高溫環(huán)境下不同電流載荷對(duì)電纜絕緣壽命影響的評(píng)估

凌國楨，　曾慶濤，　王麗萍

（江蘇上上電纜集團(tuán)有限公司，江蘇溧陽213300）

高溫環(huán)境下不同電流載荷對(duì)電纜絕緣壽命影響的評(píng)估

凌國楨，曾慶濤，王麗萍

（江蘇上上電纜集團(tuán)有限公司，江蘇溧陽213300）

在一些特定的環(huán)境中，電纜正常運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到環(huán)境溫度升高，或者需要在較高的環(huán)境溫度下長期運(yùn)行，這會(huì)使電纜運(yùn)行溫度升高，加速絕緣的老化，使電纜絕緣使用壽命變短。分別從理論計(jì)算和設(shè)計(jì)一個(gè)相對(duì)真實(shí)的模擬試驗(yàn)來對(duì)高溫環(huán)境下不同電流載荷造成的影響進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果可以為類似的工況提供參考。

環(huán)境溫升；載流量；載荷；壽命

0　引　言

在一些特定的環(huán)境中，電纜正常運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到環(huán)境溫度升高，或者需要在較高的環(huán)境溫度下長期運(yùn)行，這會(huì)使電纜運(yùn)行溫度升高，加速絕緣的老化，使電纜絕緣使用壽命變短。如降低電纜的電流載荷，則能降低電纜運(yùn)行溫度，延長電纜的絕緣壽命，減少壽命期內(nèi)電纜更換次數(shù)。

一般情況下可采用理論的計(jì)算來評(píng)估環(huán)境溫升造成的影響，但是在理論推算的過程中往往采用了較多的經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)，無法充分體現(xiàn)實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境溫升對(duì)電纜絕緣壽命的影響。本文分別從理論計(jì)算和設(shè)計(jì)一個(gè)相對(duì)真實(shí)的模擬試驗(yàn)來對(duì)高溫環(huán)境下不同電流載荷造成的影響進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果可以為類似的工況提供參考。

1　環(huán)境溫升造成的電纜溫升計(jì)算及分析

1.1溫升計(jì)算

通過電纜載流量計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)。

I＝

式中：I為單個(gè)導(dǎo)體內(nèi)的電流（A）；Δθ為導(dǎo)體溫度與環(huán)境溫度之差（K），Δθ＝θa-θc，θa為環(huán)境溫度，θc為導(dǎo)體溫度；R為最大運(yùn)行溫度時(shí)，每單位長度導(dǎo)體的交流電阻；Wd為每單位長度導(dǎo)體絕緣的介電損耗（W/m）；T1、T2、T3、T4為相關(guān)熱阻參數(shù)（K·m/W）；n為電纜（等截面并載有相同負(fù)荷的導(dǎo)體）中載有符合的導(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。

R＝[R0（1＋α20（θc-20））]（1＋Ys＋Yp）

另設(shè)A＝Wd[0.5T1＋n（T1＋T2＋T3）]

B＝[T1＋n（1＋λ1）T2＋n（1＋λ1＋λ2）（T3＋T4）]（1＋Ys＋Yp）

那么式（1）可化為：I2＝（θa-θc-A）/（R×B）

以環(huán)境溫度為40℃、敷設(shè)在空氣中、100%載流量為基準(zhǔn)，環(huán)境溫度為80℃、90℃、100℃時(shí)，分別通以100%、75%、50%、25%載流量負(fù)載，計(jì)算其導(dǎo)體溫度，計(jì)算值見表1。

1.2計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到100℃時(shí)，電纜100%滿載荷設(shè)計(jì)的話，導(dǎo)體工作溫度能達(dá)到150℃（XLPE或EPR允許導(dǎo)體長期工作溫度為90℃）。如果以150℃為導(dǎo)體長期工作溫度作為絕緣工作溫度，按照絕緣工作溫度每上升10℃，絕緣壽命將降低一半來假設(shè)，60℃的溫差將使絕緣壽命縮短到原壽命的1/ 64，也就是說原來設(shè)計(jì)壽命60年的電纜產(chǎn)品，現(xiàn)在只能用不足1年，絕緣就會(huì)失效。同理，電纜按照25%載荷設(shè)計(jì)的話，導(dǎo)體工作溫度能達(dá)到103℃，13℃的溫差將使絕緣壽命縮短到不足原壽命的1/2，也就是說絕緣壽命不超過30年。

表1　8.7/10 kV 1×240 mm2計(jì)算數(shù)據(jù)

當(dāng)然如果需要更詳細(xì)的高溫環(huán)境下的電纜絕緣理論壽命，可以通過Arrhenius公式，再結(jié)合絕緣材料的活化能進(jìn)行推導(dǎo)。理論計(jì)算方法由于其引用經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)的局限性，如果參考其結(jié)論，往往會(huì)在一些特殊的場(chǎng)合（不能使用耐高溫電纜的場(chǎng)合或者其他條件限制）需要頻繁地更換電纜，工作量較大，資源的浪費(fèi)也較大。

理論計(jì)算的方法是一種保守的評(píng)估方法，很難判斷，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)模擬的工況試驗(yàn)進(jìn)行論證。

2　試驗(yàn)論證

2.1試驗(yàn)樣品

考慮到現(xiàn)實(shí)敷設(shè)環(huán)境的復(fù)雜情況，分別采用不同電壓等級(jí)、不同截面的電力電纜樣本進(jìn)行試驗(yàn)，樣本見表2。

2.2試驗(yàn)方法

將電纜試樣品字形敷設(shè)于電纜橋架上，見圖1，再放入大型老化烘箱中，見圖2，最后將電纜相關(guān)部位開槽，溫控線分別置于導(dǎo)體中、絕緣表面及護(hù)套表面。多芯電纜通電流方式采用串聯(lián)通電，保證各相均發(fā)熱。接線后，將電纜通以規(guī)定的電流值（用鉗形表直接測(cè)出），再將烘箱溫度設(shè)置到規(guī)定值（模擬環(huán)境溫度），溫度穩(wěn)定后約1～2 h，對(duì)導(dǎo)體、絕緣表面、護(hù)套表面溫度進(jìn)行讀數(shù)。

表2　載流量模擬試驗(yàn)用電力電纜樣本

圖1　品字形敷設(shè)樣品

圖2　大型老化箱及測(cè)溫儀

設(shè)置烘箱溫度分別為80℃、90℃、100℃，并通以不同比例的載流量（以40℃空氣中參考載流量為基準(zhǔn)，按照100%、75%、50%、25%基準(zhǔn)載流量進(jìn)行測(cè)試，基準(zhǔn)載流量參考了《電線電纜載流量》），測(cè)量其在不同環(huán)境溫度、不同載流量下的導(dǎo)體、絕緣、護(hù)套的溫度（絕緣和護(hù)套的溫度只作為參考，本文以導(dǎo)體溫度作為絕緣工作溫度）。

2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

中壓電力電纜樣本不同載荷下電纜各層溫度數(shù)據(jù)見表3。

表3　8.7/10kV 1×240 mm2載流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到100℃時(shí)，電纜100%滿載荷設(shè)計(jì)的話，導(dǎo)體工作溫度達(dá)到123℃，33℃的溫差將使絕緣壽命縮短到不足原壽命的1/16。同理，電纜25%載荷設(shè)計(jì)的話，10℃的溫差將使絕緣壽命縮短到原壽命的1/2。

我們對(duì)6/10 kV 1×400 mm2，0.6/1 kV 3×16 mm2、2×6 mm2、2×4 mm2、4×2.5 mm2規(guī)格電纜進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)律與上述結(jié)果類似：在一定的溫度環(huán)境條件下，施加100%的載流量，導(dǎo)體溫度比環(huán)境溫度增加約25℃；施加50%載流量時(shí)，導(dǎo)體溫度比環(huán)境溫度增加約5℃；施加25%載流量時(shí)，導(dǎo)體溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)。

3　計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

對(duì)8.7/10 kV 1×240 mm2規(guī)格的計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行列表對(duì)比，見表4。

從表4數(shù)據(jù)看：計(jì)算導(dǎo)體溫度A明顯高于試驗(yàn)測(cè)試導(dǎo)體溫度B，特別是在滿載荷設(shè)計(jì)的情況下，誤差達(dá)到了27℃，計(jì)算導(dǎo)體溫度將嚴(yán)重影響到電纜絕緣壽命的判斷。

但是電纜的載荷設(shè)計(jì)裕度越大（載荷設(shè)計(jì)百分比越?。?，計(jì)算導(dǎo)體溫度A與試驗(yàn)測(cè)試導(dǎo)體溫度B越接近，計(jì)算導(dǎo)體溫度是有一定參考意義的。

表4　不同載荷下計(jì)算溫度和試驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度對(duì)比表

4　結(jié)束語

特定環(huán)境中的溫度較高時(shí)，對(duì)電纜采取滿載荷設(shè)計(jì)，電纜絕緣壽命將大打折扣。應(yīng)該對(duì)類似工況進(jìn)行評(píng)估，判斷電纜絕緣老化狀態(tài)，防止出現(xiàn)絕緣失效的情況?？梢圆捎媒档碗娎|載荷的措施來降低電纜運(yùn)行溫度，增加電纜使用壽命，減少壽命期內(nèi)的更換次數(shù)。

通過計(jì)算的方法可以推導(dǎo)出環(huán)境溫升造成的電纜溫升，但是計(jì)算評(píng)估的方法偏于保守，特別是在環(huán)境溫度較高、載荷較大時(shí)，計(jì)算的偏差較大，會(huì)影響絕緣壽命的判斷，計(jì)算的數(shù)值可以作為參考。如果通過計(jì)算需要頻繁地進(jìn)行電纜更換，應(yīng)考慮采用試驗(yàn)?zāi)M的方法來確定電纜運(yùn)行溫度，避免保守的設(shè)計(jì)造成資源的浪費(fèi)。

[1]IEC 60287-1-1：2006Calculation of the continuous current rating of cables[S].

[2]馬國棟.電線電纜載流量[M]中國電力出版社，2003.

[3]劉剛，周凡，黃旭銳，等.環(huán)境溫度和環(huán)境熱阻對(duì)單芯電纜計(jì)算靈敏度的影響分析[J].廣東電力，2012（10）：51-55.

Assessment of the Influence of Different Current Loading on Cable Insulation Life under High Tem perature Environment

LING Guo-zhen，ZENG Qing-tao，WANG Li-ping
（Jiangsu Shangshang Cable Group Co.，Ltd.，Liyang 213300，China）

In some particular environment，when cables normally operates，the environment temperaturemay rise，or some cables need to operate under high temperature，which will cause cable operating temperature to rise，accelerating aging of insulation and thus shortening service life of insulation.This paper applies theoretical calculations and designs a relatively real simulation test to assess the influences caused by different current loading under high temperature，the result ofwhich can provide reference for similar conditions.

environment temperature rise；carrying capacity；loading；life

TM206

A

1672-6901（2016）01-0007-03

2015-05-18

凌國楨（1982-），男，工程師.

作者地址：江蘇溧陽市上上路68號(hào)[213300].