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1、会议论文 许宇翔，刘毅刚，来立永 . 不同敷设条件下的电缆载流量分析计算 107不同敷设条件下的电缆载流量分析计算 许宇翔，刘毅刚，来立永 （广州供电局输电部，广州 510310） 摘 要： 电缆导体温度是确定电缆载流量的重要参数，而环境对电缆导体温度影响很大，对导体温度计算的准确度影响也比较大。由于整根电缆的敷设环境非常复杂，而一根电缆的载流量往往是由某个最薄弱环节决定的，故有必要对电缆周围环境对载流量的影响进行研究。本文通过对电缆敷设环境的分析计算，并与试验测得的同一电流不同环境下的电缆导体温度进行对比，得出环境因素对电缆载流量的影响。为提高电缆载流量计算的精确度，改善电缆的工作环境，提高
2、电缆输送能力提供重要的理论参考。 关键词： 电力电缆；环境因素；载流量计算；试验研究 Analysis &Calculation of the Cable Ampacity under Different Laying Conditions XU Yu-xiang, LIU Yi-gang, LAI Li-yong (Transmission Dept. of Guangzhou Power Supply Bureau,Guangzhou 510310,China) Abstract: The temperature of cable conductor is the major parame
3、ter of cable ampacity. However, the environment has great impact on both the temperature of the cable conductor and the accuracy rating of conductor temperature calculation. Because the laying condition of the whole cable is immensely complicated and the ampacity of a cable is often determined by th
4、e weakest point;It is necessary to investigate the impact that the cables surrounding environment to the cable ampacity. By having analyzed and calculated the cable laying environment and compared it with tested temperatures with the same current and in different conditions, environmental factors im
5、pact on cable ampacity can be obtained. Important reference in theory was provided for improving calculation accuracy of cable ampacity, cables working conditions as well as cables transmission capacity. Keywords: Power cable; Environmental Factors; Ampacity Calculation; Experimental Study 国内外对电缆载流量
6、计算普遍依据 IEC60287标准，但是该标准对于与环境条件有关的参数取值并未作出规定。主要是因为与环境有关的参数，其值可能的变化范围较大，取决于电缆敷设现场的条件和状况。例如在空气中敷设时，有直接受阳光照射和不受阳光照射之分；在土壤中敷设时，当电缆表面温度超过 50时， 周围土壤发生水分迁移而引起土壤局部干燥，其载流量计算公式也不同。本文采用 110kV 高压电缆，分别敷设在水、空气、土壤三种不同环境中，研究这三种环境对实际运行电缆载流量的影响和理论计算精确度的影响。 1 电缆载流量计算方法概述 电缆实际运行过程中，其导体温度应不超过绝缘耐热温度的最大值。当电缆持续超负荷运行时，电缆的寿命就
7、会降低。对于交联聚乙烯电缆，当温度超过其允许工作温度值时， 电缆的寿命就会减半。如果载流量偏小，电缆就得不到有效利用，导致资源的浪费。 目前工程上普遍采用热网络分析的方法计算电缆的载流量。根据传热学原理，列出电缆热流场的一般方程，如式 1， 221()iTiiwkxxxk t +=（ 1） 式中ik 为绝缘层热容系数； w 为绝缘层单位体积放出的热流；为温度； t 为时间。 类比电路上的欧姆定律和电网络分析法，建立热路模型，如图 1 所以，通过电缆外部温度计算电缆线芯温度，从而得到电缆的载流量。 对于空气中敷设的电缆，在无强迫对流散热的自由空气中，从高于环境温度的温升表达式 1 可以2010
8、电力电缆状态检修技术交流会会议手册 108 导出交流电缆安全运行的载流量计算公式， 如下式。 10.5T 10.5T2T3T4T图 1 电缆热路模型 电缆在无水分迁移的土壤中敷设或者在水中浸泡时，其载流量计算与在空气中的计算类似。土壤中敷设时当电缆表面温度超过 50后， 周围土壤会发生水分迁移而引起土壤局部干燥，其载流量公式为 0.51 23411212340.5 ( ( 1)(1 ) (1 )( )dxWTnTTTvIRT nR T nR T vT + + + + =+ +）式中 v为干燥土壤和潮湿土壤域热阻系数之比率，x 为土壤临界温升。2 环境因素对电缆载流量的影响 由于不同物质的热物理
9、特性不一样，所以电缆在不同敷设条件下的线芯温度也不一样，从而导致电缆的载流量在不同敷设环境下有所不同。随着电缆周围敷设环境参数的改变，其载流量也有差别。电缆一般敷设在空气、土壤、水三种不同环境中，同一电流下其电缆线芯温度有比较大的区别，试验测得的温度值如图 2 所示。 图 2 同一电流不同环境下的电缆线芯温度 22112212 34(0.5)(1)(1 ) ( )dddI RWTIR WnTIR W nT T= + + + + +0.51 23411212340.5 (1 ) (1 )( )dWTnTTTIRT nR T nR T T + + +=+ +）当常温下的 110kV 交联聚乙烯电缆
10、直接加载1200A阶跃电流时 ， 线芯温度响应曲线如图 2所示。由图可知，在同一电流下，不同的敷设环境造成线芯温度有较大的区别，特别是浸泡在水中的电缆，稳态时其线芯温度比空气中的线芯温度低二十多度。换算成同一温度下的电流值，可以得出，泡水电缆的输电容量比空气中的大 25%左右。其主要原因是，水的温度较低，而且水会流动，使得电缆表面的温度散失较快。 同一敷设环境下，由于某些参数会随着电缆的运行条件改变而改变，造成电缆在同一敷设环境下有不同的线芯温度值，即有不同的载流量。例如直埋电缆，当其表面温度超过 50时，周围土壤就会发生水分迁移，引起局部土壤干燥。一般性土壤热阻系数为 0.91.2K m/W
11、，比较干燥的土壤热阻系数为 1.21.5K m/W/。而发生水分迁移后的干燥土壤，其热阻系数变为 2.03.0K m/W，疏松的土壤甚至可以达到 3.5K m/W。土壤热阻系数增大，会导致电缆线芯温度的偏高，从而限制了电缆的输送能力。 3 环境因素对电缆载流量计算误差的影响 目前国内外对于电缆温度、载流量计算均有相应的标准， 国际上有 IEC-60287 电缆载流量计算 、IEC电缆的导体 、IEC60853电缆周期性和紧紧急性载流量的计算等。上述标准能够计算出标准环境和工况下的电缆内部损耗和内部热阻。但实际应用中，电缆的外部环境非常复杂，难以统一，而且电缆外部环境对导体温度影响非常大，导致计
12、算存在一定的误差。 由图 3 可以看出，电缆导体温度受到环境温度的影响，但是由于热时间常数的存在，导体温度的响应相对环境温度的变化会滞后一定时间。通过热路法计算得到的线芯温度比实际测得温度偏低，而且整个温升过程比较平滑，受环境温度影响较小，造成暂态过程中某些时段温差较大，如图 3 中的 3h 处。但是由于电缆热时间常数比较 图 3 空气中电缆各层温度 会议论文 许宇翔，刘毅刚，来立永 . 不同敷设条件下的电缆载流量分析计算 1094 结论 随着我国城市电网改造工程的进行，电缆作为输电媒质得到了越来越广泛的应用。但是由于用电负荷的快速增长与输电走廊难以扩张之间的矛盾，最大限度的提高电缆载流量成为
13、了一种有效地解决方法。通过对不同环境下电缆线芯温度的研究，了解环境因素对电缆载流量的影响，从而可以利用各种方式改善电缆的运行环境， 提高电缆的输电能力。电缆浸泡在水中比裸露在空气中，其载流量至少可以提高 25%。直埋电缆可以采用特殊回填土及控制周围土壤的环境条件等，可以减少周围土壤水分的迁移，防止由于土壤水分散失导致电缆绝缘热击穿事故。 采用分布式测温系统对电缆表面温度进行监测，从而掌握电缆的运行状况。通过对不同环境电缆载流量计算误差的分析，校正不同敷设条件下的电缆载流量，提出实用算法，为电缆温度在线监测提供参考。 参 考 文 献 1 马国栋.电线电缆载流量M.北京：中国水利水电出版社,200
14、3. 2 梁永春,柴进爱,李彦明等.基于 FEM 的直埋电缆载流量与外部环境关系的计算J.电工电能新技术，2007，26（4） ：10-13 3 李熙谋，不同敷设条件下电缆载流量的校正和实用算法J.电力建设，1997(5):1-7. 4 马国栋，对不同敷设条件下电缆载流量的校正和实用算法一文的探讨及电缆载流量基准值制定J.电力建设，1998( 16):16-21. 5 赵建华,袁宏永,范维澄,赵亚新.基于电缆表面温度场的电缆线芯温度在线诊断研究J. 中国电机工程学报，1999，19（11） ：52-58 6 张尧,周鑫,牛海清等.单芯电缆热时间常数的理论计算与试验研究J.高电压技术，2009，
15、35（11） ：2801-2806 7 刘毅刚,罗俊华.电缆导体温度实时计算的数学方法J.高电压技术,2005,31(5):52-54. 许宇翔 毕业后在广州供电局输电部工作至今，在输电部生技分部主要从事电缆运行和相关技术研究，在电缆隧道运行维护方面，有丰富的运行经验 联系电话 : 15013050005 电子邮箱 : 刘毅刚 广东省广电集团有限公司广州供电分公司输电部主任工程师、高级工程师。华南理工大学本科毕业。从 1976 年起至今一直从事高压电力电缆线路的运行、安装和设计工作，现任广东省电机工程学会电缆专业委员会秘书长、电力行业电力电缆标准化技术委员会委员。 联系地址：广州市赤岗艺苑路 83 号 510310 电话： 020-8426
