单芯海缆不同铠装材质损耗的对比研究

张　磊， 陈国志， 张娜飞， 张　健， 胡　凯

（1.国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江舟山316000；2.浙江舟山海洋输电研究院有限公司，浙江舟山316021）

单芯海缆不同铠装材质损耗的对比研究

张磊1，2， 陈国志1， 张娜飞1， 张健1， 胡凯1

（1.国网浙江省电力公司舟山供电公司，浙江舟山316000；2.浙江舟山海洋输电研究院有限公司，浙江舟山316021）

分析了钢丝铠装及铝合金丝（非磁性）铠装海缆的损耗和温升差异。对两种铠装型式的海缆进行通流试验，并开展相关测试，包括海缆内部各层与线芯导体的互感值测试、铅包与铠装不同连接方式下的海缆损耗测试、铅包铠装并联接地点串入不同阻值电阻器时的海缆损耗测试、不同工况下海缆通过大电流时的稳态温升测试。基于大量实验数据，总结得出铝合金丝铠装海缆有利于降低海缆损耗和导体温度，提高海缆载流量。

海底电力电缆；铝合金丝铠装；钢丝铠装；海缆损耗；导体温升

0 引 言

随着沿海城市和岛屿经济的发展，海底电力电缆（以下简称海缆）已成为陆岛及海岛之间电力输送的重要途径。国内海岛柔性直流输电的发展也大大提高了海缆的用武之地［1］。为便于敷设和机械保护，铠装是海缆重要的组成部分，这也是区别于陆地电缆的主要特征之一［2］。对于单芯海缆，铅包及铠装在线芯通过交流电时会产生感应电动势［3-4］。由于海缆运行环境的特殊性，铠装及金属护套只能在海缆线路的两端各自互联接地，由此产生的环流会引起很大的损耗［5-7］。如果铠装使用磁性金属作为材料，还会产生磁滞损耗。环流损耗、磁滞损耗和涡流损耗叠加起来的总损耗与导体电流产生的损耗相当，甚至超过后者。金属护套损耗和铠装层损耗会影响海缆的温升和载流量，更是单芯铠装电缆频发故障的重要原因。

单芯海缆的铠装损耗已经引起国内外的广泛关注。各个海缆厂家与运营商也提出了各种降低海缆铠装损耗的措施。其中将海缆磁性钢丝铠装改为非磁性的铝合金丝铠装是一个重要的措施［8］，然而国内还没有针对铝合金丝铠装海缆的试验研究。为了具体了解铝合金丝铠装对于降低海缆铠装损耗的效果，本文对两条型号相同，仅铠装材质不同的海缆进行对比试验研究，得出了一系列重要数据，为设计院在海缆选择铠装型式上提供了参考。

1 海缆热循环试验系统

试验场设备包括：（1）电缆热循环试验加热测控系统；（2）功率测试仪；（3）钳形电流表；（4）低电阻测试仪；（5）热电偶测温仪。

现场试验系统示意图如图1所示（试验环境空气温度9.8℃，水温8.0℃）。

图1　试验系统示意图

试验样品：

（1）110 kV光电复合单芯海底电力电缆两条，其一为钢丝铠装，型号为HYJQF41 64/110 1×500，长约195 m；另一条为铝合金铠装，型号为HYJQF91 64/110 1×500（“9”自定义为铝合金丝），长约104 m。海缆首尾相连环形放置，若将试验海缆看作一回路两条海缆，其轴间距离约为5 m。经测试得到两条海缆的基本电气参数（见表1）。

表1　两条海缆电气参数

（2）样品处理。海缆首尾连接、修复处理。为消除穿心变对铠装及铅护套的影响，穿心变两侧海缆断开其铠装和铅护套，保持线芯导体连接。考虑到铅护套及铠装的短路及开路试验，将两者引出接线。

（3）温度监控。热电偶数量为5个，#1位于水中导体层，#4位于水中，#9位于室内导体层，#7位于室内空气中，#12位于室外导体层。

若将穿心变与海缆看作一台变压器，则原边为穿心变，副边即为海缆，图1中的AB两端即为副边端口。调节穿心变电压控制海缆线芯导体的电流，测取AB端的有功功率，即为海缆的有功损耗；同时利用热电偶监控海缆线芯导体的温度变化。

由于两条海缆的实验长度不一致（除去穿心变内部海缆，钢丝铠装海缆有效试验长度约187 m，铝合金丝铠装海缆约95 m），为方便各种数据的对比分析，将各种实验结果折算到100 m。

2 各层互感值对比试验

通过实测，两种海缆的导体电阻及铅包电阻阻值基本一致。钢丝铠装电阻为0.15 mΩ/m，铝合金丝铠装电阻为0.078 7 mΩ/m。

对海缆导体进行加流试验，测试铅包两端、铠装两端以及两者并联后两端的感应电压。根据金属护套的感应电压公式（1）［9］可以反算各层金属护套与导体之间的互感。

式中：us为金属护套感应电压；M为线芯与金属护套的互感；I为线芯电流。

根据试验对比，两种不同材料铠装的海缆各层与线芯的互感值见表2。

表2　两条海缆各层互感值对比　（单位：mH）

根据表2，可以得到钢丝铠装海缆的导体—铅包及导体—铠装的互感值大于铝合金丝铠装海缆，而导体—并联铅包铠装的互感值则小于后者。同时相应互感值大小差值不大。

3 定电流有功损耗对比试验

在定电流有功损耗试验中，设定海缆导体电流为100A，测试铅包铠装不同接法下两条海缆的损耗，试验数据如表3所示。

表3　两条海缆定电流损耗对比

根据两条海缆试验中各层电流值与电阻值的计算可以得到：

钢丝铠装海缆损耗比值P导：P铅：P铠=1：1.23：1.14

铝合金丝铠装海缆损耗比值P导：P铅：P铠=1：0.244：1.16

由表3可知，在铅包、铠装均开路的工况下，两种海缆的有功损耗基本相同。此时的损耗包含线芯导体的环流损耗、涡流损耗以及铅包、铠装的涡流损耗。由于两种海缆导体电流相同，导体的损耗相同，则两种海缆的各层涡流损耗也基本一致。在不同材料铠装前提下，唯有铠装涡流损耗极小这种可能。也就是说，在铅包铠装均开路的情况下，铠装上的涡流损耗可以忽略（可以认为被铅包层屏蔽）。

在铅包、铠装均短路的工况下，铝合金丝铠装海缆的损耗明显小于钢丝铠装海缆。比较两者各层损耗的数值，主要的差别在于铅包的损耗：由于铝合金丝的电阻明显小于钢丝，因此在铝合金丝铠装海缆中，铅包的分流能力相对较小，其支路电流相对较小，因此铅包的损耗也相对较小。

4 铅包铠装回路串电阻有功损耗对比试验

参照生产实际，将AB两侧的铅包铠装分别并联后短接，记为工况Ⅰ；将AB两端的铅包及铠装分别并联，两端之间串入R=1.32Ω电阻器后连接，如图2，记为工况Ⅱ。分别在两种工况下测取两条海缆的损耗与温升数据，并进行比较分析。

图2　铅包铠装回路串联电阻示意图

根据损耗试验，折算到100 m海缆长度后的数据对比如表4。

表4　两种海缆损耗和铅铠感应电流试验对比

从表4可以看出，铠装材料不同的两种海缆，铝合金丝铠装海缆的损耗低于钢丝铠装海缆：

在铅包铠装直接短接工况下，改变铠装材料可使海缆损耗下降30％左右，铅包铠装并联电流下降5％，且下降幅度随着电流变化波动较小。

当铅包铠装并联回路串入电阻器后，改变铠装材料可使海缆损耗下降的幅度在10％～35％之间，且随着导体电流增大而增大；电流下降幅度可达60％左右，且下降幅度随着电流变化波动较小。

5 海缆导体温升对比试验

对两条海缆分别施加不同电流，在长时间通流情况下利用热电偶监测海缆导体的温度。对比分析不同铠装材料对海缆温升的影响。取导体电流相同时，两种海缆的温升对比数据。如图3～图5所示（试验初始温度9.8℃）。

图3　两海缆导体通流500 A，铅铠回路串接电阻后温升曲线比较

图4　两海缆导体通流420 A，铅铠回路直接短接后温升曲线比较

图5　两海缆导体通流500 A，铅铠回路直接短接后温升曲线比较

由图3～图5可知，不管导体电流大小，铅包铠装回路是否串接电阻，铝合金丝铠装海缆的稳态温升都远远低于钢丝铠装海缆。对于电缆导体的热效应，可以通过稳态热路求解导体温度，IEC 60287标准给出了这种情况下的计算方法［10-12］，即为：

式中：Qc为海缆各层产生的热流；RC具有时间量纲，通常用τ表示，即为时间常数；θ0为初始导体温度。

根据式（2），对每条海缆的测试数据进行拟合后可以得到每条海缆的温升公式。图6为铅包铠装回路不串电阻时导体电流与稳态温升的关系曲线。

图6　不串电阻时两海缆导体电流与稳态温升曲线比较

一般海缆导体温度达到90℃时的导体电流记为其稳态载流量。假设环境温度为40℃，则温升50℃就达到导体温度的极限。此时计算得到钢丝铠装电缆的载流量约为620 A，而铝合金丝铠装海缆的载流量可达770 A，如图7所示。

图7　不串电阻时两海缆载流量比较

图8为铅包铠装回路串入1.32Ω电阻后导体电流与稳态温升的关系曲线。

图8　串入电阻后两海缆导体电流与稳态温升曲线比较

同理，假设温升50℃就达到导体温度的极限，此时计算得到钢丝铠装电缆的载流量约为680 A，而铝合金丝铠装海缆的载流量可达900 A，如图9所示。

图9　串入电阻后两海缆载流量曲线比较

综合上述，以环境40℃为基本条件，导体温升允许上升50℃，那么：不串电阻钢丝铠装电缆载流量620 A；不串电阻铝合金铠装电缆载流量770 A；串1.32Ω电阻钢丝铠装电缆载流量680 A；串1.32Ω电阻铝合金铠装电缆载流量900 A。

以柱状图表示如图10。

图10　不同海缆及接法下的载流量对比图

以不串电阻的钢丝铠装电缆载流量为基准，四种情况的载流量对比如表5所示。

表5　四种情况的载流量对比

6 结束语

本文针对仅金属铠装不同的两条海缆进行各项试验研究，对大量的实验数据进行分析总结后，证明了在相同运行环境和运行方式下，铝合金丝铠装海缆的损耗明显小于钢丝铠装海缆，有效降低了导体的温升、提高了海缆的载流量。这项研究对沿海电力部门海缆的选购和运行有一定的参考意义。

［1］ 李 懿，马振会.浅谈柔性直流输电技术在海岛输电中的推广应用［J］.浙江电力，2011（7）：26-29.

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［10］ IEC 60287-1-1：1994 Calculation of the current rating of electric cables，part1：current rating equations（100％load factor）and calculation of losses，section 1：general［S］.

［11］ IEC 60287-1-2：1993 Calculation of the current rating of electric cables，part1：current rating equations（100％load factor）and calculation of losses，section 2：sheath eddy current loss factor for two circuits in flat formation［S］.

［12］ IEC 60287-2-1：1994 Calculation of the current rating of electric cables，part2：thermal resistance，section 1：calculation of thermal resistance［S］.

Comparative Experimental Study of 110 kV Aluminum Wire Armored Cable and Steel Wire Armored Cable

ZHANG Lei1，2，CHEN Guo-zhi1，ZHANG Na-fei1，ZHANG Jian1，HU Kai1
（1.State Grid Zhoushan Electric Power Company of Zhejiang Power Corporation，Zhoushan 316000，China；2.Zhejiang Zhoushan Marine Power Research Institute Co.，Ltd.，Zhoushan 316021，China）

This paper analyses the differences of loss and temperature rise between steel wire armour and aluminum alloy wire（relative permeability is smaller）armored submarine cables.The actual flow tests are taken out on submarine power cables with different types of armoures.Inductance mutual between each layer and line-core of submarine cable，submarine cable loss with the lead package and armour connected in different ways，submarine cable loss with different resistors stringed into the ground point of parallel armoured lead package，and steady-state temperature rise with large current under different conditions are tested.Based on a large number of experimental data，it is concluded that aluminum alloy wire armored cable is conducive to decreasing the submarine cable loss and conductor temperature，as well as increasing the submarine cable ampacity.

submarine power cable；aluminum alloy wire armour；steel wire armour；submarine cable loss；conductor temperature rise

TM726.4

A

1672-6901（2015）06-0001-05

2015-03-11

张 磊（1984-），男，硕士，工程师.

作者地址：浙江舟山市定海区惠民桥惠飞路［316021］.