关于一种测量高压电缆转弯半径专用尺的研发应用

2023-09-29陶少乐唐家宾杨锡杰何昌龙

广西电业 2023年6期

陶少乐唐家宾梁威杨锡杰何昌龙

电缆安全运行的关键因素是其绝缘的良好程度和内部电场分布的均匀性。电缆弯曲半径是电缆敷设施工及运行中保证其绝缘性能的主要指标。所谓弯曲半径，是指工程上把弯曲的电缆近似看做一段圆弧，圆弧所在圆的半径即为此弯曲电缆的弯曲半径。

电缆敷设过程中经常遇到转弯半径不足的情况，验收人员由于没有相应仪器设备测量，凭工作经验判断半径是否满足运行规程，得出模棱两可的答案。转弯半径不足将对日后运维埋下安全隐患。为了解决上述问题，笔者研发一种简便且准确用于测量高压电缆转弯半径的专用尺，就其创新思路和创新点、应用情况进行分析探讨，希望能对电缆设施工做一些预防性指导。

一、弯曲半径不足对电缆的影响

（一）本体过度弯曲对导体的影响

电缆导体由多根单芯导线以一定节距绞合而成，在导体制作过程中导体的单线根数和节距大小决定了导体弯曲时的稳定性，过度的弯曲将导致导体的松散和突起，直接影响导体半导电层和绝缘层的性能。导体弯曲过大，出现毛刺将造成导电和内屏蔽发生畸变，从而使电场也随之发生畸变，在导体毛刺周围聚集大量不平衡电荷不断冲击绝缘介质。凸起处集中的电荷不足以在短时间内造成绝缘击穿，放电量微乎其微。随着时间的延长和电荷不断冲击，缺陷处的放电树枝也不断向绝缘外层生长和扩散，最终造成电热击穿事件。

（二）弯曲对绝缘的影响

当电缆发生了弯曲，在弯曲处的绝缘将会发生拉伸变形。当弯曲超过允许最小弯曲半径时，可能导致绝缘损伤。对于XLPE 交联聚乙烯绝缘电缆，由于绝缘层厚度较大，在弯曲半径较小的情况下运行时，绝缘层承受一定的应力，特别是当达到一定运行温度时，XLPE 绝缘层在热和应力的作用下可能出现形变，进而导致绝缘层的电场分布畸变。不同弯曲半径条件下的电缆绝缘层场强及最大场强相对变化量：弯曲半径越小，绝缘内侧最高场强越集中，绝缘内的场强分布越不均匀。只要保证弯曲半径大于20 倍的电缆外径，绝缘内的最高场强就都在XLPE 允许的最高场强范围内。最大场强相对变化量与弯曲半径的关系：最大场强相对变化量与弯曲半径成类指数递减关系，弯曲半径越大，对应的最大场强相对变化量越小。因此，在实际敷设电缆时应尽量避免小的弯曲半径。

（三）弯曲对金属屏蔽的影响

当电缆弯曲过大时，引起金属带起皱或卷边，容易导致绝缘损伤。目前传统的铜带搭盖绕包在工艺上虽有优势，但在运行时金属屏蔽层间由于接触面产生氧化物，以及弯曲冷热变形后减少接触压力，造成接触电阻成倍增加，影响短路电流的容量和短路电流的导通。接触不良加上热胀冷缩弯曲变形，直接损伤外半导电层。

二、创新思路

依据中华人民共和国电力行业标准《电力电缆线路运行规程（DL/T 1253—2013）》，电缆敷设和运行时的最小弯曲半径见表1。

表1 高压电缆敷设和运行最小弯曲半径

如果电缆在敷设施工或运行中弯曲半径小于规定值，可能会导致其结构的破坏，最终致使绝缘击穿，酿成安全质量事故。鉴于工程实践中大量存在着对弯曲半径进行测量及判断的问题，需寻求一种简便且准确测量电缆弯曲半径的方法，以期正确判断其符合性。

本文介绍一种结构设计新颖、具有较大应用前景的测量高压电缆转弯半径专用尺，它包括激光测距模块、主控电路板单元、嵌入式计算软件、显示屏模块、电源模块单元、伸缩式测量杆和外壳组成。

激光测距模块单元，设置在电力电缆转弯处的内侧，且所述激光测距模块单元的两端分别与电缆转弯处两侧抵接，用于检测其中心点与电力电缆转弯处之间垂直距离h，以及其中心点和其与电力电缆抵接处之间的水平距离。

主控电路板单元，与所述激光测距单元和电源模块单元等连接，用于根据所述激光测距单元和电源模块直接互联，控制整个设备的正常运行。

嵌入式计算软件，其主要是将激光测距测得的数据代入计算软件实施计算，以抵接处之间的水平距离计算电力电缆的转弯半径。

显示屏模块，主要是将激光测距数据、计算电缆转弯半径和电缆转弯半径的倍数等数据实时的显示在显示屏上，便于直观地实时查看数据。

电源模块单元，主要给激光测距模块、主控电路板、计算模型等单元进行供电，以保证设备的正常运行。

外壳及伸缩杆，主要是保护主控电路板模块和激光测距模块单元，伸缩杆模块方便实时测量取得固定的值。

测量电缆转弯半径专用尺原理如图1 所示。

图1 测量电缆转弯半径专用尺原理图

专用尺主要采用弦高法进行测量，如图2，其原理是通过测量被测圆弧上的一段弦长和与之相对应的弦高，再使用几何学中相交弦定理导出的弦高、弦长和半径的函数关系（公式如下），经计算求出圆弧所在圆的半径值。

图2 弦高法测量电缆转弯半径示意图

——L 为测量出圆弧的弦长

——h 为在弦长L 的1/2 处（中间位置）测量出圆弧的高

——R 为按公式计算出圆弧的半径

测量时，在数字输入按键上可以设置高压电缆直径，电缆的允许弯曲半径应符合电缆绝缘及其构造特性要求。测量处转弯半径R，根据公式直接实现电缆转弯半径倍数计算。专用尺能在电缆敷设完成后快速、准确地测量电缆转弯半径以及转弯倍数。实物模型如图3。

图3 电缆转弯半径专用尺实物模型图

三、关键技术与创新点

（一）技术先进性

1.携带方便、操作简单：专用尺长、宽、高数据127 毫米×77 毫米×45 毫米，用于日常外出进行高压电缆敷设工程验收工作，便利性强，只需按下装置上的按钮，即可通过测量数据自动计算出电缆的转弯半径。

2.数据精准、安全可靠：测量工具采用精密的激光测距传感器，测量显示所处位置电缆转弯半径值达到1 毫米精度等级。

3.测量过程中直接显示电缆半径、电缆转弯半径倍数：测量人员可通过可视化的数据直接判断电缆敷设转弯半径是否符合要求。

4.适用性强、使用范围广：能适用于各种尺寸的电缆转弯半径的测量，可以推广至输电电缆、配电电缆、变电站内部电缆相关专业，通用性强，实用性高。

（二）技术创新性

1.实现智能电子控制系统应用，提高耐用性和精度。

2.通过智能转换满足不同电缆转弯半径测量的需求，提高灵活性和可操作性。

3.直接显示电缆转弯半径倍数功能，判断转弯半径是否符合规程要求。

4.在基础程序上，延伸扩展其他功能程序，可以满足曲线外测量、三点法等方法测量。

四、应用情况

（一）测量与整改

柳州供电局2021 年对35 千伏、110 千伏电缆沟架设和直接敷设的高压电缆转弯半径测量100 处，发现有10 处（35 千伏3 处、110 千伏2处）转弯半径不满足运行规程。2021 年11 月开展220 千伏双宾线电缆验收工作中使用该仪器测量转弯半径，对半径不符合要求的现场提出整改方案。

2022 年对110 千伏静船线、官花扩埠线和杨扩埠线等6 处电缆迁改过程中，测量200 处，发现有12 处转弯半径不满足运行规程，2 处转弯半径10 倍，10 处转弯半径13—15 倍。

2021 年、2022 年电缆弯曲半径现场测量情况见表2。

表2 电缆弯曲半径现场测量情况

经过测试数据分析，对照电缆敷设和运行时的最小弯曲半径表1 得出：35 千伏双铁II 线三芯电缆敷设时小于12D 为不合格，110 千伏静船线等线路电缆敷设时小于20D 为不合格，小于15D 为严重不足情况下，电缆在转角处绝缘严重拉伸，运行5 年时间绝缘击穿。测量出转弯半径不足后及时整改，确保电缆安全稳定运行，保证了电网的安全运行和可靠供电。

（二）经济效益

专用尺应用到1 条110 千伏线路上，可减少停电损失：110 千伏电缆发生故障跳闸后，查找电缆故障和土建开挖时间1 天，电缆故障抢修时间1 天，电缆试验以及恢复引线时间1 天，抢修时间共计3 天72 小时（不算系统操作），以平均线电流约为100 安的110 千伏电缆线路为例，计算多供电量及经济效益。

1.多供电量W ＝U I t=110/1.732×100×3×72 ≈1382400 千瓦时。

2.新增产值¥＝0.5W ＝1382400×0.5 ≈691200 元≈69.12 万元。

3.新增利润P=0.1¥=69.12×0.1 ≈6.9 万元（目前供电企业利润为新增产值5%～15%，取其中的平均值）。

通过以上计算看出，针对110 千伏电缆线路，使用专用尺发现1 处转弯半径不足并及时整改，确保电缆线路5 年不发生因转弯半径不足造成的故障跳闸就可多供电量约1382400 千瓦时，新增产值约69.12 万元，新增利润约6.9 万元。

（三）社会效益

随着经济的发展，人们对电力供应的要求质量越来越高，城市化的进程日益加速，城市电网中电力电缆的使用不断增加，城网架空线入地工程也在大范围内实施。柳州电网北部生态片区220 千伏改造，越来越多220 千伏甚至500 千伏电缆下地。使用专用尺可事前预防，在土建验收或者发现电缆半径不足时提前做好预控措施，减少后续因为电缆转弯半径不足引起电缆绝缘损伤发生故障，进一步保证了电网安全稳定运行。通过项目的实施和应用，减少了故障抢修几率，提升供电可靠性，最大程度提高了企业的经济效益。