單芯海纜不同鎧裝材質(zhì)損耗的對(duì)比研究

張　磊， 陳國(guó)志， 張娜飛， 張　健， 胡　凱

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316000；2.浙江舟山海洋輸電研究院有限公司，浙江舟山316021）

單芯海纜不同鎧裝材質(zhì)損耗的對(duì)比研究

張磊1，2， 陳國(guó)志1， 張娜飛1， 張健1， 胡凱1

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316000；2.浙江舟山海洋輸電研究院有限公司，浙江舟山316021）

分析了鋼絲鎧裝及鋁合金絲（非磁性）鎧裝海纜的損耗和溫升差異。對(duì)兩種鎧裝型式的海纜進(jìn)行通流試驗(yàn)，并開(kāi)展相關(guān)測(cè)試，包括海纜內(nèi)部各層與線(xiàn)芯導(dǎo)體的互感值測(cè)試、鉛包與鎧裝不同連接方式下的海纜損耗測(cè)試、鉛包鎧裝并聯(lián)接地點(diǎn)串入不同阻值電阻器時(shí)的海纜損耗測(cè)試、不同工況下海纜通過(guò)大電流時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫升測(cè)試?；诖罅繉?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)得出鋁合金絲鎧裝海纜有利于降低海纜損耗和導(dǎo)體溫度，提高海纜載流量。

海底電力電纜；鋁合金絲鎧裝；鋼絲鎧裝；海纜損耗；導(dǎo)體溫升

0 引 言

隨著沿海城市和島嶼經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海底電力電纜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)海纜）已成為陸島及海島之間電力輸送的重要途徑。國(guó)內(nèi)海島柔性直流輸電的發(fā)展也大大提高了海纜的用武之地［1］。為便于敷設(shè)和機(jī)械保護(hù)，鎧裝是海纜重要的組成部分，這也是區(qū)別于陸地電纜的主要特征之一［2］。對(duì)于單芯海纜，鉛包及鎧裝在線(xiàn)芯通過(guò)交流電時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)［3-4］。由于海纜運(yùn)行環(huán)境的特殊性，鎧裝及金屬護(hù)套只能在海纜線(xiàn)路的兩端各自互聯(lián)接地，由此產(chǎn)生的環(huán)流會(huì)引起很大的損耗［5-7］。如果鎧裝使用磁性金屬作為材料，還會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗。環(huán)流損耗、磁滯損耗和渦流損耗疊加起來(lái)的總損耗與導(dǎo)體電流產(chǎn)生的損耗相當(dāng)，甚至超過(guò)后者。金屬護(hù)套損耗和鎧裝層損耗會(huì)影響海纜的溫升和載流量，更是單芯鎧裝電纜頻發(fā)故障的重要原因。

單芯海纜的鎧裝損耗已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。各個(gè)海纜廠(chǎng)家與運(yùn)營(yíng)商也提出了各種降低海纜鎧裝損耗的措施。其中將海纜磁性鋼絲鎧裝改為非磁性的鋁合金絲鎧裝是一個(gè)重要的措施［8］，然而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有針對(duì)鋁合金絲鎧裝海纜的試驗(yàn)研究。為了具體了解鋁合金絲鎧裝對(duì)于降低海纜鎧裝損耗的效果，本文對(duì)兩條型號(hào)相同，僅鎧裝材質(zhì)不同的海纜進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，得出了一系列重要數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)院在海纜選擇鎧裝型式上提供了參考。

1 海纜熱循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)備包括：（1）電纜熱循環(huán)試驗(yàn)加熱測(cè)控系統(tǒng)；（2）功率測(cè)試儀；（3）鉗形電流表；（4）低電阻測(cè)試儀；（5）熱電偶測(cè)溫儀。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示（試驗(yàn)環(huán)境空氣溫度9.8℃，水溫8.0℃）。

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)樣品：

（1）110 kV光電復(fù)合單芯海底電力電纜兩條，其一為鋼絲鎧裝，型號(hào)為HYJQF41 64/110 1×500，長(zhǎng)約195 m；另一條為鋁合金鎧裝，型號(hào)為HYJQF91 64/110 1×500（“9”自定義為鋁合金絲），長(zhǎng)約104 m。海纜首尾相連環(huán)形放置，若將試驗(yàn)海纜看作一回路兩條海纜，其軸間距離約為5 m。經(jīng)測(cè)試得到兩條海纜的基本電氣參數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1　兩條海纜電氣參數(shù)

（2）樣品處理。海纜首尾連接、修復(fù)處理。為消除穿心變對(duì)鎧裝及鉛護(hù)套的影響，穿心變兩側(cè)海纜斷開(kāi)其鎧裝和鉛護(hù)套，保持線(xiàn)芯導(dǎo)體連接?？紤]到鉛護(hù)套及鎧裝的短路及開(kāi)路試驗(yàn)，將兩者引出接線(xiàn)。

（3）溫度監(jiān)控。熱電偶數(shù)量為5個(gè)，#1位于水中導(dǎo)體層，#4位于水中，#9位于室內(nèi)導(dǎo)體層，#7位于室內(nèi)空氣中，#12位于室外導(dǎo)體層。

若將穿心變與海纜看作一臺(tái)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。調(diào)節(jié)穿心變電壓控制海纜線(xiàn)芯導(dǎo)體的電流，測(cè)取AB端的有功功率，即為海纜的有功損耗；同時(shí)利用熱電偶監(jiān)控海纜線(xiàn)芯導(dǎo)體的溫度變化。

由于兩條海纜的實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度不一致（除去穿心變內(nèi)部海纜，鋼絲鎧裝海纜有效試驗(yàn)長(zhǎng)度約187 m，鋁合金絲鎧裝海纜約95 m），為方便各種數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，將各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果折算到100 m。

2 各層互感值對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)實(shí)測(cè)，兩種海纜的導(dǎo)體電阻及鉛包電阻阻值基本一致。鋼絲鎧裝電阻為0.15 mΩ/m，鋁合金絲鎧裝電阻為0.078 7 mΩ/m。

對(duì)海纜導(dǎo)體進(jìn)行加流試驗(yàn)，測(cè)試鉛包兩端、鎧裝兩端以及兩者并聯(lián)后兩端的感應(yīng)電壓。根據(jù)金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓公式（1）［9］可以反算各層金屬護(hù)套與導(dǎo)體之間的互感。

式中：us為金屬護(hù)套感應(yīng)電壓；M為線(xiàn)芯與金屬護(hù)套的互感；I為線(xiàn)芯電流。

根據(jù)試驗(yàn)對(duì)比，兩種不同材料鎧裝的海纜各層與線(xiàn)芯的互感值見(jiàn)表2。

表2　兩條海纜各層互感值對(duì)比?。▎挝唬簃H）

根據(jù)表2，可以得到鋼絲鎧裝海纜的導(dǎo)體—鉛包及導(dǎo)體—鎧裝的互感值大于鋁合金絲鎧裝海纜，而導(dǎo)體—并聯(lián)鉛包鎧裝的互感值則小于后者。同時(shí)相應(yīng)互感值大小差值不大。

3 定電流有功損耗對(duì)比試驗(yàn)

在定電流有功損耗試驗(yàn)中，設(shè)定海纜導(dǎo)體電流為100A，測(cè)試鉛包鎧裝不同接法下兩條海纜的損耗，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　兩條海纜定電流損耗對(duì)比

根據(jù)兩條海纜試驗(yàn)中各層電流值與電阻值的計(jì)算可以得到：

鋼絲鎧裝海纜損耗比值P導(dǎo)：P鉛：P鎧=1：1.23：1.14

鋁合金絲鎧裝海纜損耗比值P導(dǎo)：P鉛：P鎧=1：0.244：1.16

由表3可知，在鉛包、鎧裝均開(kāi)路的工況下，兩種海纜的有功損耗基本相同。此時(shí)的損耗包含線(xiàn)芯導(dǎo)體的環(huán)流損耗、渦流損耗以及鉛包、鎧裝的渦流損耗。由于兩種海纜導(dǎo)體電流相同，導(dǎo)體的損耗相同，則兩種海纜的各層渦流損耗也基本一致。在不同材料鎧裝前提下，唯有鎧裝渦流損耗極小這種可能。也就是說(shuō)，在鉛包鎧裝均開(kāi)路的情況下，鎧裝上的渦流損耗可以忽略（可以認(rèn)為被鉛包層屏蔽）。

在鉛包、鎧裝均短路的工況下，鋁合金絲鎧裝海纜的損耗明顯小于鋼絲鎧裝海纜。比較兩者各層損耗的數(shù)值，主要的差別在于鉛包的損耗：由于鋁合金絲的電阻明顯小于鋼絲，因此在鋁合金絲鎧裝海纜中，鉛包的分流能力相對(duì)較小，其支路電流相對(duì)較小，因此鉛包的損耗也相對(duì)較小。

4 鉛包鎧裝回路串電阻有功損耗對(duì)比試驗(yàn)

參照生產(chǎn)實(shí)際，將AB兩側(cè)的鉛包鎧裝分別并聯(lián)后短接，記為工況Ⅰ；將AB兩端的鉛包及鎧裝分別并聯(lián)，兩端之間串入R=1.32Ω電阻器后連接，如圖2，記為工況Ⅱ。分別在兩種工況下測(cè)取兩條海纜的損耗與溫升數(shù)據(jù)，并進(jìn)行比較分析。

圖2　鉛包鎧裝回路串聯(lián)電阻示意圖

根據(jù)損耗試驗(yàn)，折算到100 m海纜長(zhǎng)度后的數(shù)據(jù)對(duì)比如表4。

表4　兩種海纜損耗和鉛鎧感應(yīng)電流試驗(yàn)對(duì)比

從表4可以看出，鎧裝材料不同的兩種海纜，鋁合金絲鎧裝海纜的損耗低于鋼絲鎧裝海纜：

在鉛包鎧裝直接短接工況下，改變鎧裝材料可使海纜損耗下降30％左右，鉛包鎧裝并聯(lián)電流下降5％，且下降幅度隨著電流變化波動(dòng)較小。

當(dāng)鉛包鎧裝并聯(lián)回路串入電阻器后，改變鎧裝材料可使海纜損耗下降的幅度在10％～35％之間，且隨著導(dǎo)體電流增大而增大；電流下降幅度可達(dá)60％左右，且下降幅度隨著電流變化波動(dòng)較小。

5 海纜導(dǎo)體溫升對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)兩條海纜分別施加不同電流，在長(zhǎng)時(shí)間通流情況下利用熱電偶監(jiān)測(cè)海纜導(dǎo)體的溫度。對(duì)比分析不同鎧裝材料對(duì)海纜溫升的影響。取導(dǎo)體電流相同時(shí)，兩種海纜的溫升對(duì)比數(shù)據(jù)。如圖3～圖5所示（試驗(yàn)初始溫度9.8℃）。

圖3　兩海纜導(dǎo)體通流500 A，鉛鎧回路串接電阻后溫升曲線(xiàn)比較

圖4　兩海纜導(dǎo)體通流420 A，鉛鎧回路直接短接后溫升曲線(xiàn)比較

圖5　兩海纜導(dǎo)體通流500 A，鉛鎧回路直接短接后溫升曲線(xiàn)比較

由圖3～圖5可知，不管導(dǎo)體電流大小，鉛包鎧裝回路是否串接電阻，鋁合金絲鎧裝海纜的穩(wěn)態(tài)溫升都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼絲鎧裝海纜。對(duì)于電纜導(dǎo)體的熱效應(yīng)，可以通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱路求解導(dǎo)體溫度，IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)給出了這種情況下的計(jì)算方法［10-12］，即為：

式中：Qc為海纜各層產(chǎn)生的熱流；RC具有時(shí)間量綱，通常用τ表示，即為時(shí)間常數(shù)；θ0為初始導(dǎo)體溫度。

根據(jù)式（2），對(duì)每條海纜的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后可以得到每條海纜的溫升公式。圖6為鉛包鎧裝回路不串電阻時(shí)導(dǎo)體電流與穩(wěn)態(tài)溫升的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖6　不串電阻時(shí)兩海纜導(dǎo)體電流與穩(wěn)態(tài)溫升曲線(xiàn)比較

一般海纜導(dǎo)體溫度達(dá)到90℃時(shí)的導(dǎo)體電流記為其穩(wěn)態(tài)載流量。假設(shè)環(huán)境溫度為40℃，則溫升50℃就達(dá)到導(dǎo)體溫度的極限。此時(shí)計(jì)算得到鋼絲鎧裝電纜的載流量約為620 A，而鋁合金絲鎧裝海纜的載流量可達(dá)770 A，如圖7所示。

圖7　不串電阻時(shí)兩海纜載流量比較

圖8為鉛包鎧裝回路串入1.32Ω電阻后導(dǎo)體電流與穩(wěn)態(tài)溫升的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖8　串入電阻后兩海纜導(dǎo)體電流與穩(wěn)態(tài)溫升曲線(xiàn)比較

同理，假設(shè)溫升50℃就達(dá)到導(dǎo)體溫度的極限，此時(shí)計(jì)算得到鋼絲鎧裝電纜的載流量約為680 A，而鋁合金絲鎧裝海纜的載流量可達(dá)900 A，如圖9所示。

圖9　串入電阻后兩海纜載流量曲線(xiàn)比較

綜合上述，以環(huán)境40℃為基本條件，導(dǎo)體溫升允許上升50℃，那么：不串電阻鋼絲鎧裝電纜載流量620 A；不串電阻鋁合金鎧裝電纜載流量770 A；串1.32Ω電阻鋼絲鎧裝電纜載流量680 A；串1.32Ω電阻鋁合金鎧裝電纜載流量900 A。

以柱狀圖表示如圖10。

圖10　不同海纜及接法下的載流量對(duì)比圖

以不串電阻的鋼絲鎧裝電纜載流量為基準(zhǔn)，四種情況的載流量對(duì)比如表5所示。

表5　四種情況的載流量對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)僅金屬鎧裝不同的兩條海纜進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)研究，對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)后，證明了在相同運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行方式下，鋁合金絲鎧裝海纜的損耗明顯小于鋼絲鎧裝海纜，有效降低了導(dǎo)體的溫升、提高了海纜的載流量。這項(xiàng)研究對(duì)沿海電力部門(mén)海纜的選購(gòu)和運(yùn)行有一定的參考意義。

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Comparative Experimental Study of 110 kV Aluminum Wire Armored Cable and Steel Wire Armored Cable

ZHANG Lei1，2，CHEN Guo-zhi1，ZHANG Na-fei1，ZHANG Jian1，HU Kai1
（1.State Grid Zhoushan Electric Power Company of Zhejiang Power Corporation，Zhoushan 316000，China；2.Zhejiang Zhoushan Marine Power Research Institute Co.，Ltd.，Zhoushan 316021，China）

This paper analyses the differences of loss and temperature rise between steel wire armour and aluminum alloy wire（relative permeability is smaller）armored submarine cables.The actual flow tests are taken out on submarine power cables with different types of armoures.Inductance mutual between each layer and line-core of submarine cable，submarine cable loss with the lead package and armour connected in different ways，submarine cable loss with different resistors stringed into the ground point of parallel armoured lead package，and steady-state temperature rise with large current under different conditions are tested.Based on a large number of experimental data，it is concluded that aluminum alloy wire armored cable is conducive to decreasing the submarine cable loss and conductor temperature，as well as increasing the submarine cable ampacity.

submarine power cable；aluminum alloy wire armour；steel wire armour；submarine cable loss；conductor temperature rise

TM726.4

A

1672-6901（2015）06-0001-05

2015-03-11

張 磊（1984-），男，碩士，工程師.

作者地址：浙江舟山市定海區(qū)惠民橋惠飛路［316021］.