改善高壓單芯電纜載流量的方法

張桂鋒

摘 要：從高壓單芯電纜線路的工程設計角度，提出改善電纜載流量的一些方法，包括采用合理的電纜排列配置方式、采用合理接地方式和分段長度、降低敷設環(huán)境溫度、降低電纜外部熱阻和采用合理敷設方式，并且對上述方法進行計算分析，統(tǒng)計其對電纜載流量的影響程度，從而讓設計人員在工程實際中，清楚知道采用哪種方法更能有效的改善電纜載流量。

關鍵詞：載流量 環(huán)境溫度 渦流損耗 環(huán)流損耗 熱阻 接地方式 敷設方式

中圖分類號：TM247 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0189-02

隨著經濟發(fā)展，城鎮(zhèn)化進一步擴大，大中城市電力網中，電力電纜的使用越來越多，但其造價相較于架空線路要高出許多，因此，改善電纜載流量，減少電纜線路的投資具有非常現實的經濟效益。

電纜允許持續(xù)載流量，是指電纜在導體允許最高工作溫度下長期運行的載流量。理論上，改善電纜載流量方法：（1）增大電纜載流截面積。（2）提高主絕緣工作溫度。（3）提高主絕緣工作場強，減少絕緣厚度。（4）采用低介損材料，減少介質損耗。（5）采用低熱阻材料，加快導體散熱。以上方法均從電纜材料方面來改善電纜載流量，但目前對于不同截面高壓單芯電纜的材料和結構都是相對固定的定型產品，同時受工作屬性和研究方向的局限，以上方法對設計不具備現實的指導意義。但對于設計人員，可采用以下方法改善電纜的載流量：（1）采用合理的電纜排列配置型式，減少金屬套渦流損耗。（2）采用合理接地方式和分段長度，減少金屬套環(huán)流損耗；（3）降低敷設環(huán)境溫度，提高高于環(huán)境溫度的導體允許溫升。（4）降低電纜外部熱阻，改善電纜外部散熱環(huán)境，提高電纜載流量。（5）采用合理敷設方式，改善電纜載流量。下面對設計人員改善電纜載流量的方法做詳細分析。

1 改善載流量的方法

1.1 采用合理的電纜排列配置方式

電纜排列配置方式不同，主要對金屬護套的渦流損耗有影響，現以額定電壓127/220 kV、單芯、分割銅導體標稱截面積1200 mm2、交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁套聚乙烯護套縱向阻水，型號為YJLW03-Z 127/2201×1200的電力電纜為例，對一回、二回、三回、四回等電纜的不同排列配置型式的渦流損耗λ″做一比較。為簡化工程計算，同一回路的相間距離和不同回路的間距都取同一值330 mm。詳細見下表1220 kV單芯電纜不同排列配置型式下的渦流損耗λ″。

從表1中，不難看出：一回電纜采用直角三角形布置渦流損耗最小，采用品字型或三葉型布置渦流損耗最大。二回電纜平列一層相序正向布置渦流損耗小，相序反向渦流損耗大；二回電纜層疊相序反相渦流損耗小，相序正向渦流損耗大。三回電纜層疊對應第二層相序反向渦流損耗小，相序正向渦流損耗大。四回電纜層疊對應第二或第三層相序反向渦流損耗小，相序反向渦流損耗大。

現對渦流損耗的電纜載流量的影響進行分析計算，以表1中的二回電纜層疊二層的相序正向和反向的1200 mm2單芯220 kV電纜為例，當采用相序正向排列時，電纜載流量為917.3 A，當采用相序反向排列時，電纜載流量為975.3 A，由于采用相序排列配置的不同，電纜載流量相差6.32%。因此，若采用正序排列時的電纜載流量已滿足系統(tǒng)要求，那么1000 mm2截面的電纜采用反序排列也能滿足系統(tǒng)載流量的要求。

1.2 采用合理接地方式和分段長度

采用金屬套單點接地的接地方式，能防止電纜金屬護套產生環(huán)流；采用交叉互聯(lián)的接地方式，且每個交叉互聯(lián)段內的分段長度均等時，交叉互聯(lián)段內電纜的正常感應電壓各相之和應為零，從而電纜的環(huán)流損耗λ`為零。

對某單回共一段L=300 m長的上述1200 mm2單芯220 kV電纜線路為例，若采用單點接地方式時，電纜的環(huán)流損耗λ`=0，電纜載流量I=1141.7 A；但若采用兩端直接接地方式時，電纜的環(huán)流損耗λ`=1.744，電纜載流量I=867.4 A，電纜載流量相對減少24.0%。

對某單回共三段，采用交叉互聯(lián)接地方式且分段均勻的上述1200 mm2單芯220 kV電纜線路為例，電纜的環(huán)流損耗λ`≈0，電纜載流量I=1147.7 A；但若該回電纜的分段長度不等，L1=500 m，L2=550 m，L3=700 m時，將產生剩余的感應電壓，導致該回電纜線路具有環(huán)流損耗λ`=0.036，電纜載流量I=1134.8 A，電纜載流量減少1.1%。

已知上述單回電纜平列布置，相間距S=330 mm，電纜金屬層的平均半徑r=115.05 mm，金屬套電阻RS=3.657×10-5 Ω/m，最高工作溫度下單位長度的交流電阻R=2.008×10-5 Ω/m。

根據上述例證，對于110 kV及以上高壓單芯電纜，金屬護套應采用單點接地或交叉互聯(lián)接地的接地方式，且交叉互聯(lián)段內電纜長度應盡量均分。采用這樣的接地方式，能有效減少電纜金屬護套的環(huán)流損耗，提高電纜載流量。

1.3 降低敷設環(huán)境溫度

電纜周圍環(huán)境溫度越低，高于環(huán)境溫度的導體允許溫升越高，電纜載流量越大。但對于電纜所經區(qū)域，溫度一定，正常情況下無法改變環(huán)境溫度，但選擇電纜路徑時，可遠離有熱源的區(qū)域，盡量選擇地溫較低的地理位置。

對某一地區(qū)，不同埋深處的地溫是不同的，如廣東省代表性城市8月份不同深度下的平均地溫，如表2所示。

現以廣州地區(qū)8月份的平均地溫為例，對不同埋深下，直埋、單回平列布置1200 mm2單芯220 kV電纜的載流量進行計算，統(tǒng)計情況如表3所示。

從表3可統(tǒng)計出環(huán)境溫度每降低1 ℃，電纜載流量增加9.4～9.6 A，增加幅度約為8.0‰～8.5‰。

從上述分析可知，環(huán)境溫度對電纜載流量的影響還是很大的，若環(huán)境溫度相差8 ℃～10 ℃時，電纜載流量可相差6.5%～8.1%，電纜標稱截面積的選取將相差一個等級。

1.4 降低電纜外部熱阻

對于敷設在土壤中的電纜，其外部熱阻T4正比于土壤熱阻系數，土壤熱阻系數越大，電纜外部熱阻越大，載流量越小?，F對同一地溫下，不同土壤熱阻系數直埋敷設的1200 mm2單芯220 kV電纜載流量作一比較。詳細見下表4所標。

從表4中可看出，當土壤熱阻系數不同時，對電纜載流量的影響很大，因此，采用低熱阻系數的回填土非常重要?，F今珠三角地區(qū)常規(guī)的回填土主要為細沙，其熱阻系數一般在1.2 K·m/W左右，但其會隨水分遷移發(fā)生波動。

為降低外部熱阻，國外早有通過回填低熱阻介質和向排管內泵入導熱介質以改善直埋和排管敷設電纜的散熱條件，提高電纜載流量的應用，如美國、英國和香港等。低熱阻填充介質具有熱阻系數（0.17～0.49 K·m/W）、保水能力強、狀態(tài)穩(wěn)定和對電纜無傷害等優(yōu)點，目前低熱阻電纜填充介質有應用于廣州供電局、佛山供電局等地區(qū)的部分220 kV、110 kV和10 kV電纜工程中，運行情況良好。對填充低熱阻介質（按0.4 K·m/W考慮）和填充細沙的1200 mm2單芯220 kV電纜線路，其載流量相差超過24%以上，效果是明顯的。

現以1200 mm2單芯220 kV單回電纜線路為例，當采用排管敷設時，已知排管外徑280 mm、管厚18 mm、熱阻系數為4.6 K·m/W，電纜載流量為1052.5 A；當排管內導入低熱阻介質后，低熱阻介質熱阻系數按 0.4 K·m/W取值，電纜載流量為1099.1 A，載流量增加了4.4%。

對于大型的電纜溝，若全部填充低熱阻填充介質，造價將非常高，因此，可考慮在電纜載流量的瓶頸段排管處導入低熱阻填充介質，以均衡全線電纜載流量。

1.5 采用合理敷設方式

電纜在不同敷設方式下，其回路間距、相間距、相序布置、環(huán)境溫度和外部熱阻等因素，對電纜載流量都有不同程度的影響。但對于同一電纜線路，為便于計算，其環(huán)境溫度、土壤熱阻、回路間距和相間距一般均取相同值，主要影響電纜載流量的因素是外部熱阻。外部熱阻分為在空氣中敷設，不受日光直接照射和受日光直接照射的外部熱阻；埋地電纜的外部熱阻；在沖沙電纜溝中的外部熱阻；在排管中的外部熱阻等?，F對埋地電纜，不同敷設方式下的電纜載流量列于表5。

計算條件：埋深0.8 m，相鄰電纜之間軸線距離330 mm，單點接地或交叉互聯(lián)接地，土壤熱阻1.2 K·m/W，排管熱阻4.6 K·m/W，最高地溫29.1 ℃。全文載流量計算沒有特別說明均按該條件進行計算。

從表5中可看出，在相同回路情況下，槽盒直埋電纜的載流量要優(yōu)于排管直埋的敷設方式，而且在單回情況下，載流量相差 7.8%，雙回情況下相差4.9%。因此，在選擇電纜敷設方式時，應盡量少用電纜排管的敷設方式，若不得已采用，也可通過2.4節(jié)所述，在導管內注入低熱阻填充介質，改善電纜在排管內的散熱，提高電纜載流量。

2 結語

根據上述分析，改善電纜載流量的方法有很多，設計人員可根據工程實際情況，采用適合該工程的方法，做到滿足電力輸送容量的前提下，盡量選擇小截面電纜，減少工程投資。

參考文獻

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