大截面高壓電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型

李 磊

（蘇州特雷卡電纜有限公司，江蘇 蘇州215131）

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市用電負(fù)荷逐年攀升，大量高壓電纜投入使用，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求［1-3］，800 mm2以上大截面高壓電纜導(dǎo)體需要采用分割結(jié)構(gòu)，以降低導(dǎo)體的集膚效應(yīng)，從而降低導(dǎo)體交流電阻和損耗，提高高壓電纜輸送容量。

目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于高壓電纜分割導(dǎo)體主要采用5分割或6分割結(jié)構(gòu)［4-5］，導(dǎo)體一般采用裸銅線或鋁線，并通過反向絞合進(jìn)行分割導(dǎo)體制造。國(guó)內(nèi)同時(shí)對(duì)大截面高壓電纜導(dǎo)體交流電阻優(yōu)化進(jìn)行了研究［6-7］，包括不同的導(dǎo)體類型、導(dǎo)體表面處理和不同的絞合方式對(duì)導(dǎo)體交流電阻的影響，以及集膚效應(yīng)因數(shù)的驗(yàn)證等。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于大截面高壓電纜導(dǎo)體交流電阻及載流量的計(jì)算多依據(jù)JB／T 10181.11—2014，該 標(biāo) 準(zhǔn) 等 同 于IEC 60287-1-1：2006，由于IEC 60287-1-1在2014年進(jìn)行了修訂［8］，從而造成JB／T 10181.11滯后于IEC 60287-1-1。同時(shí)，絕緣單絲分割導(dǎo)體電纜已經(jīng)在國(guó)外工程中得到了很多應(yīng)用，其中我公司生產(chǎn)的絕緣單絲銅分割導(dǎo)體的230 kV 2 500 mm2和138 kV 2 500 mm2高壓電纜已經(jīng)成功應(yīng)用于菲律賓輸電項(xiàng)目。

本工作根據(jù)IEC 60287-1-1：2014修訂版標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)220 kV 800 mm2和2 500 mm2不同導(dǎo)體類型的高壓電纜進(jìn)行導(dǎo)體交流電阻和載流量的計(jì)算，從而助力于國(guó)內(nèi)大截面高壓電纜導(dǎo)體的優(yōu)化。

1 導(dǎo)體交流電阻

根據(jù)IEC 60287-1-1，導(dǎo)體交流電阻計(jì)算如下：

式中：R為導(dǎo)體在最高工作溫度時(shí)的交流電阻；R′為導(dǎo)體在最高工作溫度時(shí)的直流電阻；ys為集膚效應(yīng)因數(shù)；yp為鄰近效應(yīng)因數(shù)。

式中：R0為導(dǎo)體20℃時(shí)的直流電阻；α20為20℃時(shí)的銅電阻率溫度系數(shù)，為0.003 93 K－1；θ為導(dǎo)體最高工作溫度，由于國(guó)內(nèi)高壓電纜多采用交聯(lián)聚乙烯絕緣，因此θ值取90℃。

式中：xs為計(jì)算集膚效應(yīng)時(shí)所用貝塞爾函數(shù)的自變量；ks為計(jì)算xs時(shí)所用的因數(shù)，對(duì)于不同類型的電纜銅導(dǎo)體，其值見表1。

式中：xp為計(jì)算鄰近效應(yīng)時(shí)所用貝塞爾函數(shù)的自變量；dc為導(dǎo)體直徑；S為導(dǎo)體軸線之間的距離，本工作統(tǒng)一取值300 mm。同時(shí)，式（5）適用于三芯

或三根單芯圓形導(dǎo)體電纜鄰近效應(yīng)的計(jì)算，即適用于常用的高壓電纜。

式中：kp為計(jì)算xp時(shí)所用的因數(shù)，對(duì)于不同形狀的電纜導(dǎo)體，其值見表1。

根據(jù)IEC 60287-1-1，對(duì)于不同形狀的銅導(dǎo)體，其ks和kp見表1。另外，由于目前國(guó)內(nèi)高壓電纜主要采用交聯(lián)聚乙烯絕緣，因此表1僅引用與之相關(guān)的ks和kp數(shù)值。

表1 不同類型銅導(dǎo)體的k s和k p值

1.1 800 mm2導(dǎo)體交流電阻

800 mm2導(dǎo)體通常采用緊壓圓形或者分割圓形結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用反向絞合工藝制造，即采用表2中1號(hào)或4號(hào)類型。根據(jù)IEC 60287-1-1，800 mm2銅導(dǎo)體交流電阻的計(jì)算值見表2。對(duì)于導(dǎo)體直徑dc，根據(jù)公司經(jīng)驗(yàn)，1號(hào)導(dǎo)體外徑為34.0 mm，2號(hào)導(dǎo)體外徑為35.7 mm，3號(hào)導(dǎo)體外徑為35.1 mm，4號(hào)導(dǎo)體外徑外為34.8 mm。

表2 不同類型800 mm2銅導(dǎo)體的交流電阻

由表2可知：對(duì)于800 mm2截面導(dǎo)體，2號(hào)導(dǎo)體交流電阻最小，1號(hào)最大，其中2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)分別比1號(hào)降低8.06%，5.48%，3.23%；2號(hào)、3號(hào)比4號(hào)降低5.00%，2.33%。

1.2 2 500 mm2導(dǎo)體交流電阻

2 500 mm2導(dǎo)體通常采用分割圓形結(jié)構(gòu)，根據(jù)IEC 60287-1-1，2 500 mm2銅導(dǎo)體的交流電阻計(jì)算值見表3。對(duì)于導(dǎo)體直徑dc，根據(jù)公司經(jīng)驗(yàn)，5號(hào)導(dǎo)體外徑為62.5 mm，6號(hào)導(dǎo)體外徑為61.6 mm，7號(hào)導(dǎo)體外徑為61.0 mm。

表3 不同類型2 500 mm2銅導(dǎo)體的交流電阻

由表3可知：對(duì)于2 500 mm2截面導(dǎo)體，5號(hào)導(dǎo) 體交流電阻最小，7號(hào)最大，其中5號(hào)、6號(hào)比7號(hào)分別降低22.73%，9.09%。

綜合以上可知，對(duì)于800 mm2導(dǎo)體，采用絕緣單絲和圓形分割導(dǎo)體的交流電阻比緊壓圓形導(dǎo)體降低8.06%；對(duì)于2 500 mm2分割導(dǎo)體，采用絕緣單絲和同向絞合導(dǎo)體的交流電阻分別比反向絞合裸單絲導(dǎo)體降低22.73%和9.09%。因此，對(duì)于大截面分割導(dǎo)體來說，采用絕緣單絲（導(dǎo)體表面絕緣處理，包括氧化、漆包線等）和同向絞合工藝，可有效降低導(dǎo)體的交流電阻。

2 高壓電纜載流量計(jì)算

為了考察銅導(dǎo)體類型對(duì)電纜載流量的影響，電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18890.2要求［2］，采用交聯(lián)聚乙烯絕緣、皺紋鋁護(hù)套和聚乙烯外護(hù)套，只有導(dǎo)體類型有區(qū)別。

按照IEC 60287要求，分別計(jì)算空氣中和直埋情況下高壓電纜的載流量。對(duì)于空氣中敷設(shè)，設(shè)定空氣溫度為40℃、電纜平行敷設(shè)、電纜軸向間距為300 mm；直埋時(shí)，設(shè)定土壤溫度為25℃、電纜平行敷設(shè)、電纜軸向間距為300 mm、電纜埋深為1.2 m、土壤熱阻系數(shù)為1.2 K·m／W。

2.1 800 mm2高壓電纜的載流量

本工作計(jì)算了220 kV 800 mm2電纜不同類型銅導(dǎo)體的載流量，其中電纜僅導(dǎo)體類型有所差別，載流量計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 220 kV 800 mm2電纜不同類型銅導(dǎo)體的載流量

由表4可知：對(duì)于220 kV 800 mm2的高壓電纜，在相同的敷設(shè)環(huán)境下，2號(hào)的載流量比1號(hào)提高了5.17%和4.38%，3號(hào)、4號(hào)的載流量也有所提高，但是不明顯。

2.2 2 500 mm2高壓電纜的載流量

本工作計(jì)算了220 kV 2 500 mm2電纜不同類型銅導(dǎo)體的載流量，其中電纜僅在導(dǎo)體類型有所差別，載流量計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 220 kV 2 500 mm2電纜不同類型銅導(dǎo)體的載流量

由表5可知：對(duì)于220 kV 2 500 mm2的高壓電纜，在相同的敷設(shè)環(huán)境下，在空氣和土壤中敷設(shè)，5號(hào)導(dǎo)體的電纜載流量比7號(hào)提高了12.33%和11.11%，6號(hào)導(dǎo)體的電纜載流量比7號(hào)提高了4.56%和4.13%。

綜合以上，對(duì)于220 kV 800 mm2高壓電纜，絕緣單絲、分割導(dǎo)體的載流量相對(duì)于緊壓圓形導(dǎo)體載流量提高了4%～5%；對(duì)于更大截面的2 500 mm2分割導(dǎo)體高壓電纜，絕緣單絲絞合導(dǎo)體的載流量提高更加明顯，而同向絞合裸單絲導(dǎo)體相對(duì)于反向絞合裸單絲導(dǎo)體，載流量同樣有所提高，超過4%。因此，對(duì)于大截面高壓電纜來說，絕緣單絲即導(dǎo)體單絲表面絕緣處理，包括氧化、漆包線等，以及同向絞合工藝是高壓電纜導(dǎo)體的優(yōu)化方向，可有效提高高壓電纜的輸送容量。

3 結(jié) 論

（1）對(duì)于800 mm2導(dǎo)體，采用絕緣單絲和圓形分割導(dǎo)體的交流電阻比緊壓圓形導(dǎo)體降低8.06%；對(duì)于2 500 mm2分割導(dǎo)體，采用絕緣單絲和同向絞合裸單絲導(dǎo)體的交流電阻分別比反向絞合裸單絲導(dǎo)體降低22.73%和9.09%。

（2）對(duì)于220 kV 800 mm2高壓電纜，絕緣單絲、分割導(dǎo)體的載流量相對(duì)于緊壓圓形導(dǎo)體的載流量提高了4%～5%；對(duì)于220 kV 2 500 mm2分割導(dǎo)體高壓電纜，絕緣單絲的載流量提高更加明顯，而同向絞合裸單絲導(dǎo)體相對(duì)于反向絞合裸單絲導(dǎo)體，載流量也有所提高。

（3）對(duì)于大截面高壓電纜，絕緣導(dǎo)體即單絲表面絕緣處理以及同向絞合工藝是高壓電纜導(dǎo)體的優(yōu)化方向，可有效降低導(dǎo)體交流電阻，提高高壓電纜的輸送容量。