弱磁性不銹鋼對(duì)單芯中壓電力電纜載流量的影響分析

韓 嘯， 劉雄軍，， 狄洪杰，， 高俊國，倪思恩， 宋 鵬， 朱夢成， 何志峰

（1.江蘇上上電纜集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，溧陽 213300； 2.江蘇上上電纜集團(tuán)有限公司，溧陽 213300；3.哈爾濱理工大學(xué) 工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080）

0 引 言

在單芯電纜載流量計(jì)算中，人們普遍認(rèn)為鎧裝層不銹鋼帶為非磁性材料，各種計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及理論方程中均以非磁性來計(jì)算鎧裝層損耗。 但實(shí)際上，不銹鋼帶材經(jīng)去磁后，不可能做到完全非磁性。 經(jīng)過對(duì)市面上常用的幾種鎧裝不銹鋼帶測試后發(fā)現(xiàn)，其均存在弱磁性，而且高低不一，不同廠家的不銹鋼帶磁性也有差別。 因此，技術(shù)人員用“非磁性”鎧裝來說明弱磁性鎧裝電纜的損耗和載流量肯定會(huì)存在誤差，誤差大小不明確［1］。 若不針對(duì)弱磁性問題進(jìn)行分析，會(huì)導(dǎo)致以下問題難以判斷和解決：①不銹鋼帶弱磁性性能采購沒有相關(guān)依據(jù)。 如果弱磁性對(duì)單芯電纜確實(shí)產(chǎn)生了一定影響，應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的弱磁性采購相關(guān)依據(jù)；如果影響不大，也可對(duì)弱磁性進(jìn)行量化明確。 ②有些現(xiàn)場運(yùn)行的電纜遇到異常發(fā)熱問題時(shí)懷疑與鎧裝弱磁性有關(guān)，但因?yàn)闆]有數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無法確定或排除此因素。 ③不銹鋼帶經(jīng)過反復(fù)彎折、纏繞等加工變形后，磁性是否有回復(fù)也未知。

本工作確定單芯電纜不銹鋼鎧裝帶材的弱磁性大小，給出可供參考的相對(duì)磁導(dǎo)率范圍，確定不銹鋼帶經(jīng)反復(fù)加工變形后的磁性變化情況，通過COMSOL 仿真軟件計(jì)算鎧裝層在不同磁性下的單芯電力電纜損耗和溫升，并通過實(shí)際樣品的載流量測試數(shù)據(jù)，確定鎧裝弱磁性對(duì)單芯中壓電力電纜損耗及載流量的影響程度，用數(shù)據(jù)和得出的結(jié)論為行業(yè)提供理論和實(shí)際的依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料與樣本

選取了4 種不同廠家的不銹鋼帶，均為市面上的常用產(chǎn)品，制備工藝相同，規(guī)格為0.5 mm×40 mm，長度為1 m。 為了增加對(duì)比性，測試樣本中增加了鋁合金帶、普通鋼帶作為對(duì)照組，規(guī)格與不銹鋼帶相同，因?yàn)殇X合金帶為嚴(yán)格意義上的非磁性材料，而普通鋼帶為磁性材料，這能更好地對(duì)弱磁性進(jìn)行說明和比較。

1.2 儀器與設(shè)備

不銹鋼帶與普通鋼帶相比，經(jīng)過了去磁過程，磁性大大降低，因此被用來制作單芯電纜的鎧裝層，降低鎧裝層損耗［2］。 但由于磁性很小，不銹鋼帶弱磁性的測量必須用到專門的高精度檢測設(shè)備，本工作所選用的設(shè)備為高精度磁通門計(jì)［3］，廠家及型號(hào)為：北京翠海佳誠磁電科技有限責(zé)任公司的CH-310型高精度磁通門計(jì)。

高精度磁通門計(jì)可通過霍爾探頭傳感器檢測到周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度，將金屬材料放置在該區(qū)域后，即可檢測出由金屬材料磁化產(chǎn)生的磁性大小，檢測精度可達(dá)到納特級(jí)。 在已知地磁場強(qiáng)度的條件下，就可推算出金屬材料的磁導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率，上述過程的原理遵循以下公式：

式中：B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；μ 為介質(zhì)的磁導(dǎo)率；H 為磁場強(qiáng)度，A·m-1。

1.3 不銹鋼鎧裝帶材弱磁性測定

為了增加測量的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，本工作在20℃條件下對(duì)每個(gè)樣本的多個(gè)位置進(jìn)行測量，然后取各位置數(shù)據(jù)的平均值，作為材料磁性的最終數(shù)據(jù)。按照上述方法測量后，6 種鎧裝帶材的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表1。

由表1 可知：4 種不銹鋼帶的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為285，411，282，193 nT，數(shù)量級(jí)一致，具有均勻性；鋁合金帶的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.7 nT，與非磁性材料特性吻合；普通鋼帶的磁感應(yīng)強(qiáng)度為88 195 nT，磁性較大。 綜合來看，6 種鎧裝帶材的測量值能很好地反映出不同材料之間的磁性差異，尤其是不銹鋼帶與非磁性鋁合金帶、磁性普通鋼帶之間的差異，這對(duì)于分析弱磁性問題非常有利。

表1 6 種鎧裝帶材的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù) nT

根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度和地磁場的磁場強(qiáng)度，通過公式（1）可推算出材料的磁導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率。 由于地磁場強(qiáng)度不穩(wěn)定，不易測量，因此采用一種等比例換算的方法確定相對(duì)磁導(dǎo)率。 已知IEC 60287 標(biāo)準(zhǔn)中給出的普通鋼帶的相對(duì)磁導(dǎo)率參考值為300，測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為88 195 nT，其他幾種材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度值分別為285，411，282，193，0.7 nT，按照比例進(jìn)行換算，得到各材料的相對(duì)磁導(dǎo)率參考值見表2。

表2 6 種鎧裝帶材的相對(duì)磁導(dǎo)率參考值

由表2 可知：不銹鋼帶相對(duì)磁導(dǎo)率均大于1，其中，不銹鋼帶3 的相對(duì)磁導(dǎo)率最大值為2.40，說明不銹鋼鎧裝帶材并非嚴(yán)格意義上的非磁性，均含有一定程度的弱磁性，弱磁性的相對(duì)磁導(dǎo)率范圍在1～3 之間。

1.4 加工后不銹鋼鎧裝帶材的磁性變化測試

不銹鋼帶經(jīng)去磁后磁性降到很低，但經(jīng)過長時(shí)間出廠并用于產(chǎn)品加工成型之后磁性是否有變化和回復(fù)，目前沒有相關(guān)數(shù)據(jù)可參考。 本工作進(jìn)一步對(duì)不銹鋼帶材經(jīng)加工后的磁性變化情況進(jìn)行了研究，這有利于行業(yè)內(nèi)對(duì)不銹鋼帶鎧裝的弱磁性特性有更加充分和全面的認(rèn)識(shí)。

考慮到不銹鋼帶經(jīng)繞包加工成電纜鎧裝層，后續(xù)又經(jīng)過彎曲成盤、放線、施工作業(yè)等多個(gè)環(huán)節(jié)，本工作在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)不銹鋼帶材進(jìn)行反復(fù)彎折50 次、卷曲50 次、敲擊50 次，靜置2 d 后，再以雙層繞包結(jié)構(gòu)在20 ℃下進(jìn)行磁性測試，得到的前后對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 不銹鋼帶加工前后磁性對(duì)比 nT

由表3 可以看出：不銹鋼帶經(jīng)過50 次彎折、卷曲和敲擊后，磁性并無明顯變化，可認(rèn)為不銹鋼帶在經(jīng)過電纜加工、施工等各實(shí)際環(huán)節(jié)作用后，鎧裝材質(zhì)依然保持了去磁后的優(yōu)良性能，并未出現(xiàn)技術(shù)人員猜測的磁性回復(fù)問題。

在不銹鋼帶材磁性穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上，繼續(xù)研究弱磁性對(duì)電纜損耗和載流量的影響。 目前，所有的標(biāo)準(zhǔn)均是以非磁性作為鎧裝層損耗和載流量的計(jì)算依據(jù)，從理論層面看，會(huì)產(chǎn)生一定程度的誤差；從工程層面看，也會(huì)產(chǎn)生一些問題難以判斷。 比如實(shí)際工況中，很多現(xiàn)場運(yùn)行的電纜出現(xiàn)異常發(fā)熱問題，技術(shù)人員懷疑和弱磁性有關(guān)，但由于無法直接測量，說明兩者之間的關(guān)系，導(dǎo)致沒有數(shù)據(jù)可供參考。 這是一個(gè)亟待研究的問題。

2 單芯電纜鎧裝弱磁性對(duì)損耗和載流量的影響

2.1 研究方法

單芯電纜鎧裝層磁性會(huì)導(dǎo)致鎧裝層損耗增加，引起渦流損耗，產(chǎn)生更多熱量，最終會(huì)導(dǎo)致電纜載流量降低［4］。 為了能準(zhǔn)確說明鎧裝弱磁性對(duì)單芯電纜損耗和載流量的影響，試驗(yàn)考察了兩種方法：一種是借助有限元仿真軟件進(jìn)行電纜的載流量和溫升仿真計(jì)算，從理論層面獲得結(jié)果；另一種是電纜載流量實(shí)測，將6 種鎧裝帶材分別制作成規(guī)格相同的單芯電纜進(jìn)行載流量和溫升測試，兩者互相驗(yàn)證后，確定最終結(jié)果。

2.2 仿真及計(jì)算

試驗(yàn)采用的電纜為YJV-8.7／15 kV， 1 ×185 mm2單芯電纜，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，單芯電纜規(guī)格參數(shù)見表4，表4 中參數(shù)為標(biāo)稱值，繞包結(jié)構(gòu)均為等效厚度。

根據(jù)單芯電纜的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立相關(guān)有限元仿真模型。 由于電纜為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在徑向上的切面均相同，因此可采用二維模型對(duì)電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，提高運(yùn)算效率［5］。 有限元仿真研究主要包括幾何建模、添加材料、施加負(fù)載、設(shè)置邊界條件、網(wǎng)格剖分、計(jì)算結(jié)果幾個(gè)步驟。 單芯電纜有限元仿真模型見圖2。

圖1 單芯電纜結(jié)構(gòu)示意圖

表4 單芯電纜規(guī)格參數(shù) mm

圖2 單芯電纜有限元仿真模型

非磁性鎧裝的電纜溫升和損耗計(jì)算：建立非磁性鎧裝的電纜模型，設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃，電纜在50 Hz、585 A 負(fù)載下，導(dǎo)體溫度為90.1 ℃，結(jié)果如圖3 所示，經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到的鎧裝層損耗為4.2 W·km-1。

弱磁性鎧裝的電纜溫升和損耗計(jì)算：取磁性最高的不銹鋼帶2 作為計(jì)算樣本，建立相對(duì)磁導(dǎo)率為2.4的不銹鋼帶鎧裝模型，設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃，在50 Hz、585 A 負(fù)載下，導(dǎo)體溫度為90.3 ℃，結(jié)果見圖4，經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到的鎧裝層損耗為9.8 W·km-1。

圖3 非磁性鎧裝電纜的穩(wěn)態(tài)溫升

圖4 弱磁性鎧裝電纜的穩(wěn)態(tài)溫升

磁性鎧裝的電纜溫升和損耗計(jì)算：為增加對(duì)比性，建立了普通鋼帶的磁性鎧裝電纜模型，設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃，在50 Hz、585 A 負(fù)載下，導(dǎo)體溫度為127 ℃，結(jié)果見圖5，經(jīng)計(jì)算得到鎧裝層的損耗為1 641.1 W·km-1。

圖5 磁性鎧裝電纜的穩(wěn)態(tài)溫升

幾種鎧裝電纜的仿真計(jì)算結(jié)果見表5。

由表5 可以看出：非磁性鎧裝、弱磁性鎧裝、磁性鎧裝電纜的鎧裝層損耗分別為4.2， 9.8，1 641.1 W·km-1，其穩(wěn)態(tài)溫升分別為90.1，90.3，127 ℃，說明磁性鎧裝對(duì)單芯電纜損耗和溫升產(chǎn)生了一定影響，但影響并不明顯，與非磁性鎧裝電纜相比，弱磁性鎧裝層損耗僅升高5.6 W·km-1，電纜導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度僅升高了0.2 ℃，該影響對(duì)于電纜載流量可以忽略。 但磁性鎧裝電纜損耗明顯增大，與非磁性鎧裝電纜相比，鎧裝層損耗增加1 636.9 W·km-1，電纜導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫升升高36.9 ℃，對(duì)于電纜運(yùn)行極其不利，這也是磁性材料不能作為單芯電纜鎧裝層的原因。

表5 仿真計(jì)算結(jié)果

為了能更全面地說明鎧裝層磁性與單芯電纜溫升之間的關(guān)系，進(jìn)一步對(duì)不同磁性下的電纜溫升進(jìn)行計(jì)算，建立相對(duì)磁導(dǎo)率1 ～50 之間的不銹鋼帶鎧裝模型，在環(huán)境溫度為20 ℃，50 Hz、585 A 負(fù)載下，得到鎧裝層磁性與單芯電纜溫升的影響關(guān)系曲線見圖6。

圖6 鎧裝層磁性與單芯電纜溫升的影響關(guān)系曲線

由圖6 可知：相同負(fù)載下，鎧裝層相對(duì)磁導(dǎo)率從1 上升至50，電纜導(dǎo)體溫度從90.1 ℃升高至100.2 ℃。 當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率為10 時(shí)，導(dǎo)體溫度為91 ℃，這說明相對(duì)磁導(dǎo)率在1 ～10 范圍內(nèi)，鎧裝層磁性對(duì)電纜溫升的影響不明顯；當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率在10～30 范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)電纜溫升略有影響，影響范圍在5 ℃以內(nèi)；當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率不小于30 時(shí)，導(dǎo)體溫度超過95 ℃，長期運(yùn)行會(huì)對(duì)電纜十分不利。

2.3 試驗(yàn)及驗(yàn)證

按照YJV-8.7／15 kV，1×185 mm2單芯電纜的結(jié)構(gòu)，制作鎧裝不同、規(guī)格相同的單芯電纜6 根，分別為不銹鋼鎧裝1、2、3、4、鋁合金鎧裝、普通鋼帶鎧裝電纜，分別取各段5 ～10 m 長度進(jìn)行載流量和溫升試驗(yàn)［6］，環(huán)境溫度為20 ℃。 為了減小環(huán)境和設(shè)備誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，將6 段電纜串聯(lián)后在相同環(huán)境、相同負(fù)載下測試，比較各段電纜的溫升情況。50 Hz、585 A 負(fù)載下各段電纜的溫升結(jié)果見表6。

表6 50 Hz、585 A 下溫升試驗(yàn)結(jié)果 ℃

由表6 可知：4 種不銹鋼帶鎧裝電纜和鋁合金帶鎧裝電纜在50 Hz、585 A 下的穩(wěn)態(tài)溫升基本接近，排除外界因素引起的誤差外，可認(rèn)為弱磁性造成的溫升完全可以被忽略，與仿真結(jié)果一致；而普通鋼帶鎧裝電纜溫升較高，為124.0 ℃，也與仿真結(jié)果較一致。

3 結(jié)束語

本工作對(duì)行業(yè)中普遍認(rèn)為的“非磁性”不銹鋼鎧裝進(jìn)行了磁性測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不銹鋼鎧裝并非嚴(yán)格意義上的非磁性，所含弱磁性的相對(duì)磁導(dǎo)率在1～3 之間。

不銹鋼帶經(jīng)過反復(fù)彎折、卷曲、纏繞疊加、敲擊等加工處理后，未出現(xiàn)磁性回復(fù)現(xiàn)象，依然保持了良好的脫磁特性，相對(duì)磁導(dǎo)率保持不變。

試驗(yàn)結(jié)果表明：市售的不銹鋼帶相對(duì)磁導(dǎo)率在10 以內(nèi)時(shí)，對(duì)單芯中壓電力電纜的損耗和發(fā)熱幾乎無影響，計(jì)算載流量時(shí)可用非磁性鎧裝進(jìn)行等效計(jì)算；當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率大于10 時(shí)，應(yīng)考慮弱磁性對(duì)電纜損耗和載流量造成的影響，制定相應(yīng)的不銹鋼帶弱磁性性能標(biāo)準(zhǔn)。