改善高压单芯电缆载流量的方法

摘 要：从高压单芯电缆线路的工程设计角度，提出改善电缆载流量的一些方法，包括采用合理的电缆排列配置方式、采用合理接地方式和分段长度、降低敷设环境温度、降低电缆外部热阻和采用合理敷设方式，并且对上述方法进行计算分析，统计其对电缆载流量的影响程度，从而让设计人员在工程实际中，清楚知道采用哪种方法更能有效的改善电缆载流量。

关键词：载流量 环境温度 涡流损耗 环流损耗 热阻 接地方式 敷设方式

中图分类号：TM247 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0189-02

随着经济发展，城镇化进一步扩大，大中城市电力网中，电力电缆的使用越来越多，但其造价相较于架空线路要高出许多，因此，改善电缆载流量，减少电缆线路的投资具有非常现实的经济效益。

电缆允许持续载流量，是指电缆在导体允许最高工作温度下长期运行的载流量。理论上，改善电缆载流量方法：（1）增大电缆载流截面积。（2）提高主绝缘工作温度。（3）提高主绝缘工作场强，减少绝缘厚度。（4）采用低介损材料，减少介质损耗。（5）采用低热阻材料，加快导体散热。以上方法均从电缆材料方面来改善电缆载流量，但目前对于不同截面高压单芯电缆的材料和结构都是相对固定的定型产品，同时受工作属性和研究方向的局限，以上方法对设计不具备现实的指导意义。但对于设计人员，可采用以下方法改善电缆的载流量：（1）采用合理的电缆排列配置型式，减少金属套涡流损耗。（2）采用合理接地方式和分段长度，减少金属套环流损耗；（3）降低敷设环境温度，提高高于环境温度的导体允许温升。（4）降低电缆外部热阻，改善电缆外部散热环境，提高电缆载流量。（5）采用合理敷设方式，改善电缆载流量。下面对设计人员改善电缆载流量的方法做详细分析。

1 改善载流量的方法

1.1 采用合理的电缆排列配置方式

电缆排列配置方式不同，主要对金属护套的涡流损耗有影响，现以额定电压127/220 kV、单芯、分割铜导体标称截面积1200 mm2、交联聚乙烯绝缘皱纹铝套聚乙烯护套纵向阻水，型号为YJLW03-Z 127/2201×1200的电力电缆为例，对一回、二回、三回、四回等电缆的不同排列配置型式的涡流损耗λ″做一比较。为简化工程计算，同一回路的相间距离和不同回路的间距都取同一值330 mm。详细见下表1220 kV单芯电缆不同排列配置型式下的涡流损耗λ″。

从表1中，不难看出：一回电缆采用直角三角形布置涡流损耗最小，采用品字型或三叶型布置涡流损耗最大。二回电缆平列一层相序正向布置涡流损耗小，相序反向涡流损耗大；二回电缆层叠相序反相涡流损耗小，相序正向涡流损耗大。三回电缆层叠对应第二层相序反向涡流损耗小，相序正向涡流损耗大。四回电缆层叠对应第二或第三层相序反向涡流损耗小，相序反向涡流损耗大。

现对涡流损耗的电缆载流量的影响进行分析计算，以表1中的二回电缆层叠二层的相序正向和反向的1200 mm2单芯220 kV电缆为例，当采用相序正向排列时，电缆载流量为917.3 A，当采用相序反向排列时，电缆载流量为975.3 A，由于采用相序排列配置的不同，电缆载流量相差6.32%。因此，若采用正序排列时的电缆载流量已满足系统要求，那么1000 mm2截面的电缆采用反序排列也能满足系统载流量的要求。

1.2 采用合理接地方式和分段长度

采用金属套单点接地的接地方式，能防止电缆金属护套产生环流；采用交叉互联的接地方式，且每个交叉互联段内的分段长度均等时，交叉互联段内电缆的正常感应电压各相之和应为零，从而电缆的环流损耗λ`为零。

对某单回共一段L=300 m长的上述1200 mm2单芯220 kV电缆线路为例，若采用单点接地方式时，电缆的环流损耗λ`=0，电缆载流量I=1141.7 A；但若采用两端直接接地方式时，电缆的环流损耗λ`=1.744，电缆载流量I=867.4 A，电缆载流量相对减少24.0%。

对某单回共三段，采用交叉互联接地方式且分段均匀的上述1200 mm2单芯220 kV电缆线路为例，电缆的环流损耗λ`≈0，电缆载流量I=1147.7 A；但若该回电缆的分段长度不等，L1=500 m，L2=550 m，L3=700 m时，将产生剩余的感应电压，导致该回电缆线路具有环流损耗λ`=0.036，电缆载流量I=1134.8 A，电缆载流量减少1.1%。

已知上述单回电缆平列布置，相间距S=330 mm，电缆金属层的平均半径r=115.05 mm，金属套电阻RS=3.657×10-5 Ω/m，最高工作温度下单位长度的交流电阻R=2.008×10-5 Ω/m。

根据上述例证，对于110 kV及以上高压单芯电缆，金属护套应采用单点接地或交叉互联接地的接地方式，且交叉互联段内电缆长度应尽量均分。采用这样的接地方式，能有效减少电缆金属护套的环流损耗，提高电缆载流量。

1.3 降低敷设环境温度

电缆周围环境温度越低，高于环境温度的导体允许温升越高，电缆载流量越大。但对于电缆所经区域，温度一定，正常情况下无法改变环境温度，但选择电缆路径时，可远离有热源的区域，尽量选择地温较低的地理位置。

对某一地区，不同埋深处的地温是不同的，如广东省代表性城市8月份不同深度下的平均地温，如表2所示。

现以广州地区8月份的平均地温为例，对不同埋深下，直埋、单回平列布置1200 mm2单芯220 kV电缆的载流量进行计算，统计情况如表3所示。

从表3可统计出环境温度每降低1 ℃，电缆载流量增加9.4～9.6 A，增加幅度约为8.0‰～8.5‰。

从上述分析可知，环境温度对电缆载流量的影响还是很大的，若环境温度相差8 ℃～10 ℃时，电缆载流量可相差6.5%～8.1%，电缆标称截面积的选取将相差一个等级。

1.4 降低电缆外部热阻

对于敷设在土壤中的电缆，其外部热阻T4正比于土壤热阻系数，土壤热阻系数越大，电缆外部热阻越大，载流量越小。现对同一地温下，不同土壤热阻系数直埋敷设的1200 mm2单芯220 kV电缆载流量作一比较。详细见下表4所标。

从表4中可看出，当土壤热阻系数不同时，对电缆载流量的影响很大，因此，采用低热阻系数的回填土非常重要。现今珠三角地区常规的回填土主要为细沙，其热阻系数一般在1.2 K・m/W左右，但其会随水分迁移发生波动。

为降低外部热阻，国外早有通过回填低热阻介质和向排管内泵入导热介质以改善直埋和排管敷设电缆的散热条件，提高电缆载流量的应用，如美国、英国和香港等。低热阻填充介质具有热阻系数（0.17～0.49 K・m/W）、保水能力强、状态稳定和对电缆无伤害等优点，目前低热阻电缆填充介质有应用于广州供电局、佛山供电局等地区的部分220 kV、110 kV和10 kV电缆工程中，运行情况良好。对填充低热阻介质（按0.4 K・m/W考虑）和填充细沙的1200 mm2单芯220 kV电缆线路，其载流量相差超过24%以上，效果是明显的。

现以1200 mm2单芯220 kV单回电缆线路为例，当采用排管敷设时，已知排管外径280 mm、管厚18 mm、热阻系数为4.6 K・m/W，电缆载流量为1052.5 A；当排管内导入低热阻介质后，低热阻介质热阻系数按 0.4 K・m/W取值，电缆载流量为1099.1 A，载流量增加了4.4%。

对于大型的电缆沟，若全部填充低热阻填充介质，造价将非常高，因此，可考虑在电缆载流量的瓶颈段排管处导入低热阻填充介质，以均衡全线电缆载流量。

1.5 采用合理敷设方式

电缆在不同敷设方式下，其回路间距、相间距、相序布置、环境温度和外部热阻等因素，对电缆载流量都有不同程度的影响。但对于同一电缆线路，为便于计算，其环境温度、土壤热阻、回路间距和相间距一般均取相同值，主要影响电缆载流量的因素是外部热阻。外部热阻分为在空气中敷设，不受日光直接照射和受日光直接照射的外部热阻；埋地电缆的外部热阻；在冲沙电缆沟中的外部热阻；在排管中的外部热阻等。现对埋地电缆，不同敷设方式下的电缆载流量列于表5。

计算条件：埋深0.8 m，相邻电缆之间轴线距离330 mm，单点接地或交叉互联接地，土壤热阻1.2 K・m/W，排管热阻4.6 K・m/W，最高地温29.1 ℃。全文载流量计算没有特别说明均按该条件进行计算。

从表5中可看出，在相同回路情况下，槽盒直埋电缆的载流量要优于排管直埋的敷设方式，而且在单回情况下，载流量相差 7.8%，双回情况下相差4.9%。因此，在选择电缆敷设方式时，应尽量少用电缆排管的敷设方式，若不得已采用，也可通过2.4节所述，在导管内注入低热阻填充介质，改善电缆在排管内的散热，提高电缆载流量。

2 结语

根据上述分析，改善电缆载流量的方法有很多，设计人员可根据工程实际情况，采用适合该工程的方法，做到满足电力输送容量的前提下，尽量选择小截面电缆，减少工程投资。

参考文献

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