功率;S為AB端視在功率;Q為AB端無功功率;U為AB端口電壓;PF為功率因數(shù)，即為P/S;I并聯(lián)為鉛包鎧裝并聯(lián)后干路電流;I鉛為鉛包回路電流;I鎧為鎧裝回路電流。

分析表1數(shù)據(jù)，通過計(jì)算后得出以下結(jié)論:

(1)在相同導(dǎo)體電流情況下，鉛包鎧裝回路串聯(lián)電阻后，海纜有功損耗下降明顯，如圖3所示。

另外，在線芯電流相同的情況下，鉛包鎧裝回路串入電阻對于鉛包感應(yīng)電流影響較大，鉛包回路電流下降明顯。串入的電阻越大，海纜總損耗下降越多。

圖3 串聯(lián)電阻后海纜損耗下降曲線

(2)鉛包鎧裝回路串入電阻后，直接改變了海纜的電氣特性，由于P=Scosφ，則未串聯(lián)電阻時(shí)海纜的功率因數(shù)為0.652，串入0.5R電阻后，功率因數(shù)為0.23左右，而且隨著線芯電流增大而小幅增大。同時(shí)隨著串入大地等效電阻阻抗增大，海纜的無功功率消耗比例也增大。

(3)鉛包鎧裝回路串入電阻，使鉛包鎧裝干路電流大幅下降，如圖4所示。

圖4 串聯(lián)電阻后鉛包鎧裝并聯(lián)電流下降曲線

例如串聯(lián)0.5R電阻后，鉛包鎧裝回路電流下降幅度達(dá)到88%，這是損耗下降的主要原因。

(4)鉛包鎧裝回路串入電阻后，鉛包、鎧裝電流大幅度下降，對應(yīng)的鉛包損耗也大幅下降，以致相對于導(dǎo)體損耗來說可以忽略。然而由于鉛包電流的下降，鎧裝層失去了鉛包層的屏蔽，直接受導(dǎo)體電流的電磁感應(yīng)，其渦流損耗大幅增加，因此鎧裝層的整體損耗與導(dǎo)體損耗相當(dāng)。

4 簡易損耗計(jì)算公式

交變磁場中的導(dǎo)電物質(zhì)(包括鐵磁物質(zhì))，在垂直于磁力線方向的截面上感應(yīng)出閉合的環(huán)行電流，稱為渦流。由渦流產(chǎn)生的電阻損耗稱為渦流損耗?？捎上率接?jì)算［12］:

式中:Pe為渦流損耗(W);f為頻率(Hz);B為電磁感應(yīng)強(qiáng)度(T);ke為渦流系數(shù)，與材料的電阻率、截面大小及形狀有關(guān)的系數(shù)(由實(shí)驗(yàn)確定);V為導(dǎo)電物質(zhì)(或鐵磁物質(zhì))的體積(m3)。

渦流損耗與電磁感應(yīng)強(qiáng)度B2成正比，而根據(jù)電磁場知識，電磁感應(yīng)強(qiáng)度B又與相關(guān)電流I成正比，因此可以這樣認(rèn)為，渦流損耗與相關(guān)電流的平方成正比。海纜鎧裝層的渦流損耗由導(dǎo)體電流、鉛包電流及鎧裝電流三者引起，即可表示為三者平方的多項(xiàng)式之和。由于三者電流方向的不確定性，則在多項(xiàng)式中添加絕對值符號，以區(qū)分電磁感應(yīng)效應(yīng)的疊加或抵消。

因此對于鉛包、鎧裝互聯(lián)情況下的海纜損耗測試，有以下公式:

式中:P為有功功率，即為海纜導(dǎo)體與鎧裝、鉛包總損耗;I1、I2、I3為導(dǎo)體、鉛包、鎧裝電流;R1、R2、R3為導(dǎo)體、鉛包、鎧裝電阻;I4為鉛包鎧裝并聯(lián)電流，I4=I2+I3;R為串入阻抗的電阻;I21b1+I22b2+I23b3表示鎧裝渦流損耗;b1，b2，b3為所需擬合的系數(shù)。

基于表 1 及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，已知I1、I2、I3、R1、R2、R3及P，可以擬合得到:b1=0.00875，b2=－0.0206，b3=－0.0156，如圖5擬合曲線所示。

圖5 海纜損耗表達(dá)式參數(shù)擬合曲線

因此，式(2)中的各個(gè)參數(shù)數(shù)值如下:R1=7.6 mΩ，R2=69.4 mΩ，R3=28.9 mΩ，b1=0.00875，b2= －0.0206，b3= －0.0156。

由b2，b3為負(fù)系數(shù)也可知，鉛包電流、鎧裝電流與導(dǎo)體線芯電流所產(chǎn)生的磁場相互削弱，即鎧裝、鉛包均短路的接線方式有利于抑制鎧裝上的渦流損耗。

根據(jù)圖2的模型，鉛包電流與導(dǎo)體電流在鉛包上的感應(yīng)電壓之和為等效電阻上的電壓降;鎧裝電流與導(dǎo)體電流在鎧裝上的感應(yīng)電壓之和為等效電阻上的電壓降，因此有以下兩式:

式中:k01，k02，k1，k2為所設(shè)系數(shù)。

則根據(jù)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到:k01=0.10688，k02=0.07065，k1=0.3569，k2=0.1243。利用上述公式推導(dǎo)有:

其中Z=0時(shí)是沒有串入阻抗時(shí)的情況。

將I2，I3，I4用I1的函數(shù)表達(dá)有:

得到海纜總損耗僅僅關(guān)于導(dǎo)體電流I1的函數(shù)關(guān)系式，更加具有通用性。

在線芯導(dǎo)體電流500 A情況下，鉛包鎧裝回路不同接線方式下的海纜功率損耗測試值與理論計(jì)算值比較如表2所示。

表2 導(dǎo)體電流500 A時(shí)的測試值與計(jì)算值比較

由表2可知，該公式計(jì)算值與實(shí)測值誤差在10%以內(nèi)，工程上可以認(rèn)為該簡易損耗計(jì)算公式可靠。

5 結(jié)束語

本文通過對HYJQF41-64/110-1×500光電復(fù)合單芯海底電力電纜進(jìn)行通流試驗(yàn)，來研究海纜的鎧裝損耗，并在鉛包、鎧裝回路中串入不同阻抗大小的電阻器，來分析比較海纜總損耗的變化，得出該方法是減小海纜損耗的一種途徑。本文在分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，總結(jié)出海纜損耗簡易計(jì)算公式，并用500 A試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了簡易計(jì)算公式的可行性。

［1］王 敏.10 kV單相電力電纜屏蔽層的感應(yīng)電壓和環(huán)流［J］.高電壓技術(shù)，2002(5):30-31.

［2］李志遠(yuǎn).35 kV單芯鋼絲鎧裝電纜故障分析及應(yīng)對措施［J］.電氣技術(shù)，2008(3):78-79.

［3］Ronny Stolan.Losses and Inductive Parameters in Subsea Power Cables［D］.Norwegian University of Science and Technology，2009.3-4.

［4］龐 丹，王曉巖，秦鳳明.66kV XLPE絕緣電力電纜金屬護(hù)套接地電流異常原因分析［J］.吉林電力，2009(4):46-47.

［5］Osama Elsayed Gouda，Adel Abd-eltwab Farag.Factors Affecting the Sheath Losses in Single-Core Underground Power Cables with Two-Points Bonding Method［J］.International Journal of Electrical and Computer Engineering(IJECE)，2012，2(1):12-15.

［6］吳 勇，劉 勇.單芯鋼絲鎧裝電力電纜運(yùn)行分析［J］.冶金動力，2005(2):25-26.

［7］馬國棟.單芯鋼絲鎧裝電力電纜鎧裝結(jié)構(gòu)的探討［J］.電線電纜，2002(2):17-18.

［8］R.G.Foxall.Design，manufacture and installation of a 525kV alternating current submarine cable link from mainland Canada to Vancouver island［C］.CIGER Session 1984:21-24.

［9］R.Granadino.400kV 700MW fluid filled submarine cables for the Spain-Morocco interconnection［C］//CIGER Session 2000.298-301.

［10］何旭濤，馬興端，閆循平.降低高壓海底電纜登陸段電能損耗的措施研究［J］.浙江電力，2011(11):29-31.

［11］鄧長勝，周漢亮.磁性不銹鋼編織鎧裝損耗的實(shí)驗(yàn)研究［J］.電線電纜，2005(2):22-24.

［12］S.A.納薩爾.電機(jī)與機(jī)電學(xué)［M］.科學(xué)出版社，2002.4-5.