220 kV 电力电缆提高载流量的方法

董 琦， 李浩浩， 冯 涛， 陈志国

（江苏上上电缆集团有限公司，溧阳 213300）

0 引 言

高压电缆在线路设计、电缆选型、确定导体截面时，主要根据电缆的载流量要求来选择。 随着我国电网建设的发展和城镇化进程的加快，220 kV 交联电力电缆在中远距离电力传输、大型水力发电站、城乡电网建设等领域广泛被使用，电缆选择截面也越来越大。 IEC 60287⁃1⁃1：2014《电缆连续负荷额定电流计算（100%负荷因数）》为电缆的载流量计算提供了标准方法，为线路设计、电缆选型提供了重要依据。 本工作在参数选择过程中，确定了220 kV 电力电缆皱纹铝护套结构，计算了不同条件下的载流量。

1 电缆结构

220 kV 铜芯交联聚乙烯绝缘电力电缆结构示意图见图1。

图1 220 kV 铜芯交联聚乙烯绝缘电力电缆示意图

2 载流量的计算

电力电缆载流量计算依据为IEC 60287。 高于环境温度的导体温升（Δθ） 计算如下：

式（1）中：I为单根导体流过的电流，A；R为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω·m-1；Wd为导体绝缘单位长度的介质损耗，W·m-1；T1为单根导体和金属套间单位长度热阻，K·m·W-1；T2为金属套和铠装之间内衬层单位长度热阻，K·m·W-1；T3为电缆外护层单位长度热阻，K·m·W-1；T4为电缆表面和周围介质之间单位长度热阻，K·m·W-1；n为电缆（等截面并载有相同负荷）中载有负荷的导体数；λ1为电缆金属套损耗相对于所有导体总损耗的比率；λ2为电缆铠装损耗相对于所有导体总损耗的比率。

从式（1）得出载流量计算公式：

式（2）中参数的含义在电力电缆行业中是通用的，此处不再累述。 结合产品具体结构，根据式（2）， 将 （ 土 壤 温 度 25 ℃， 土 壤 热 阻 系 数1.0 K·m·W-1）埋地敷设（直埋）和环境温度 40 ℃时空气中敷设（非直射）条件下载流量计算结果整理，见表1。 表1 中，导体截面积800 mm2为圆形紧压导体，1 000 mm2及以上为分割导体。

表1 载流量的理论计算值

3 从理论计算过程看提高载流量方法

3.1 增加线芯截面

增加电缆截面是一个提高电缆载流量最直接的方式。 220 kV 电缆空气中敷设长期载流量曲线见图2。

图2 220 kV 电缆空气中敷设长期载流量

由图2 可以看出：随着导体截面面积的增加，载流量也随之增大。 但当导体截面面积增大到一定程度，载流量增加的趋势明显变缓。

220 kV 电缆空气中敷设电流密度见图3。

图3 220 kV 电缆空气中敷设电流密度

由图3 可以看出：随着导体截面面积的增加，其平均电流密度逐渐减小，材料的综合利用率越来越低。

这是由于电缆在通过交流电时，存在集肤效应。导体的集肤深度可用下式表示：

式（3）中：d为集肤深度，mm；f为频率，Hz；μ为绝对磁导率；σ为导体的电导率，S·m-1。

通过式（3）可以计算出，铜导体在20 ℃时的集肤深度为 9.5 mm，在 90 ℃时的集肤深度为12.2 mm。 也就是说，铜导体直径增大到24.4 mm后（铝的电导率比铜的电导率小，集肤深度会稍大些）再增大导体截面面积，其内部导体的电流密度将变得很小，内部材料不能有效传递电流，材料利用率很低。 因此，电缆的载流量不会随导体截面面积成比例增加。 采用分割导体结构可以有效减小集肤效应，但对于大截面导体，改善效果仍不理想。 单丝绝缘或氧化处理是当前研究的一个热点，可很好地解决集肤效应。

3.2 改善铝护套结构

高压电缆皱纹铝护套结构的半导电缓冲层大多采用绕包两层半导电缓冲（阻水）带，皱纹铝护套结构电缆纵剖面示意图见图4。 半导电缓冲（阻水）带由蓬松棉和半导电无纺布组成，其蓬松多孔结构，内有大量的空气。 此外，皱纹铝护套和缓冲层间也存在一定的气隙，缓冲层的热阻其实就是半导电缓冲带和空气的混合热阻，而静止空气的热阻非常大，约40.0 K·m·W-1（远远高于 IEC 60287 标准给定值6.0 K·m·W-1，空气和缓冲层混合热阻系数20.0 K·m·W-1较为合理）［1⁃2］。 热阻越大，越阻碍着电缆线芯表面热量的散失，对载流量不利。

图4 皱纹铝护套结构电缆纵剖面示意图

近年来，缓冲层烧蚀问题频频出现，因此平板铝护套结构受到越来越多的厂家关注。 从对载流量影响来看，平板铝护套结构使得缓冲层厚度普遍减小，铝护套和缓冲层紧密接触，很大程度压缩了空气隙的厚度，有效提高了导热性能，其综合热阻明显降低（约 11.0 K·m·W-1）。

3.3 优化安装敷设环节

多条电力电缆并列敷设时会形成邻近效应和集肤效应，使电荷集中在导线截面表面，降低了导线允许载流量。 而且多条并列敷设导致热量集聚，也会降低载流量。 所以在三角形、平行敷设时均应考虑电缆之间的间距。

对敷设环境加以优化，例如在电缆管道内填充喷润土、降阻沙或利用天然的地下水，降低环境温度，从而达到降低热阻系数，加快散热，提高载流量的目的。 同样，对电缆的排列方式采用最合理的布局，尽量减少电缆与电缆之间相互影响。

电缆安装环境时，必须对几个主要步骤加以改进和控制：比如在金属导体对接或压接的时候，确保足够的接触面积和压强，降低电缆阻抗产生的损耗；在绝缘处理的时候，要绝对保证绝缘处理粗糙度，以满足运行时的零局放要求；应考虑绝缘的热老化问题，避免在进行接地焊接的时候对绝缘集中加热引起老化；还应确保电缆接地系统的完整与准确，及时修复电缆外护层的破损点；等等。

4 结束语

本工作在参数选择过程中，按照常规的皱纹铝护套结构对220 kV 电力电缆计算了不同条件下的理论载流量。 结合理论计算过程，分析了提高载流量的方法，以供大家参考。