平滑铝套和皱纹铝套XLPE绝缘高压电缆载流量研究

夏云海，王晓峰，闫志雨，谢书鸿，侯虹剑，张建民，黄秋香

(1.中天科技海缆股份有限公司，江苏 南通 226010；2.青海电力公司，青海 西宁 810008;3.江苏中天科技股份有限公司，江苏 南通 226463)

0 引言

近年来，皱纹铝套屏蔽结构XLPE(交联聚乙烯)绝缘高压电缆的缓冲层及外屏烧蚀问题导致电缆故障日益增多，已经引起电力用户和电缆制造商高度关注。我国的XLPE绝缘高压电缆主要采用皱纹铝套屏蔽结构，而欧美、东南亚等国家基本采用铜丝屏蔽+铝塑复合带屏蔽结构或者平滑铝套屏蔽结构的高压电缆，他们认为皱纹铝套内部过大的空气热阻会降低电缆的载流量，且皱纹铝套存在的感应电压会对绝缘线芯产生放电烧蚀〔1〕。基于以上背景，在电力用户的支持下，国内有多家电缆制造商研发成功110 kV、220 kV平滑铝套屏蔽结构高压电缆，通过型式试验，并开展多个工程示范应用。但目前对平滑铝套XLPE高压电缆的扩展性能研究较少，尤其对其载流能力的系统性研究不够深入。本文结合热分析法、有限元仿真计算及电流通流试验开展平滑铝套和皱纹铝套屏蔽结构XLPE绝缘高压电缆长期运行载流能力的研究。

1 电缆结构选型设计

我们采用同一根导体做成两根绝缘尺寸相同的绝缘线芯，仅改变绝缘线芯外部金属套形式，做成皱纹铝套高压电缆和平滑铝套高压电缆两根样品，减少对电缆载流量的影响因素。

皱纹铝套电缆型号为YJLW03-Z 127/220 kV 1×2 500 mm2，平滑铝套电缆型号为YJLP03-Z 127/220 kV 1×2 500 mm2。其结构参数见表1，结构示意图如图1、图2。

表1 220kV平滑铝套与皱纹铝套XLPE绝缘高压电缆结构参数表

图1 220kV平滑铝套XLPE绝缘电缆结构示意图

图2 220kV皱纹铝套XLPE绝缘电缆结构示意图

2 载流量的理论计算

2.1 基于热分析法计算载流量

根据IEC 60287-1-1-2006《电缆额定电流的计算 第1-1部分 额定电流方程(100 %负载系数)和电损耗计算总则》中导体温升的计算方法，单芯XLPE绝缘交流电缆高于环境温度的温升表达见式(1)：

Δθ= (I2R+0.5Wd)T2+(I2R(1+λ1)+Wd)

nT2+ (I2R(1+λ1+λ2) +Wd)n(T3+T4)

(1)

其计算原理是采用图3的等值热路模型。

图3 等值热路模型

电缆的额定载流量计算公式见式(2)所示。

(2)

式中：I—连续额定载流量，单位 A；

Δθ—导体温度与环境温度之差，单位 °C；

R— 导体交流电阻，单位 Ω/m；

Wi—绝缘介质损耗，单位 W/m；

λ1—金属护套损耗因数；

T1—导体与金属护套间绝缘层热阻，单位K·m/W；

T3—电缆外护层热阻，单位K·m/W；

T4—电缆表面与周围媒介之间热阻，单位K·m/W。

将导体最高温度90 ℃，环境温度30 ℃，20 ℃导体直流电阻0.0072 Ω/km，XLPE热阻系数3.5 K·m/W，PE热阻系数3.5 K·m/W将入上式(2)，计算可得出220 kV平滑铝套和皱纹铝套屏蔽两种结构XLPE绝缘电缆的长期允许载流量分别为2 657 A和2 545 A。

2.2 基于有限元仿真方法计算载流量

目前电缆稳态载流量主要根据IEC-60287给出的方法确定，虽然可以方便的获得电缆载流量，但对计算模型条件进行了简化处理，计算结果与实际存在较大偏差。电缆运行过程中包括热传导、对流、辐射多种传热方式，通过解析方法进行载流量准确的计算比较困难。因此本文利用COMSOL有限元仿真软件分析平滑铝套屏蔽结构电缆热场分布，进而获得电缆载流量。

建立电缆温度场仿真模型的基本假设是：①高压电缆线芯导体，导体屏蔽层，绝缘层与绝缘屏蔽层，铝护套与外护套之间挤包较为紧密，忽略它们的接触热阻；②电缆长度相对半径是无限长，热量只存在径向的传递；③电缆的仿真模型发热等于散热，温度为恒定值，即温度场分布不随时间而改变，仿真计算为稳态计算〔2〕。

在COMSOL有限元仿真软件中建立平滑铝套XLPE绝缘电缆热偶合模型如图4所示。模拟在室内空气中的电缆运行环境，空气温度为30 ℃，电缆表面与外部空气自然对流散热，考虑辐射对电缆载流量的影响，电缆表面为辐射率为0.9。传输电流与电缆导体温度关系如图5所示，随着电流增加导体温度逐渐增大，并且导体温度增加趋势愈加显著。以导体温度为90 ℃时对应的导体载流值作为在该条件下的载流量，通过计算当导体温度为90 ℃时，电缆的载流量为2 794 A，在导体温度为90 ℃时电缆的温度场分布如图6所示。

图4 平滑铝套XLPE绝缘电缆网格模型

图5 导体温度随电流的变化关系

图6 平滑滑套有限元仿真结果

3 电缆载流量试验

3.1 试验装置及回路布置

使用穿芯式感应电流发生器作为恒流源使电缆导体中产生交流电流，利用穿芯式电流互感器测量电缆导体中流过电流的有效值，采用实时温度在线监测仪器对电缆进行通流下发热情况监控，调整电流值，使电缆导体加热并稳定在90 ℃，此时电流作为该条件下电缆载流量。

试验回路主要包括穿芯式感应电流发生器、试验电缆及温控在线检测系统，将样品1和样品2分别为220 kV皱纹铝套和平滑铝套XLPE绝缘两种高压电缆串联成一条回路，两种结构电缆长度均为15米，布置两个U型弯，直径均为4.5米,如图7、8所示。电缆样品距离地面、墙面等要保持不小于200 mm的距离。

图7 220 kV电缆载流量试验原理图

利用穿心变压器对回路进行加热，分别在U型弯处布置3个测量导体温度的热电偶(T1、T2、T3、T4、T5、T6)和2个测量护套温度的热电偶(T7、T8)，两根样品电缆中的热电偶均布置在上表面，通过温度数据采集装置监控负荷电流下电缆的温度，表2列出了热电偶对应的测试位置。

图8 220 kV电缆载流量试验回路图

表2 热电偶布置情况

3.2 试验过程

试验根据GB/T 18890标准的推荐加热方式，采用热循环试验相同的温控方法，导体温度应在90 ℃±1 ℃范围内保持至少2 h，加热应至少8 h，随后应自然冷却至少16 h，共完成1个热循环，试验过程如下：

试验环境温度为30 ℃，在该温度下静置试验回路至少24小时，直到被测样品所有热电偶显示温度均稳定在30 ℃±1 ℃；

通过穿芯式感应电流发生器对导体施加电流，使其中一个规格电缆导体温度到达90 ℃，并要保证30 min内变化不超过± 1 ℃，在稳定的最后5 min内电流值应保持恒定，记录该电流值。继续增加电流，使另一个规格电缆导体温度到达90 ℃，并要保证30 min内变化不超过±1 ℃，在稳定的最后5 min内电流值应保持恒定，记录该电流值。停止电流输出，使电缆回路自然冷却16小时。

3.3 试验结果

一个热循环试验过程中平滑铝套和皱纹铝套电缆导体温度达到90 ℃时各热电偶的平均温度数值和对应的平均电流见表3，图9为两种不同金属屏蔽电缆的载流与温度曲线。

表3 试验回路的负载电流

图9 平滑铝套与皱纹铝套电缆的载流与温度曲线

经过试验对比，平滑铝套电缆在工作温度下载流量为2 840 A，皱纹铝套电缆在工作温度下载流量为2 690 A。

4 分析与讨论

热分析法计算的平滑铝套电缆的载流量大于皱纹铝套电缆的载流量，由于平滑铝套外径小于皱纹铝套，使平滑铝套的截面积比皱纹铝套的截面积小4.8 %，金属屏蔽损耗因数小9.7 %,外护套热阻降低50.8 %，外部空气热阻提高6.3 %，外部空气热阻仅与电缆外径有关，T4在电缆载流量计算中对载流量的影响有限，因此平滑铝套电缆的载流量比皱纹铝套要提高4.4 %。

对比有限元计算的平滑铝套载流量比热分析法大，主要是有限元仿真计算方式具备识别电缆内部结构的热传导能力同时还可以模拟周围环境与电缆之间的热辐射作用，得到的计算结果更接近于试验结果〔3〕。

两种不同金属屏蔽结构形式的高压电缆实际载流量通过试验对比，平滑铝套电缆的载流量比皱纹铝套的要提高5.6 %。由于皱纹铝套的螺旋纹的结构特点，使金属套与缓冲层接触方式为线性接触，缓冲层并未填满皱纹铝套的波峰，使其在波峰内产生大量的空气隙。空气导热系数低，只要空气隙的厚度足够小，不引起对流，热阻效应十分显著，空气隙的热阻取决于空气隙的厚度，厚度增加，热阻变大，再者缓冲阻水带材料的热阻系数在10.5 K·m/W 左右，实际上缓冲带阻水带内中含有大量静止空气，静止空气的热阻系数约为40 K·m/W，因此，在空气不流动时，纤维层中所保持的空气越多，材料的热阻系数越大〔4〕。而平滑铝套结构紧凑，垫层与平滑铝套无空气隙，以上分析是平滑铝套电缆比皱纹铝套载流量提升的主要原因。

5 结论

本文通过载流量热分析法理论计算得出平滑铝套电缆载流量比皱纹铝套电缆提升4.4 %，通流试验得出平滑铝套电缆载流量比皱纹铝套电缆提升5.6 %，由于平滑铝套理论计算的载流量比实际小6.9 %，采用有限元法计算值与实际试验验证值比较接近，仅相差1 %，更接近载流量的验证结果。