220 kV 電力電纜提高載流量的方法

董 琦， 李浩浩， 馮 濤， 陳志國

（江蘇上上電纜集團有限公司，溧陽 213300）

0 引 言

高壓電纜在線路設計、電纜選型、確定導體截面時，主要根據(jù)電纜的載流量要求來選擇。 隨著我國電網(wǎng)建設的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，220 kV 交聯(lián)電力電纜在中遠距離電力傳輸、大型水力發(fā)電站、城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設等領域廣泛被使用，電纜選擇截面也越來越大。 IEC 60287?1?1：2014《電纜連續(xù)負荷額定電流計算（100%負荷因數(shù)）》為電纜的載流量計算提供了標準方法，為線路設計、電纜選型提供了重要依據(jù)。 本工作在參數(shù)選擇過程中，確定了220 kV 電力電纜皺紋鋁護套結構，計算了不同條件下的載流量。

1 電纜結構

220 kV 銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜結構示意圖見圖1。

圖1 220 kV 銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜示意圖

2 載流量的計算

電力電纜載流量計算依據(jù)為IEC 60287。 高于環(huán)境溫度的導體溫升（Δθ） 計算如下：

式（1）中：I為單根導體流過的電流，A；R為最高工作溫度下導體單位長度的交流電阻，Ω·m-1；Wd為導體絕緣單位長度的介質損耗，W·m-1；T1為單根導體和金屬套間單位長度熱阻，K·m·W-1；T2為金屬套和鎧裝之間內襯層單位長度熱阻，K·m·W-1；T3為電纜外護層單位長度熱阻，K·m·W-1；T4為電纜表面和周圍介質之間單位長度熱阻，K·m·W-1；n為電纜（等截面并載有相同負荷）中載有負荷的導體數(shù)；λ1為電纜金屬套損耗相對于所有導體總損耗的比率；λ2為電纜鎧裝損耗相對于所有導體總損耗的比率。

從式（1）得出載流量計算公式：

式（2）中參數(shù)的含義在電力電纜行業(yè)中是通用的，此處不再累述。 結合產(chǎn)品具體結構，根據(jù)式（2）， 將 （ 土 壤 溫 度 25 ℃， 土 壤 熱 阻 系 數(shù)1.0 K·m·W-1）埋地敷設（直埋）和環(huán)境溫度 40 ℃時空氣中敷設（非直射）條件下載流量計算結果整理，見表1。 表1 中，導體截面積800 mm2為圓形緊壓導體，1 000 mm2及以上為分割導體。

表1 載流量的理論計算值

3 從理論計算過程看提高載流量方法

3.1 增加線芯截面

增加電纜截面是一個提高電纜載流量最直接的方式。 220 kV 電纜空氣中敷設長期載流量曲線見圖2。

圖2 220 kV 電纜空氣中敷設長期載流量

由圖2 可以看出：隨著導體截面面積的增加，載流量也隨之增大。 但當導體截面面積增大到一定程度，載流量增加的趨勢明顯變緩。

220 kV 電纜空氣中敷設電流密度見圖3。

圖3 220 kV 電纜空氣中敷設電流密度

由圖3 可以看出：隨著導體截面面積的增加，其平均電流密度逐漸減小，材料的綜合利用率越來越低。

這是由于電纜在通過交流電時，存在集膚效應。導體的集膚深度可用下式表示：

式（3）中：d為集膚深度，mm；f為頻率，Hz；μ為絕對磁導率；σ為導體的電導率，S·m-1。

通過式（3）可以計算出，銅導體在20 ℃時的集膚深度為 9.5 mm，在 90 ℃時的集膚深度為12.2 mm。 也就是說，銅導體直徑增大到24.4 mm后（鋁的電導率比銅的電導率小，集膚深度會稍大些）再增大導體截面面積，其內部導體的電流密度將變得很小，內部材料不能有效傳遞電流，材料利用率很低。 因此，電纜的載流量不會隨導體截面面積成比例增加。 采用分割導體結構可以有效減小集膚效應，但對于大截面導體，改善效果仍不理想。 單絲絕緣或氧化處理是當前研究的一個熱點，可很好地解決集膚效應。

3.2 改善鋁護套結構

高壓電纜皺紋鋁護套結構的半導電緩沖層大多采用繞包兩層半導電緩沖（阻水）帶，皺紋鋁護套結構電纜縱剖面示意圖見圖4。 半導電緩沖（阻水）帶由蓬松棉和半導電無紡布組成，其蓬松多孔結構，內有大量的空氣。 此外，皺紋鋁護套和緩沖層間也存在一定的氣隙，緩沖層的熱阻其實就是半導電緩沖帶和空氣的混合熱阻，而靜止空氣的熱阻非常大，約40.0 K·m·W-1（遠遠高于 IEC 60287 標準給定值6.0 K·m·W-1，空氣和緩沖層混合熱阻系數(shù)20.0 K·m·W-1較為合理）［1?2］。 熱阻越大，越阻礙著電纜線芯表面熱量的散失，對載流量不利。

圖4 皺紋鋁護套結構電纜縱剖面示意圖

近年來，緩沖層燒蝕問題頻頻出現(xiàn)，因此平板鋁護套結構受到越來越多的廠家關注。 從對載流量影響來看，平板鋁護套結構使得緩沖層厚度普遍減小，鋁護套和緩沖層緊密接觸，很大程度壓縮了空氣隙的厚度，有效提高了導熱性能，其綜合熱阻明顯降低（約 11.0 K·m·W-1）。

3.3 優(yōu)化安裝敷設環(huán)節(jié)

多條電力電纜并列敷設時會形成鄰近效應和集膚效應，使電荷集中在導線截面表面，降低了導線允許載流量。 而且多條并列敷設導致熱量集聚，也會降低載流量。 所以在三角形、平行敷設時均應考慮電纜之間的間距。

對敷設環(huán)境加以優(yōu)化，例如在電纜管道內填充噴潤土、降阻沙或利用天然的地下水，降低環(huán)境溫度，從而達到降低熱阻系數(shù)，加快散熱，提高載流量的目的。 同樣，對電纜的排列方式采用最合理的布局，盡量減少電纜與電纜之間相互影響。

電纜安裝環(huán)境時，必須對幾個主要步驟加以改進和控制：比如在金屬導體對接或壓接的時候，確保足夠的接觸面積和壓強，降低電纜阻抗產(chǎn)生的損耗；在絕緣處理的時候，要絕對保證絕緣處理粗糙度，以滿足運行時的零局放要求；應考慮絕緣的熱老化問題，避免在進行接地焊接的時候對絕緣集中加熱引起老化；還應確保電纜接地系統(tǒng)的完整與準確，及時修復電纜外護層的破損點；等等。

4 結束語

本工作在參數(shù)選擇過程中，按照常規(guī)的皺紋鋁護套結構對220 kV 電力電纜計算了不同條件下的理論載流量。 結合理論計算過程，分析了提高載流量的方法，以供大家參考。