黃肖為 張玉成 洪曉東 毛煒 王成珠 岳振國 鐘祥釗

摘? 要：皺紋鋁套高壓電纜多次發(fā)生緩沖層燒蝕導(dǎo)致故障跳閘，而平滑鋁套新型結(jié)構(gòu)是解決高壓電纜緩沖燒蝕問題的有效途徑之一。該文通過緩沖層電阻試驗(yàn)和有限元仿真，分析平滑鋁套與皺紋鋁套緩沖層特性。通過測試和計(jì)算不同鋁套結(jié)構(gòu)電纜的電氣性能，對比分析皺紋鋁套改用平滑鋁套后的性能影響。結(jié)果表明，平滑鋁套電纜在不同敷設(shè)環(huán)境下的載流量比皺紋鋁套電纜至少提升7.7%，同時(shí)線路的無功功率損耗呈現(xiàn)一定的降低，環(huán)流和感應(yīng)電壓均與皺紋鋁套電纜相差不大。

關(guān)鍵詞：高壓電纜；平滑鋁套；仿真模型；載流量；電阻試驗(yàn)

中圖分類號：TM247? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）19-0051-05

Abstract： The fault trip caused by buffer layer ablation of wrinkled aluminum sheathed high voltage cable occurs many times， and the new structure of smooth aluminum sleeve is one of the effective ways to solve the problem of buffer ablation of high voltage cable. In this paper， through buffer layer resistance test and finite element simulation， the characteristics of buffer layer of smooth aluminum sleeve and wrinkled aluminum sleeve are analyzed. By testing and calculating the electrical properties of cables with different aluminum sheath structures， this paper compares and analyzes the performance influence of corrugated aluminum sleeves with smooth aluminum sleeves. The results show that under different laying conditions， the carrying capacity of smooth aluminum sheathed cable is at least 7.7% higher than that of wrinkled aluminum sheathed cable， at the same time， the reactive power loss of the line is reduced to a certain extent， and the circulating current and induced voltage are not much different from that of wrinkled aluminum sheathed cable.

Keywords： high voltage cable; smooth aluminum sleeve; simulation model; current carrying capacity; resistance test

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，2021年《中國電線電纜行業(yè)“十四五”發(fā)展指導(dǎo)意見》正式發(fā)布，電力電纜及其附件領(lǐng)域進(jìn)入了向著綠色化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的新發(fā)展階段[1]。高壓電纜因其土地資源利用率高、節(jié)省走廊面積、受天氣影響小等優(yōu)點(diǎn)，在推進(jìn)低碳、低能耗的電力系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。高壓電纜從內(nèi)到外的組成部分包括：導(dǎo)體層、內(nèi)半導(dǎo)電層、絕緣層、外半導(dǎo)電層、緩沖層、鎧裝層和外絕緣等。其中，國內(nèi)高壓電纜的鎧裝層主要有鉛套、皺紋鋁套、皺紋銅套等。鉛套因其機(jī)械強(qiáng)度低、抗拉伸能力弱，同時(shí)相對密度大，使得電纜重量大，給運(yùn)輸和安裝帶來極大的不便，故很少使用。銅套由于造價(jià)高，也很少使用。

我國正在運(yùn)行的高壓電纜中90%以上用的均為皺紋鋁套。然而，由于皺紋鋁套主要與緩沖層呈線性接觸，隨著運(yùn)行年限的增加，高壓電纜曾多次發(fā)生緩沖層與皺紋鋁套間的放電燒蝕問題，從而引發(fā)電纜本體故障[2-4]。嚴(yán)有祥等[5]通過設(shè)計(jì)灼燒模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為緩沖層與護(hù)套間的間隙不利于電纜內(nèi)部散熱，使得正常運(yùn)行電壓下電纜本體產(chǎn)生的泄漏電流會對緩沖層造成灼燒。劉英等[6]通過電-熱場耦合仿真，發(fā)現(xiàn)緩沖層與皺紋鋁套的接觸位置易發(fā)生電流集中，導(dǎo)致局部溫升從而發(fā)生燒蝕現(xiàn)象。為了改善這一問題，通常在緩沖層外再纏繞一層金布，使得緩沖層與鋁套接觸面積最大化，具有更好的電氣接觸。然而，當(dāng)金布中的銅絲數(shù)量較少而不足以承受工作電壓下的充電電流時(shí)，同樣會對半導(dǎo)電屏蔽層造成損傷[7]。此外，也有學(xué)者認(rèn)為皺紋鋁套內(nèi)部過大的空氣熱阻會降低電纜的載流量， 且皺紋鋁套存在的感應(yīng)電壓會對絕緣線芯產(chǎn)生放電燒蝕[8]。

西方國家主要采用平滑鋁套屏蔽結(jié)構(gòu)的高壓電纜，該電纜結(jié)構(gòu)使用熱熔膠涂覆工藝將鋁套和緩沖層緊密連接，阻水性好，彎曲性能優(yōu)良[9-10]。在縮小電纜半徑的同時(shí)降低了鋁套表面的感應(yīng)電流，為避免電纜內(nèi)部的放電燒蝕提供了新的思路。李磊[11]通過對110 kV高壓電纜的導(dǎo)體、絕緣層、鋁套等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)其電纜材料消耗明顯降低，同時(shí)在空氣和土壤中的載流量分別提高了17.5%和11.8%；夏云海等[12]對比分析了平滑鋁套和皺紋鋁套的抗外力機(jī)械沖擊性能，認(rèn)為其耐機(jī)械沖擊基本一致，可以為電纜的施工和運(yùn)行提供足夠的機(jī)械保護(hù)；馮堯等[13]通過有限元仿真和模擬燒蝕實(shí)驗(yàn)對比2種鋁套結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)平滑鋁套能更好地分散因接觸不良導(dǎo)致的電流集中，因此，具備更好地抑制緩沖層燒蝕效果；焦宏所等[14]研究發(fā)現(xiàn)平滑鋁套電纜的感應(yīng)電壓和短路電流較皺紋鋁套相比有一定劣勢，但不影響其實(shí)際運(yùn)行，同時(shí)其載流能力有效提升，放電燒蝕現(xiàn)象減少，提高了線路的安全可靠性。

自我國2010年第一次使用進(jìn)口500 kV平滑鋁套電纜以來，目前，國內(nèi)已有多家電纜制造商成功研發(fā)110、220、330 kV平滑鋁套屏蔽結(jié)構(gòu)高壓電纜，通過型式試驗(yàn)，開展工程示范應(yīng)用。但目前平滑鋁套高壓電纜的應(yīng)用仍然較少，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝實(shí)現(xiàn)、性能參數(shù)等還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步改善平滑鋁套高壓電纜的電氣性能，本文通過分析載流量計(jì)算、阻抗計(jì)算、環(huán)流和感應(yīng)電壓測算等電氣參數(shù)，對比研究了將皺紋鋁套改用平滑鋁套后的電氣性能的影響。

1? 平滑鋁套與皺紋鋁套緩沖層特性對比

1.1? 緩沖層電阻試驗(yàn)

1.1.1? 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

電纜緩沖層燒蝕很大一部分原因是因?yàn)榫彌_層接觸電阻過大導(dǎo)致，本試驗(yàn)通過對比測試平滑鋁套電纜和皺紋鋁套電纜接觸電阻，評估其平滑鋁套電纜緩沖層接觸電阻性能。

1.1.2? 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為電阻測試儀。

1.1.3? 試驗(yàn)材料

平滑鋁套樣品：YJLP03-64/110 kV-1×800 mm2，共5段，編號為1—5，每段長度約1.2 m。

皺紋鋁套樣品：YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2，共5段，編號為6—10，每段長度約1.2 m。電纜試樣外觀如圖1所示。

1）YJLP03-110 kV-1×800 mm2；

電纜外徑96 mm；

絕緣線芯外徑74.8 mm；

1#樣品金屬套長度0.998 m；

2#樣品金屬套長度0.990 m；

3#樣品金屬套長度0.994 m；

4#樣品金屬套長度0.997 m；

5#樣品金屬套長度1.003 m。

2）YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2；

電纜外徑104 mm；

絕緣線芯外徑74 mm；

6#樣品金屬套長度0.985 m；

7#樣品金屬套長度0.989 m；

8#樣品金屬套長度0.977 m；

9#樣品金屬套長度1.000 m；

10#樣品金屬套長度0.990 m。

1.1.4? 試驗(yàn)步驟

將每段電纜兩側(cè)鋁護(hù)套截?cái)?0 cm，露出緩沖帶，預(yù)留靠近鋁套3 cm的緩沖層寬度，電纜中間部位把外護(hù)套撥開去除，再將瀝青或熱熔膠擦拭干凈，用窄銅帶分別綁扎在絕緣外屏蔽和預(yù)留的緩沖帶上，兩端均采用同樣綁扎方式，中間鋁護(hù)套上也綁扎銅帶，將高壓電纜緩沖層測試設(shè)備端口分別接在對應(yīng)的電極上（圖2），分別測試其緩沖層接觸電阻，并折算至單位長度和單位面積的接觸電阻。

1）測量金屬護(hù)套和金屬絲布帶導(dǎo)通性，用萬用表測通斷，要求有良好的連通性（針對有金屬絲布帶的高壓電纜）。

2）翻起金屬絲布帶，用絕緣帶繞包金屬絲布帶和金屬護(hù)套部分，露出緩沖層（針對有金屬絲布帶的高壓電纜）。

3）用銅帶繞包緩沖層，要求不能接觸半導(dǎo)電層，繞包引出測量端后，用絕緣帶包住繞包導(dǎo)線部分。

4）用銅帶繞包半導(dǎo)電層，繞包引出測量端后，用絕緣帶包住繞包導(dǎo)線部分。

5）樣品中間金屬護(hù)套打磨后，用銅帶繞包金屬護(hù)套，繞包引出測量端后，用絕緣帶包住繞包導(dǎo)線部分。

6）取一端金屬線芯打入鋼釘。

7）接線，P，T，N3個(gè)端子，P端接兩端半導(dǎo)電及一端線芯引出測量端，T端接中間金屬引出測量端，N端接兩端緩沖層引出測量端。

8）使用高壓電纜緩沖層測試系統(tǒng)，輸入溫度、濕度、電壓等級、線芯截面規(guī)格、金屬套長度和絕緣線芯外徑等，進(jìn)行測量。

1.1.5? 測試結(jié)果

由測試結(jié)果（表1）可知，平滑鋁套電纜緩沖層電阻率為1.0～3.0 Ω·m2，遠(yuǎn)低于皺紋鋁套電纜13.0～19.0 Ω·m2，由于平滑鋁套電纜緩沖層電阻的減小，平滑鋁套電纜將大幅減少高壓電纜緩沖層燒蝕的問題。

1.2? 緩沖層電流密度

采用有限元仿真軟件對截面積800 mm2，絕緣厚度16 mm的110 kV XLPE絕緣平滑鋁套電纜和皺紋鋁套電纜緩沖層電流密度進(jìn)行計(jì)算，緩沖層的電導(dǎo)率和介電常數(shù)分別設(shè)置為受潮后的1×10-5 S/m和1 000，皺紋鋁套電纜設(shè)置緩沖層與鋁套過盈配合0.1 mm。得到的緩沖層電流分布如圖3所示。

即使皺紋鋁套電纜緩沖層已經(jīng)與鋁套進(jìn)行了一定程度的過盈配合，理論上緩沖層的電流密度較鋁套與緩沖層接觸不良情況下有所降低，但是皺紋鋁套電纜緩沖層的電流密度較平滑鋁套仍分布得極不均勻。皺紋鋁套電纜緩沖層電流密度呈現(xiàn)雙峰形式軸向分布，電流密度最大值分布在緩沖層、鋁套與空氣三者接觸處，電流密度最大值的數(shù)值能夠達(dá)到平滑鋁套電纜的100倍左右，會導(dǎo)致緩沖層發(fā)熱嚴(yán)重。

平滑鋁套電纜緩沖層電流密度較小，且分布均勻，一方面電流密度小導(dǎo)致局部產(chǎn)熱功率減小，另一方面電流密度分布均勻，有利于緩沖層散熱。因此，平滑鋁套電纜較皺紋鋁套電纜相比，減小了發(fā)生緩沖層燒蝕的可能性。

2? 電氣性能對比分析

2.1? 載流量計(jì)算

根據(jù)IEC 60287—2006標(biāo)準(zhǔn)，載流量計(jì)算公式如式（1）所示[15]

式中：I為單根導(dǎo)體通過的電流，A；Δθ為高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升，℃；R為最高工作溫度，90 ℃下導(dǎo)體單位長度的交流電阻，Ω/m；Wd為導(dǎo)體絕緣單位長度的介質(zhì)損耗，W/m；T1為單根導(dǎo)體與金屬套之間單位長度熱阻（絕緣熱阻），K·m/W；T2為金屬護(hù)套與鎧裝層之間內(nèi)襯層單位長度熱阻，K·m/W；T3為電纜外護(hù)層單位長度熱阻，K·m/W；T4為電纜表面和周圍介質(zhì)之間單位長度熱阻，K·m/W；n為電纜中符合的導(dǎo)體數(shù)（導(dǎo)體截面相等，負(fù)載相同）；λ1為護(hù)套和屏蔽損耗因數(shù)；λ2為金屬鎧裝損耗因數(shù)。

選取800 mm2的110 kV電纜作為研究對象，對比分析皺紋鋁套和平滑鋁套電纜在不同敷設(shè)環(huán)境下的載流量變化。其中，敷設(shè)方式采用平行敷設(shè)，輻射環(huán)境分別為空氣、直埋、管道敷設(shè)?？諝庵袦囟冗x取為30 ℃；土壤中選取溫度為20 ℃，埋深1 m，土壤熱阻系數(shù)為1.2 K·m/W；管道中選取PE管道熱阻系數(shù)為3.5 K·m/W，管道外徑為260 mm，管道內(nèi)徑為250 mm。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)導(dǎo)體運(yùn)行溫度為90 ℃時(shí)，110 kV皺紋鋁套電纜在空氣、管道、直埋敷設(shè)環(huán)境下的載流量分別為1 219、922、965 A，而平滑鋁套在3種敷設(shè)方式下的載流量分別為1 469、993、1 053 A，相較于皺紋鋁套分別提升了20.51%、7.70%、9.12%。由此可見，平滑鋁套結(jié)構(gòu)能夠顯著提升電纜運(yùn)行的載流量。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證2種護(hù)套結(jié)構(gòu)對電纜運(yùn)行載流量的影響，同樣選取2種800 mm2的110 kV電纜，送往電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心進(jìn)行空氣敷設(shè)條件下的載流量測試。試驗(yàn)回路的布置按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電纜的有效長度不少于10 m，彎曲直徑不小于彎曲試驗(yàn)項(xiàng)目中規(guī)定的要求值。電纜樣品離地面、墻面等不小于200 mm。調(diào)整電流值使導(dǎo)體溫度穩(wěn)定在90 ℃，測試過程不少于5 h，結(jié)束前30 min保持溫度和電流穩(wěn)定，其測試結(jié)果見表2。

根據(jù)表2中的結(jié)果，皺紋鋁套的載流量為1 500 A，平滑鋁套的載流量為1 760 A，同比提高了17.33%，計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算值基本一致。

2.2? 阻抗計(jì)算

選取國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司白洋變電站到新港變電站之間的兩回線路白新1003線和新港1004線作為試驗(yàn)線路。白新1003線和新港1004線全長3 497 m，采用型號為YJW03-64/110 kV的皺紋鋁套電纜，截面積為1×630 mm2。2020年在每回線路上額外敷設(shè)了長為555 m的平滑鋁套電纜，在運(yùn)行1年后，測量其正序阻抗和零序阻抗，并將數(shù)據(jù)和皺紋鋁套電纜進(jìn)行對比。工頻下待測電纜的阻抗及阻抗角如式（2）和式（3）所示

式中：Z為阻抗值；R為電阻值；X為電抗值；?為阻抗角。經(jīng)計(jì)算，工頻工作狀態(tài)下白新1003線和新港1004線換裝平滑鋁套電纜前后，每公里的正序阻抗值和零序阻抗值見表3和表4。

從測試結(jié)果可以看出，在換裝平滑鋁套電纜后，每公里電纜的零序電阻和正序電阻略微增大，零序電抗和正序電抗略微減小，零序阻抗和正序阻抗略微減小，零序阻抗角和正序阻抗角略微減小。由于阻抗角減小，線路無功功率損耗會進(jìn)一步降低，維持電壓保持在正常水平，緩解電力系統(tǒng)調(diào)壓壓力，從而保證電壓質(zhì)量。

2.3? 接地箱環(huán)流和感應(yīng)電壓

同樣選取白新1003線和新港1004線作為試驗(yàn)線路。使用MG3-2型鉗形電表測試平滑鋁套電纜段的接地箱環(huán)流和感應(yīng)電壓，并和皺紋鋁套電纜段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。接地箱環(huán)流和感應(yīng)電壓測試結(jié)果見表5和表6。

若環(huán)流過大，則會造成電纜損耗發(fā)熱，導(dǎo)致電纜局部發(fā)熱影響載流量，加速絕緣老化，危及電纜線路的安全運(yùn)行。由表5可知，將皺紋鋁套電纜更換為平滑鋁套電纜后，環(huán)流結(jié)果相差不大，進(jìn)一步說明了平滑鋁套電纜的可行性。

由表6可知，在更換為平滑鋁套電纜后，接地箱感應(yīng)電壓同樣相差不大，可見平滑鋁套電纜可以代替皺紋鋁套電纜正常使用。

3? 結(jié)論

本文介紹了平滑鋁套電纜緩沖層特性，以及電氣性能和機(jī)械性能評估。通過試驗(yàn)測試、模擬仿真、理論數(shù)據(jù)計(jì)算、第三方檢測和工程數(shù)據(jù)測算等方法，對比分析了平滑鋁套電纜和皺紋鋁套電纜的性能差異，得到主要結(jié)論如下。

1）通過對比平滑鋁套與皺紋鋁套電纜緩沖層電阻試驗(yàn)，相比皺紋鋁套電纜，平滑鋁套電纜擁有更低的緩沖層電阻，對解決高壓電纜緩沖層燒蝕有積極的作用，相比皺紋鋁套電纜更不容易發(fā)生電腐蝕。

2）根據(jù)有限元仿真結(jié)果表明，平滑鋁套電纜緩沖層電流密度更小，分布均勻，局部產(chǎn)熱功率也隨之減小，電流密度分布均勻，有利于緩沖層散熱。因此，平滑鋁套電纜與皺紋鋁套電纜相比，減小了發(fā)生緩沖層燒蝕的可能性。

3）載流量計(jì)算結(jié)果表明，平滑鋁套電纜在空氣、管道、直埋敷設(shè)環(huán)境下的載流量比皺紋鋁套電纜分別提升了20.51%、7.70%、9.12%，實(shí)際測算與理論結(jié)果基本一致。工程測算結(jié)果表明，換裝平滑鋁套電纜后阻抗角減小，線路無功功率損耗會進(jìn)一步降低。環(huán)流和感應(yīng)電壓結(jié)果相差不大，平滑鋁套綜合性能的提升，可以更好地保護(hù)電纜線路的安全運(yùn)行。

4）彎曲性能測試及仿真結(jié)果表明，當(dāng)外護(hù)套厚度不小于4 mm時(shí)，平滑鋁套電纜最低能通過13.8倍電纜直徑的彎曲測試，解決了平滑鋁套電纜相較于皺紋鋁套電纜彎曲性能較差的問題。側(cè)壓力測試同樣證明了平滑鋁套電纜良好的機(jī)械特性。

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