王國忠
(江蘇通光強(qiáng)能輸電線科技有限公司,江蘇 海門226100)
隨著光纖復(fù)合電纜的推廣應(yīng)用,復(fù)合纜的電壓已從低壓發(fā)展到中壓、高壓。日前,中國電力科學(xué)研究院組織起草《光纖復(fù)合中壓電纜》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的會(huì)議就能說明這一發(fā)展趨勢。光纖復(fù)合電纜無非是在電力電纜內(nèi)復(fù)合了光纖單元,使得實(shí)現(xiàn)電力傳輸?shù)耐瑫r(shí),還具有光通信的功能。在光纖復(fù)合電纜中,電力線芯的結(jié)構(gòu)由于GB/T 12706標(biāo)準(zhǔn)已作了規(guī)定,基本不需考慮,而光單元的結(jié)構(gòu)卻有多種選擇,一些用戶從最初的只選用全介質(zhì)光單元,現(xiàn)已根據(jù)使用條件,要求選用非磁性金屬材料結(jié)構(gòu)。在討論光纖復(fù)合電纜中光單元結(jié)構(gòu)時(shí),常聽到“光單元應(yīng)選用非金屬結(jié)構(gòu),否則,如果使用金屬材料,由于交變電場作用,會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢”的說法。本文將通過光纖復(fù)合三芯電纜非磁性金屬光單元感應(yīng)電勢的計(jì)算,說明這種說法不完全正確。光單元可以選用非磁性金屬材料結(jié)構(gòu)。
圖1為光纖復(fù)合三芯電纜非磁性金屬光單元至各相線芯之間的中心距離。
圖1 非磁性金屬光單元至各相線芯之間的中心距離
在圖1中,P表示含有非磁性金屬材料的光單元,A、B、C是三相絕緣線芯。光單元可以看成一根和三相線芯A、B、C平行的導(dǎo)體。這四根導(dǎo)體相互間的中心距離以比率表示,即線芯AB、BC和CA之間的中心距離分別為S、mS、nS;光單元P與線芯A、B、C之間的中心距離分別為D、βD和αD。非磁性金屬材料構(gòu)成的光單元P與線芯電流間的磁通按電工原理為:
式中,GMRP為光單元P的幾何平均半徑,其單位和D相同。
因此,光單元P與A、B、C三相線芯間的磁通總和為:
將此三相電流代入式(1),得:
根據(jù)參考文獻(xiàn)[2],光單元通常放置在復(fù)合纜內(nèi)邊隙處,見圖2。
圖2 光單元放置的位置
設(shè)成纜前絕緣線芯(含可能有的屏蔽及分相護(hù)套)直徑為d,利用平面幾何知識(shí),不難推得,如果光單元放置在三相絕緣導(dǎo)體的任一邊緣空隙處,則允許的最大直徑為:
近似計(jì)算取dp≈0.48d。在光纖復(fù)合電纜中,光單元直徑一般都小于dp值?,F(xiàn)假定放置的光單元中心就在圖2所示的允許最大直徑的圓心處,光單元的中心距復(fù)合纜中心的距離為:
近似計(jì)算取r≈0.84d。這樣,對于圖1來說,βD=D,即β=1。式(2)可簡化為:
式(7)除以式(6),得:
將式(8)數(shù)值代入式(5)得:
當(dāng)光單元只在一端接地時(shí),復(fù)合纜單位長度上光單元的感應(yīng)電勢為:
復(fù)合纜的型號(hào)規(guī)格為OPMC-YJV-8.7/10 3×150+12B1,光單元采用12芯G 652D單模光纖的 3.0不銹鋼束管。如果電纜的持續(xù)載流量為400 A,當(dāng)光單元一端接地時(shí),其感應(yīng)電勢 UP為0.0 148 V/m。
計(jì)算結(jié)果表明,電流為400 A時(shí),光單元中感應(yīng)電勢僅為14.8 V/km。一般來說,光纖復(fù)合電纜的單根長度小于1 km,電纜載流量不大于1 000 A,這樣,光單元的感應(yīng)電勢均在安全范圍內(nèi)。如果光單元兩端接地,則有感應(yīng)電流流過。由于非磁性金屬材料構(gòu)成的光單元直流電阻一般都較大,以外徑 3.0、管壁厚度0.2 mm的不銹鋼束管為例,測得其20℃時(shí)直流電阻約為399Ω/km。再考慮到接地電阻,光單元中的感應(yīng)電流不大于35 mA。這樣,感應(yīng)電勢和電流都可忽略不計(jì)。
光纖復(fù)合電力電纜中,光單元使用非磁性金屬材料結(jié)構(gòu),如不銹鋼束管或縱包鋁塑復(fù)合帶,其感應(yīng)電勢較小,影響可忽略。因此,在光纖復(fù)合電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),“光單元應(yīng)選用非金屬結(jié)構(gòu),否則,如果使用金屬材料,由于交變電場作用,會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢”的說法不完全正確。光單元除可以使用全介質(zhì)結(jié)構(gòu)外,也可以使用非磁性金屬材料結(jié)構(gòu),可根據(jù)具體的應(yīng)用場合選用。當(dāng)然,如果光單元選擇磁性材料,如在光單元外施加磁性的鍍鋅鋼絲作加強(qiáng)件,由于渦流損耗等原因,應(yīng)慎用。
[1]鄭肇驥,王琨明,高壓電纜線路[M].北京:水利電力出版社,1983.
[2]王國忠.海底光纖復(fù)合電力電纜的開發(fā)[J].電線電纜,2005(6):12-14.