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1、交联电缆运行时的热特性参数设计计算一九九六年九月1. 概况随着我国电力事业的发展,交联电缆的应用愈加广泛了。初步估计：1995年共生产35kV 及发下交联电缆达2.2万km (其中10kV及以下的电缆约占95%)。110kV交联电缆共需求 约420km (其中进口的110kV电缆约占2/3)。随着电缆应用数量的增多，各供电部门要求 提供电缆运行中的热性能参数更为普遍,很多企业因不知道这些参数而失去市场竞争的机 会,出口产品如不提供这些参数,就根本没有投标资格,可见一个管理健全和较为现代化的 电缆企业,一定要具备这些参数资料,共包括三个方面的资料：1) 电力电缆连续负荷下的载流量,机械部上海电缆
2、研究所已于1994年出版了载流量 技术资料,很多电缆企业已经在产品样本上参照刊出。2) 电力电缆和金属屏蔽的短路电流,短路电流中特别是金属屏蔽层的短路电流由于各 电缆企业在工艺选用中尚有一定难度，尽管IEC 949-1988早就出版了其计算方法，目前尚 未见到有关电缆企业的选用表格,本文总结了国内外工艺结构中的参数选用经验,编制了一 套参数，是否适当，还需在实践中不断修正。3) 电缆运行时，保护系统要求提供的技术参数如：1) 电缆的交直流电阻2) 电缆的电容3) 电缆的电感4) 电缆的正、负序阻抗5) 电缆的零序阻抗各电缆企业已经提供了电缆的直流电阻，并作为出厂考核指标，有些企业如山东电缆 厂
3、、无锡电缆厂等较大的电缆企业已在样本上刊登了电感、电容等一些资料，但还是不够完 整的。2. 电网系统的综合分析2.1 电网系统的分类电网系统的种类较多，若归纳起来，可以分为直接接地，小电阻接地，消弧线圈接地和 不接地系统等种类，其中小电阻接地和消弧线圈接地又通称非有效接地系统，分别介绍如下：a) 直接接地系统，110kV及以上高压和超高压电网采用直接接地系统，电网容量大， 可靠程度高，一相故障接地，保护系统可在零点几秒内跳阐，系统过电压大大降低，由于采 用双回路供电，工程造价成倍上升，110kV及以上电网，均采用直接接地系统，我国也不例 外。b) 小电阻接地系统，用于35kV及以下电网，电网容
4、量不算太大，采用小电阻限止接 地故障电流，保护系统可在数秒或数十秒钟内(最大不超过一分钟)跳阐，系统过电压不高， 由于采用双回路供电，一回故障接地跳阐时，另一回可继续供电，但工程造价成倍上升，发 达国家均采用小电阻接地系统，以保证供电的可靠性。c）消弧线圈接地系统，即采用一电抗线圈限止接地故障电流，为前苏联和东欧国家大 量采用，日本在 6070 年代也曾大量采用过。我国在 5060 年代的电网建议均参照苏联模 式，至今仍全部采用这种系统，该系统的特点是一相故障接地后，由于接地故障电流被消弧 线圈限制到很小，系统仍可继续供电，因能采用单回路供电，工程造价非常便宜，其缺点是 系统过电压高，一相故障
5、接地时，其它两相将长期承受线电压（1.73U。），降低了电缆的老 化寿命，表 2-1 为我国某些大城市采用消弧线圈接地系统的一些基本情况。表2-1 中的接地 故障时间最大不超过2小时，已列入电力部“电气事故处理规程”表中I为接地故障电流,C在消弧线圈接地系统中I10A，可达数十安或数百安培。C表 2-1地区项目指标一-上海华东沈阳北京消弧线圈接地系统过电压 故障接地时间 采用不接地系统规定 采用消弧线圈系统规定3-5U02小时I V10ACI 10AG4U02小时I V10ACI 10AG4U02小时4U02小时d）不接地系统,我国在35kV及以下系统中，如电容电流I V10A, 10kV系统
6、I V20A,CC6kV系统I V30A时，采用不接地系统，否则就难以切断电容电流，就必须采用消弧线圈接 C地系统，以补偿线路的电容电流。从电网系统的分类可见，我国作为一个发展中国家，只能采用工程造价较便宜的消弧 线圈接地系统，由于系统过电压要求电缆绝缘较厚，电网才能安全运行，故应采用6/6kV, 8.7/10kV及26/35kV电压等级，尽可、管电缆价格贵些，但在电网系统中占的份额极小，如 果供货弄错了，将对电网的安全运行带来很大危害，在我国少数地区如宝钢大型企业，一些 工业开发区，也采用双回路系统，还有一些出口产品，一般均采用双回路系统，应提供另一 类型号规格即3.6/6kV, 6/10k
7、V, 12/20kV, 18/30kV和21/35kV等电压等级，绝缘厚度较前 一种规格薄一些，千万不要在供货时弄错。2.2 电网系统的短路在三相电力系统中，会产生三相短路，两相短路，两相对地短路和单相短路等各种情况， 其中以单相短路概率最多，约占65%，三相短路概率最少，约5%，两相和两相对地短路分 别占10%和20%。在三相不对称电力系统中，任何一节点的电压矢量UA, UB, UC,可以分A B C 为分解为正序分量，负序分量和零序分量，即：U =U +U +UA A1 A2 A0U =U +U +UB B1 B2 B0LaiUbiLci正序电压UA2lB2LC2负序电压LaoLboUco
8、零序电压LboLco图2-1三相不对称短路系统图解因 A1，B1，C1 绝对值相等，次序为顺时针称正序分量U =U e-j120A1 C1U =U e-j120B1 A1U =U e-j120C1 B1又 A2，B2，C2 绝对值相等，次序为逆时针，称负序分量U =U ej120A2 C2U =U ej120B2 A2U =U ej120C2 B2而 A0，B0，C0 绝对值相等且相同，称零序分量U =U =U =UA0 B0 C0 0与此相对应的正序、负序、零序电流，和正序、负序、零序阻抗，分别用I/ I2，I0和 Z ， Z ， Z 表示。120 采用以上方法，大大简化了三相系统中不对称短
9、路电压的设计计算，即利用任一点的三相不对称短路电压失量，可以分解为正序、负序和零序三个分量短路电压这一原理。 三相系统中短路电流的关系可用下列公式表示：(1) 三相短路电流13二mE/Z二Ikk(2) 两相短路电流12二mE/Z -Z =込；I(m=1)(m= 3 )(3) 单相短路电流I1kmE3Z= IZ + Z + Z Z + Z + Z k1 2 0 1 2 0(m=3)k12/ 2 k(Z + Z ) Z (Z + Z ) Z 丁 两相接地短路电流14 =，31+2x1 一20k F(Z + Z + Z )2 k Z + Z + Z1 1 2 0 1 2 0其中：E系统电压Z短路阻抗
10、（Z=R+jX）Z , Z , Z正，负，零序阻抗（Z=Z =Z）1 2 0 1 2计算举例，如llOkV系统短路容量为6000MVA，选择单相接地时的短路电流及所需金属 屏蔽截面。P 二爲EI其中 P=6000MVA6000三相短路电流13 = 31.5kAk v3 1103Z3单相短路电流11 二 13 二 31.5 二 18.9kAk Z + Z + Z k 5120其中，Z=Z =Z，一般选用Z=3Z1 2 0 1如粗略估计短路电流密度为0.2kA/mm2，则所需金属屏蔽截面为：S = 18.9/0.2 沁 95mm2上述短路电流的短路时间为1秒，如时间为t秒，则t秒时短路电流为I =
11、 / * tt上述计算是非常粗略的，短路电流密度按0.2kA/mm也不是很准确的，特别是铜带屏蔽， 误差达30%,应采用IEC 949-88标准的方法设计计算，对于选用1呷也是近视的，交 联电缆的正、负序和零序阻抗是可以精确计算的。当然，电缆发生接地故障时，一部分短路 电流由金属屏蔽层或金属护套层通过，一部分由大地回流，且接地时的阻抗值很难确定，且 和接地位置等有关，但电缆本身的z0, zi及z2应由电缆生产厂提供，最后由电力设计部门和 供电部门综合考虑。3. 电缆导体短路电流的设计计算电缆导体应能承受容量最大的三相短路电流，由于短路容量大，短路时间短，一般均采 用 IEC 949 88中绝热
12、过程短路电流计算公式：I 2t = K 2S 2 ln AD0 +Pi（卩 + 20） x 10-1220C时导体的比热容（J/m3K）20 C,导体的电阻率其中，S电缆标称截面mm2I 导体短路电流（ AD 表示绝热过程） ADt短路时间（一般t取1秒）B 温度系数的倒数00oP最终短路温度0 =250Cff起始短路温度i表为对某些参数的初步计算结果：表 3-1材料K (ASi/2/mm2)B (oK)O(J/m3K)X10620p (Q .m) X 10-91 20铜226234.53.4517.241铝1482282.528.264铅412301.45214钢782023.8138不同截
13、面的铜铝导体短路电流计算结果见附表1,附表1中的I是一秒钟短路电流,AD可按I士换算到t秒钟的短路电流。t4. 金属屏蔽层短路电流的设计计算4.1 电缆结构工艺选择1) 铜、铝导体采用紧压导体,紧压系数约0.9左右,其外径尺寸列于表4-1中。 表 4-1导体外径D0导体外径D0导体截面S铜丝屏蔽截面导体截面S铜丝屏蔽截面mm2mmmm2mm2mmmm22561618516.2353571624018.43550&31630020.6357010.01640023.8359511.62550026.63512013.02563030.03515014.6252) 内外半导电层结构，内半导电层厚度
14、对10kV及以下电缆，一般选用0.60.8mm 已经足够了,因电压低,且采用紧压导体,不必要取得太厚,半导电层取得太厚,除因结构 尺寸不经济外，还会使tgB过高，对产品性能不利，对10kV以上电压等级，为均匀电场分 布，可采用1mm厚的内半导电层，对外半导电层，原则是愈薄愈好，以往选用较厚的结构尺 寸，主要是因悬链控制不好，防止外半导电层擦伤，同时因铜带过硬曾将外半导电层割破， 目前各电缆厂均采用较薄的外半导电层厚度了。表 4-2 为对内外半导电层的建议厚度，表 4-3 为供计算用电缆结构尺寸表。表 4-2名称6/10kV及以下& 7/1012/20kV18/3026/35kV185 mm2以下185 mm2及以上内半导电层厚度mm0.60.60.81.0外半导电层厚度mm0.80.80.81.0表 4-3 供计算用单芯电缆结构尺寸 *3.6/6kV6/6, 6/10kV& 7/10,导体截面导体直径铜带内径电缆外径铜带内径电缆外径铜带内径YJV
