电缆载流能力与敷设环境及温度的关系

电缆载流能力与敷设条件及环境温度的关系1前言电缆的载流能力关系到缆芯截面选择、电缆安全运行、经济效益等诸多方面，因此为了更加安全、合理、经济的选择电缆有必要对电缆的载流量在不同条件下的变化情况进行分析，以满足实际工作需要，进一步提高系统安全和节省开支。本文主要针对电缆的载流量与敷设条件及环境温度的关系进行分析，以求能够更准确的计算出XLPE电缆的额定载流量，为线路设计提供更有价值的参考。2电缆载流能力概述电力电缆载流量是按电缆导体在通载一定电流下引起的温升不超过绝缘材料的最高允许温度确定的，对于150kV挤包绝缘电缆IEC840（88年）、IEC60840（1999年）均标明XLPE电缆持续运行允许最高温度θM为90℃。因此，到目前为止35kV以上XLPE的θM在工程上一般采用90℃或留有安全运行裕度。电缆导体的温度主要受电缆通载电流和电缆本体（电缆的绝缘层、外护套）的热阻及电缆运行环境的影响。国际电工委员会发布的电缆载流量计算标准（IEC60287）对一般的简单的运行状态的载流量可以进行理论计算。但是，由于计算中对相关参数的取值不同，计算出的结果有一定的差异，特别对于运行条件相对复杂的场合，如大量的排管敷设、直埋敷设，计算值的合理性还有待于大量试验数据的验证。部分国家在工程应用中对XLPE电缆的θM取值见下表：国家电压（kV）θM（℃）备注法国909086年应用2259094年应用俄罗斯11090加拿大2308590年开始应用安大略水电公司。电缆热老化试验按≥95℃德国400756h以内θM可达90℃，电缆型式试验按95℃，供货资格试验按90℃3试验敷设方式为了进一步验证理论计算值与实际运行时载流量的关系我们特按照图1所示方式进行了试验。~380V试验电缆图1电缆载流量试验示意图试验电缆为红旗电缆厂YJLW-Z1×400、YJLW-Z1×500110kVXLPE电缆。敷设方式为穿水泥管、穿玻璃钢管。将所试电缆敷设在规定的运行条件下，在电缆导体和护套上布置测温传感器。排管内用热电偶管内测量，电缆中用钻孔固定方法，每根电缆在中心位置线芯处放置1个热电偶，电缆外护套上放置1个热电偶。沿中心向两端每隔1.0米、1.5米、2.0米在电缆外护套上放置热电偶，在距中心两侧3.5米电缆线芯处放置热电偶。其余热电偶按一定方式分布在排管和周围土壤各处。每个热电偶按规定绞好后，穿入塑料保护管中，热电偶端部焊在1×1cm铜片上，并编上号。热电偶制作好后与标准温度计校准后投入使用。，我们在敷设电缆时还在排管的上面和下面分别敷设了同样的管子，以更好的模拟现场情况，具体情况见图2。调压器穿心变压器图2电缆敷设示意图4理论计算目前我国110kVXLPE电缆的敷设状态一般采用电缆隧道的形式，但也有相当一部分地区或个别施工地点采用直埋或穿管形式。为了对电缆载流量的计算有一个基准，对于不同的敷设方式规定了不同的基准环境温度：管道敷设为25℃、直埋敷设为25℃、空气或暗沟敷设为40℃、室内敷设为30℃。额定载流量可用国际电工委员会发布的电缆额定载流量计算系列标准IEC60287计算：1234121234[0.5()]1(1)(1)()dWTnTTTIRTnRTnRTT式中：I——一根导体中流过的电流Δθ——高于环境温度的导体温升R——最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，ΩWd——导体绝缘单位长度的介质损耗T1——一根导体和金属套之间单位长度的热阻T2——内衬层与填料热阻T3——外护套单位长度热阻T4——电缆表面和周围媒质之间单位长度热阻Δθ=θC－θOWd＝2πfCU2/（tanδ）*105W/cmλ1、λ2为护套损耗、铠装损耗与线芯损耗之比n——电缆根数，本文取14.1发热损耗的计算4.1.1交流电阻计算导体在最高工作温度下工作时单位长度的交流电阻由下式给出：'(1)spRRYY式中：R——最高工作温度下导体的交流电阻（Ω/m）R’——最高工作温度下导体的直流电阻（Ω/m）Ys——集肤效应系数Yp——临近效应系数直流电阻R’由下式计算给出：R’=R0×[1+α20(θ-20)]，式中：R0——20℃时单位长度导体的直流电阻。直接从GB/T3956上引用，对于铜导体常温电导率ρ=1.7241×10-8（Ω·m），。α20——导体电阻的温度系数。根据标准IEC60287，α20=3.93×10-3（1/K）。θ——导体最高工作温度（℃），对于试验的XLPE电缆取90℃。集肤效应系数Ys由下式给出：441920.8ssxYsx,式中27810'ssfxkRf——电源频率，取为50Hz。ks——根据IEC60287标准，本章中ks=1。本试验临近效应不予考虑。4.1.2绝缘层的介质损耗根据标准IEC60287-1，对于XLPE无绝缘填充料的电缆，在运行电压低于127kV时，可以不考虑介质损耗。4.1.3金属套与屏蔽的损耗系数对于工频交流电力电缆，护套往往是接地的，而由于交变电流产生的感应电势的影响，会在金属套与屏蔽上产生环流电流，从而引起损耗。本试验中不予考虑。4.1.4电缆热阻计算4.1.4.1绝缘层热阻对于单根电缆，整个绝缘层的热阻为：T1=(ρT/2π)ln(1+2t1/dc)式中：ρT——为绝缘层热阻，对于XLPE材料取为3.5K•m/Wdc——导体直径（mm）t1——导体和金属之间的绝缘厚度（mm）4.1.4.2内衬及填料热阻计算对于本文涉及的电缆为阻水带，其计算公式为：T2=(ρT/6π)G式中：ρT——为绝阻水带热阻，取5.0K•m/WG——根据IEC60287标准，查表得0.07，0.084.1.4.3外护套热阻计算皱纹金属套外护套热阻由下式计算：T3=（ρT3/2π）ln{(Doc+2t3)/[(Doc+Dit)/2+ts]}式中，ρT3——外护套热阻，本文中PVC护套ρT3取为6.0K•m/W。t3——外护套厚度（mm）。ts——金属套厚度Doc——正好与皱纹金属套波峰相切的假想同心圆柱体的直径Dit——正好与皱纹金属套波谷内表面相切的假想同心圆柱体的直径4.1.4.4周围媒质热阻为了确定电缆的温升，不仅应该知道电缆自身的各组成部分的热阻，还应该知道电缆周围媒质的热阻。对于本试验中采用的排管敷设，电缆周围媒质热阻应由三部分组成：电缆表面到管道内壁热阻'4T，管道热阻4T以及管道外部热阻'''4T，所以：''''4444TTTT'4T可用下式计算：'410.1()mcATBCD式中：θm——电缆与管道内壁之间的平均温度，取50℃A、B、C——由敷设情况决定的常数，水泥管：A＝5.2，B=1.1，C＝0.011；玻璃钢管：A＝5.2，B=0.91，C＝0.010Dc——电缆外径4T用下式计算：4ln()2oTdDTD式中：Do——管道外径（mm），取为260mm。Dd——管道内径（mm），取为200mm。ρT——管道材料热阻系数（K•m/W），对于水泥管道，取1.0K•m/W，玻璃钢管取4.8K•m/W，Do=165，Dd=145。T‘‘’4=（ρT/2π）{ln[u+（u2-1）1/2]+ln[1+(2L/s1)2]}式中：ρT——土壤热阻系数（K•m/W），取0.6K•m/W。u——2L/DeL——管道轴线至地表面的距离（mm）De——管道外径（mm）s1——在平面排列的三个不相接触的电缆中，两个相邻管道之间的距离（mm）4.2结构根据标准IEC60502，这两种电缆的标准结构如表2表2电缆的结构参数（单位：mm）电缆型号结构YJLW-Z64/1101×400YJLW-Z64/1101×500导体直径23.826.6导体屏蔽厚1.31.4绝缘厚度17.517绝缘屏蔽厚1.21.2阻水层近似厚度5.05.0皱纹铝厚度2.02.0外护套厚度4.04.0电缆外径89914.3引起电缆发热的损耗表3电缆的损耗参数电缆型号参数YJLW-Z64/1101×400YJLW-Z64/1101×500电阻损耗直流电阻R’/Ω•m-15.4959×10-54.3967×10-5YsYs=0.0266Ys=0.0411Yp00交流电阻R/Ω•m-15.6421×10-54.5774×10-5介质损耗WdXLPE电缆（无填充料），U0＜127kV，不计金属层及屏蔽损耗环流损耗λ1’00涡流损耗λ1”004.4热阻热阻计算分为两部分，电缆本身各部分的热阻与外界热阻，电缆自身热阻的计算结果见表4。表4电缆自身的热阻（K•m/W）电缆型号YJLW-Z64/1101×400YJLW-Z64/1101×500参数绝缘热阻T1T1=0.5493T1=0.5045内衬热阻T2T2=0.0186T2=0.0212外护套热阻T3T3=0.1168T3=0.1123外部热阻的计算结果见表5。所计算的电缆为理论上通以相同的电流时温升最大的电缆。表5最热电缆敷设环境热阻（K•m/W）电缆型号参数YJLW-Z64/1101×400YJLW-Z64/1101×500敷设方式水泥管玻璃钢管水泥管玻璃钢管T4’0.33150.38790.32470.3759T4”0.04180.09870.04180.0987T4’’’1.30211.34621.37461.4183T41.67541.83281.74111.89295载流量的理论计算结果参数设置：导体运行最高温度Tmax=90℃。为了便于比较，给出了单根电缆穿管敷设理论载流量，土壤热阻取1.0K•m/W，敷设深度400为700mm，500为900mm，，计算在各种土壤温度下的载流量见表6。表6单根电缆穿管敷设理论载流量电缆型号载流量（A）水泥管玻璃钢管温度（℃）51015205101520YJLW-Z64/1101×400799775750725773750726702YJLW-Z64/1101×5008838578298028568318057776穿管敷设电缆试验结果以上两种电缆敷设在5℃土壤中的水泥管和玻璃钢管内电流加热试验，在电缆导体敷设了热电偶进行温度监测，试验结果见表7。表7土壤温度为5℃时的试验结果温度/℃电流/A导体水泥管玻璃钢管400mm260352677966676951809010559094500mm26045166893667810327090115590102表8土壤温度为15℃时的试验结果温度/℃电流/A导体水泥管玻璃钢管400mm29016869500mm2111542507数据分析对比以上数据发现土壤温度为15℃和5℃时有较大区别，后将电缆从土壤中挖出发现地温为15℃时，时间为一年中雨水最多的季节，整个管子已经被水淹没，因此电缆温度很难升到90℃。这表明如果电缆浸于水中则其散热能力变大，载流量将大幅度提高。地温为5℃时的情况与一般现场运行条件相似，此时的理论计算值与查表数值基本相等，说明计算比较准确。试验所得数据与理论计算差别较大，400mm2电缆水泥管和玻璃钢管分别增加32.0%和23.0%，500mm2电缆水泥管和玻璃钢管分别增加30.8%和20.6%。