城市电力线路应急电缆的结构设计

王志强

(上海浦东电线电缆集团有限公司，上海201414)

0 引言

青海省西宁供电公司根据冰雪、地震以及城市电网突发性设备故障线路的抢险需要，自行开发了一个不停电抢修系统。在这系统中需要一种电缆与之配套，并提出了这种电缆的具体设计要求。我们公司根据这个需要，设计了配套电缆。本文将对该应急电缆的设计作具体介绍。

1 旁路供电电缆的要求

这个系统可以用旁路电缆来取代原来的线路，整个过程只需要20 min就可解决3 km范围内的不停电抢修作业。系统原理见图1。

其配套的8.7/15 kV旁路供电电缆需要满足以下特殊要求:(1)由于架设时电缆会经多次弯曲，所以电缆应尽可能柔软;(2)由于操作者直接接触电缆，因此电缆应保证充分安全、可靠;(3)因电缆直接暴露在大气中，所以电缆应能经受雷电冲击的考验。其它技术要求:(1)系统额定电压12 kV，工作状态下无闪络;(2)工频电压试验42 kV，5 min，无击穿;(3)冲击试验109 kV，±10次，无闪络;(4)可靠接地系统。图2为工人正在架设旁路供电电缆。

图1 不停电抢修原理图

图2 正在架设的旁路应急电缆

2 电缆结构设计

针对用户的要求，我们的设计涉及到:电缆导体结构;满足工频电压及雷电冲击条件下的绝缘层厚度;满足安全性能、可靠接地性能的屏蔽层结构设计。15 kV旁路供电电缆的结构见图3。

图3 15 kV旁路供电电缆结构示意图

2.1 导体结构、尺寸设计

2.1.1 导体结构

考虑电缆尽可能柔软，可选用软导体(第5种结构)。先将很多根细软铜丝束丝成股，然后将股与股绞合在一起组成导体。根据GB/T 3956—2008规定，导体铜单丝直径不得大于0.41 mm。本设计选用单根细铜丝直径为0.40 mm。

2.1.2 计算铜丝根数

由导体截面公式可推得:

式中，n为导体根数;S为导体截面;λ为绞入率，一般取1.035;d为导体直径。

经计算可得到根数n为412(根)。

2.1.3 计算导体束绞外径

软铜丝束绞后直径D为:

式中，n为铜丝根数;d为铜丝直径。

可以求得D=9.58≈9.6 mm。

2.2 半导电包带和导体屏蔽

按图3所示，由于很多根细软铜丝绞合后不圆整，所以设计考虑用半导电包带扎紧，同时与挤包的导体屏蔽组成复合屏蔽层。15 kV电缆导体屏蔽厚度一般为0.7 mm。

2.3 计算XLPE绝缘层厚度

2.3.1 根据工频击穿电压计算绝缘厚度

工频电压下的绝缘厚度Δi为:

式中，Um为系统最高工作电压，对于8.7/15 kV电缆取 Um=17.5 kV;K1为绝缘老化系数，一般取4.0;K2为工频电压下绝缘层温度系数，一般取1.1;K3为工频电压试验裕度系数，一般取1.1;Ec为工频击穿电压的最低值，取15 kV/mm。

数值代入后计算得到工频电压下电缆绝缘层厚度Δi=3.58 mm。

2.3.2 根据雷电冲击电压计算绝缘厚度

式中，UBIL为基本绝缘水平，8.7/10 kV电缆取95 kV;k'1为绝缘在脉冲电压下老化系数，一般取1.1;k'2为绝缘层温度系数，取1.1;k'3为冲击试验裕度系数，一般取1.20;EP为交联聚乙烯平均脉冲击穿强度，取35 kV/mm。

计算得到雷电冲击电压条件下的绝缘层厚度为Δi=3.94 mm。比较工频击穿电压和雷电击穿电压下分别计算得到的绝缘厚度3.58 mm和3.94 mm，选取后者。

2.4 确定绝缘屏蔽层厚度

15 kV电缆的绝缘屏蔽一般取0.8 mm。

2.5 计算铜丝和铜带复合金属屏蔽层结构尺寸

考虑到电缆中性点不接地，因此采用金属铜丝屏蔽，同时在铜丝屏蔽层外再反向疏绕一层铜带，以保证屏蔽铜丝完全连续。金属屏蔽层的截面应根据电缆短路电流计算获得。

2.5.1 计算短路电流

根据IEC 60949短路电流IAD计算公式:

式中，IAD为短路电流;t为短路时间，取t=5 s;K为取决于载流体材料的常数，铜导体取226;S为载流体几何面积，取50 mm2;θf为短路时最终温度，取250℃;θi为短路时起始温度，取90℃;β为0℃时导体电阻温度系数倒数，铜导体取234.5。经计算得到IAD=3 196 A。

2.5.2 计算屏蔽层最小截面Smin

式中，t为短路持续时间，一般取t=1 s，因考虑热量损失在邻近层的因素，根据经验值取1.2 s;K为与导体有关的系数，取K=226;β为铜导体温度系数的倒数，取β=234.5;θf为短路时最终温度，取 θf=250℃;θi为导体在短路时起始温度，通常取50℃。

代入式中计算得到Smin=16.15 mm2。这一计算结果与DIN VDE 0276-620:2009标准中规定“导体截面50 mm2，其屏蔽层的最小截面为16 mm2”是基本一致的。

2.5.3 确定铜丝屏蔽的直径和根数

先选用常用的屏蔽铜丝规格，确定直径为0.4 mm。再根据公式S=n(πd2/4)求屏蔽铜丝根数。式中，S为屏蔽截面;n为根数;d为铜丝直径。可以求得根数为127根。考虑到加工设备因素，实际选用144根0.4 mm的屏蔽铜丝，其屏蔽截面为18.1 mm2，达到了设计要求。

2.5.4 屏蔽铜丝外绕包铜带的尺寸

在屏蔽铜丝外再用一薄铜带捆扎起来，这是为了确保屏蔽铜丝处处连续，同时也增加了屏蔽截面。一般选用厚0.1 mm、宽10 mm的薄铜带。

2.6 确定电缆的外护套厚度

在挤包外护套之前，可先绕包一层非吸湿性包带作为衬垫。依据GB/T 3956—2008附录C规定，外护套应根据电缆“假定外径”来选取。因计算假定外径的过程较复杂，这里不再赘述。经计算，该电缆的假定外径为25.4 mm，因此厚度可确定为1.9 mm。考虑到电缆在实际使用中需要经常收卷、放出，因此设计时选用耐磨、耐候的聚合物材料。

3 结束语

本设计完成后，还经过了相应的设计论证。在产品出厂试验完成后，又通过了国家电线电缆质量监督检验中心的型式试验，产品完全符合各项性能指标，达到了用户要求。现在这种应急不停电抢修系统已在青海西宁以及其它中心城市推广应用，相信其配套的城市电力线路应急电缆的未来市场前景广阔。目前，本电缆又以“一种中压旁路柔性应急处置用电力电缆”名称获得了实用新型专利证书(专利号201020136361)。

［1］罗俊华，蓝 剑，苏 勇，等.15 kV柔性旁路电缆的不停电抢修作业技术［J］.高电压技术，2009，35(4):949-953.

［2］朱欣娣，武宇波，魏萤萤，等.中压交联电缆金属屏蔽层的几个关键问题的讨论［J］.电线电缆，2009(4):11-13.

［3］IEC 60949:1988 Calculation of thermally permissible short-circuit currents，taking into account non-adiabatic heating effects［S］.

［4］DIN VDE 0276-620:2009 Distribution cables with extruded insulation for rated voltages from 3，6/6(7，2)kV to 20，8/36(42)kV［S］.

［5］GB/T 3956—2008电缆外护层［S］.