110kV單芯海纜鎧裝損耗試驗研究

張 磊，鄭新龍，宣耀偉，章正國，何旭濤

(國網(wǎng)舟山供電公司，浙江 舟山316000)

0 引言

隨著沿海城市和島嶼經(jīng)濟的發(fā)展，海底電纜已成為海島電力輸送的重要途徑。為便于敷設(shè)和機械保護，鎧裝是海底電纜至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)元件，這也是區(qū)別于陸地電纜的主要特征之一。

為保證足夠大的導(dǎo)電線芯面積和機械抗拉力，許多海纜線路采用單芯的結(jié)構(gòu)方式［1］。然而當單芯海纜導(dǎo)體通過大電流時，會在鎧裝和金屬護套(鉛包)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而線芯電流交變產(chǎn)生變化的磁場，會在金屬護套及鎧裝上形成渦流，產(chǎn)生渦流損耗［2-3］。由于海纜運行環(huán)境的特殊性，鎧裝及金屬護套只能在海纜線路的兩端各自互聯(lián)接地，由此產(chǎn)生的環(huán)流會引起很大的損耗［4-6］。金屬護套損耗和鎧裝層損耗是單芯鎧裝電纜頻發(fā)故障的主要原因。

文獻［7］利用2.5維有限元分析建模方法，對三芯海纜鎧裝損耗進行了仿真計算，并與IEC標準計算方法進行對比。同時對245 kV和12 kV兩條海纜進行了試驗測試，驗證了2.5維有限元分析建模方法的可靠性，但是未涉及單芯海纜的鎧裝損耗。國內(nèi)關(guān)于海纜鎧裝損耗的試驗研究及文獻資料較少。文獻［8］對磁性不銹鋼絲編織鎧裝的損耗進行了實驗研究，然而其試驗數(shù)據(jù)包含變壓器部分，誤差較大，且對鉛包及鎧裝的感應(yīng)電壓未有涉及。

本文對鋼絲鎧裝海纜進行了通流試驗，在不同工況下研究鉛包及鎧裝的開路感應(yīng)電壓、短路感應(yīng)電流以及海纜損耗。

1 試驗條件

試驗場設(shè)備包括:電纜熱循環(huán)試驗加熱測控系統(tǒng);功率測試儀;鉗形電流表;低電阻測試儀。

現(xiàn)場試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

水槽長30 m，寬3.6 m，注入水深1.2 m。試驗環(huán)境空氣溫度9.8℃，水溫8.0℃。

試驗樣品:

(1)樣品描述。HYJQF41-64/110-1×500光電復(fù)合單芯海底電力電纜，長約195 m。經(jīng)測試，線芯導(dǎo)體電阻7.6 mΩ。

(2)樣品處理。海纜首尾連接、修復(fù)處理。為消除穿心變對鎧裝及鉛護套的影響，穿心變兩側(cè)海纜斷開其鎧裝和鉛護套，保持纖芯導(dǎo)體連接?？紤]到鉛護套及鎧裝的短路及開路試驗，將兩者引出接線。經(jīng)測試，鎧裝電阻28.9 mΩ，鉛包電阻69.4 mΩ。

2 試驗內(nèi)容

若將穿心變與海纜看作一臺變壓器，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。本試驗內(nèi)容有:

(1)使用穿心變對海纜施加大電流，當海纜導(dǎo)體電流達到設(shè)定值后，分別測試鉛包、鎧裝的開路感應(yīng)電壓以及兩者并聯(lián)后的開路感應(yīng)電壓;

(2)使用穿心變對海纜施加大電流，當海纜導(dǎo)體電流達到100 A及200 A時，分別在鎧裝及鉛護套開路以及短路的不同工況下，使用功率測試儀在副邊AB端口測取海纜損耗;

(3)在鉛包鎧裝回路串入電阻后，測試海纜損耗，并與未串電阻時的情況進行比較。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 開路感應(yīng)電壓測試

由單芯電纜構(gòu)成的交流傳輸系統(tǒng)中，電纜導(dǎo)體和金屬護套間的關(guān)系可以看作一個空心變壓器。電纜導(dǎo)體相當于一次繞組，而金屬護套相當于二次繞組。單芯電纜金屬護套處于導(dǎo)體電流的交變磁場中，因而在金屬護套中產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動勢［9］。

金屬護套的感應(yīng)電壓為:

式中，M為導(dǎo)體電流對金屬護套的互感;I為線芯導(dǎo)體電流。

控制穿心變，當線芯電流在100～600 A時，測試鉛包、鎧裝以及兩者并聯(lián)后兩端感應(yīng)電壓，結(jié)果見表1。

根據(jù)式(1)，對表1數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到:U鉛=0.0688I導(dǎo);U鎧=0.0668I導(dǎo);U并聯(lián)=0.0513I導(dǎo)。

繼而得到:M鉛=0.2191mH;M鎧=0.2126mH;M并聯(lián)=0.1633mH。

以上參數(shù)的下標中，導(dǎo)表示導(dǎo)體回路，鉛表示鉛包回路，鎧表示鎧裝回路，并聯(lián)表示鉛包和鎧裝AB端并聯(lián)后的回路，在下文中的用法意義相同。其中M鉛表示線芯回路與鉛包回路的互感，M鎧表示線芯回路與鎧裝回路的互感，M并聯(lián)表示線芯回路與鉛包鎧裝兩端并聯(lián)后回路的互感。

以上試驗驗證了鉛包、鎧裝受線芯導(dǎo)體電流的影響產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)推算出鉛包、鎧裝與線芯導(dǎo)體之間的互感大小。

3.2 不同工況下海纜損耗測試

在穿心變中穿入鋼絲鎧裝海纜，穿心變線圈作為一次側(cè)，穿心變內(nèi)的海纜導(dǎo)體作為二次側(cè)，分別測試海纜在鎧裝及鉛護套開路以及短路時的二次側(cè)有功功率，即為該工況下的海纜損耗。

保持導(dǎo)體電流100A時，四種情況的測試數(shù)據(jù)如表2。

表2 導(dǎo)體電流100A時的感應(yīng)電流及損耗測試數(shù)據(jù)

此時導(dǎo)體的損耗根據(jù)P導(dǎo)=導(dǎo)，式中R導(dǎo)=7.6 mΩ，因此導(dǎo)體損耗的有功功率P導(dǎo)約為76W。

保持導(dǎo)體電流200A，四種情況的測試數(shù)據(jù)如表3。

此時導(dǎo)體損耗的有功功率約為304 W。

鎧裝電阻28.9 mΩ，鉛包電阻69.4 mΩ，鉛包為非導(dǎo)磁材料，忽略其渦流損耗。則在鉛包、鎧裝均短路的情況下:

導(dǎo)體電流100 A時，P導(dǎo)=76 W，P鉛=93.47 W，P鎧環(huán)流=76.35 W，P鎧渦流=10.18 W;

表3 導(dǎo)體電流200A時的感應(yīng)電流及損耗測試數(shù)據(jù)

導(dǎo)體電流200 A時，P導(dǎo)=304 W，P鉛=371.86 W，P鎧環(huán)流=298.32 W，P鎧渦流=59.82 W。

其中，P鎧環(huán)流表示鎧裝回路的環(huán)流損耗，P鎧渦流表示鎧裝回路的渦流損耗。從表1、表2及計算數(shù)據(jù)可知，當鎧裝或者鉛護套短接時，二次側(cè)有功消耗大幅度增長。在三種短接方式中，鉛包鎧裝均短路所產(chǎn)生的損耗最小;鉛包短路、鎧裝開路所產(chǎn)生的損耗最大。另外，鎧裝、鉛包單獨短接時產(chǎn)生的感應(yīng)電流均大于兩者并聯(lián)后短接時分別產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小。由此可以判斷，鉛包鎧裝并聯(lián)短接后，兩者產(chǎn)生的環(huán)流有相互抵消的作用。

當金屬護層(鉛包)中存在感應(yīng)電流通過時，作用在鎧裝層上的電流就不僅僅是線芯電流，而是上述兩個電流的相量和，圖2是兩電流的相量關(guān)系。

圖2 線芯電流與金屬護層感應(yīng)電流的相量圖

3.3 鉛包鎧裝回路串聯(lián)電阻后的損耗測試

通過變頻信號發(fā)生器對實驗電阻測試，得出所串電阻器的參數(shù):電阻R=1.32Ω，電感L=400 mH，阻抗Z=1.35Ω，將兩個電阻器并聯(lián)后串入鉛包鎧裝回路。試驗數(shù)據(jù)如表4。

表4 海纜損耗測試數(shù)據(jù)對比

表4中，I為導(dǎo)體電流;P為AB端，即海纜有功功率;S為AB端視在功率;Q為AB端無功功率;U為AB端口電壓;PF為功率因數(shù)，即為P/S。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，有以下分析:

(1)在同種運行模式下，線芯導(dǎo)體電流越大則海纜的損耗也越大。在導(dǎo)體電流相同的情況下，鉛包鎧裝回路串聯(lián)電阻后，海纜的有功損耗下降明顯。同時，線芯電流較小時串聯(lián)電阻后海纜損耗下降幅度較大，反之則下降幅度較小。例如線芯電流50 A時，鉛包鎧裝回路串入0.5 R電阻，總損耗下降32.8%;而線芯電流300 A時，鉛包鎧裝回路串入0.5 R電阻，總損耗下降18.4%。如圖3所示。

圖3 串聯(lián)電阻后海纜損耗下降曲線

另一方面，在線芯電流相同情況下，鉛包鎧裝回路串入電阻對于鉛包感應(yīng)電流影響較大，該電流下降明顯。

(2)鉛包鎧裝回路串入電阻，直接改變了海纜的電氣特性，由于P=Scosφ，則無電阻時功率因數(shù)為0.652，串入0.5R電阻后，海纜的功率因數(shù)為0.23左右，而且隨著線芯電流增大而小幅增大。

(3)鉛包鎧裝回路串入電阻，使鉛包鎧裝干路上的電流大幅下降，例如串聯(lián)0.5R電阻后，鉛包鎧裝回路電流下降幅度達到88%，這是損耗下降的主要原因(如圖4)。

圖4 串聯(lián)電阻后鉛包鎧裝干路電流下降曲線

(4)鉛包鎧裝回路串入電阻后，鉛包、鎧裝電流大幅度下降，對應(yīng)的鉛包損耗也大幅下降，以致于相對導(dǎo)體損耗來說可以忽略;然而由于鉛包電流的下降，鎧裝層失去了鉛包層的屏蔽，直接受導(dǎo)體電流的電磁感應(yīng)，其渦流損耗大幅增加，因此鎧裝層的整體損耗與導(dǎo)體損耗相當。

4 結(jié)論

本文借助海洋實驗基地，以生產(chǎn)中應(yīng)用較多的HYJQF41-64/110-1×500光電復(fù)合單芯海底電力電纜為例，對海纜進行了通流試驗，發(fā)現(xiàn)了鉛包及鎧裝上存在感應(yīng)電動勢，并伴隨著較大的損耗。本文對生產(chǎn)運行中的突出問題——鎧裝損耗進行了初步的試驗研究，得出了一些重要的信息和結(jié)論，為進一步的研究與工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

(1)驗證了鉛包、鎧裝上的感應(yīng)電動勢由線芯電流而產(chǎn)生，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)推算出被試海纜中鉛包、鎧裝與線芯導(dǎo)體之間的互感值。

(2)通過鉛包、鎧裝分別在開路、短路不同運行方式下的海纜損耗試驗，認為鉛包電流對導(dǎo)體電流有屏蔽作用，可減少導(dǎo)體電流對鎧裝的影響。

(3)在鉛包鎧裝回路串入電阻后會減小鉛包鎧裝干路上的電流，其中鉛包電流下降幅度較大，這也是海纜損耗減小的主要原因。

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