1、電纜載流能力與敷設條件及環境溫度的關系1 前言 電纜的載流能力關系到纜芯截面選擇、電纜安全運行、經濟效益等諸多方面，因此為了 更加安全、合理、經濟的選擇電纜有必要對電纜的載流量在不同條件下的變化情況進行分析， 以滿足實際工作需要，進一步提高系統安全和節省開支。本文主要針對電纜的載流量與敷設 條件及環境溫度的關系進行分析，以求能夠更準確的計算出 XLPE 電纜的額定載流量，為線 路設計提供更有價值的參考。2 電纜載流能力概述 電力電纜載流量是按電纜導體在通載一定電流下引起的溫升不超過絕緣材料的最高允許 溫度確定的，對于150kV 擠包絕緣電纜 IEC840（88年）、IEC60840（1999

2、年）均標明 XLPE 電纜持續運行允許最高溫度 M為90。因此，到目前為止 35kV 以上XLPE 的M在工程上 一般采用 90 或留有安全運行裕度。電纜導體的溫度主要受電纜通載電流和電纜本體（電纜 的絕緣層、外護套）的熱阻及電纜運行環境的影響。國際電工委員會發布的電纜載流量計算 標準（ IEC60287 ）對一般的簡單的運行狀態的載流量可以進行理論計算。但是，由于計算中 對相關參數的取值不同，計算出的結果有一定的差異，特別對于運行條件相對復雜的場合， 如大量的排管敷設、直埋敷設，計算值的合理性還有待于大量試驗數據的驗證。部分國家在工程應用中對 XLPE 電纜的 M 取值見下表：國家電壓（ k

3、V ） M （）備注法國909086 年應用2259094 年應用俄羅斯11090加拿大2308590 年開始應用安大略水電公司。電纜熱老化試驗按95德國400756h 以內 M 可達 90 ，電纜型式試驗按 95 ，供貨資格試驗按 903 試驗敷設方式為了進一步驗證理論計算值與實際運行時載流量的關系我們特按照圖 1 所示方式進行了 試驗。穿心變壓器試驗電纜調壓器380V圖 1 電纜載流量試驗示意圖試驗電纜為紅旗電纜廠 YJLW-Z1 400 、YJLW-Z1 500110kVXLPE 電纜。敷設方式為 穿水泥管、穿玻璃鋼管。將所試電纜敷設在規定的運行條件下，在電纜導體和護套上布置測 溫傳感器

4、。排管內用熱電偶管內測量，電纜中用鉆孔固定方法，每根電纜在中心位置線芯處 放置 1 個熱電偶，電纜外護套上放置 1 個熱電偶。沿中心向兩端每隔 1.0 米、1.5 米、 2.0 米 在電纜外護套上放置熱電偶，在距中心兩側 3.5 米電纜線芯處放置熱電偶。其余熱電偶按一 定方式分布在排管和周圍土壤各處。每個熱電偶按規定絞好后，穿入塑料保護管中，熱電偶 端部焊在 11cm 銅片上，并編上號。熱電偶制作好后與標準溫度計校準后投入使用。 ，我們 在敷設電纜時還在排管的上面和下面分別敷設了同樣的管子，以更好的模擬現場情況，具體 情況見圖 2。圖2電纜敷設示意圖4 理論計算目前我國 110kVXLPE 電

5、纜的敷設狀態一般采用電纜隧道的形式，但也有相當一部分地 區或個別施工地點采用直埋或穿管形式。為了對電纜載流量的計算有一個基準，對于不同的 敷設方式規定了不同的基準環境溫度：管道敷設為25、直埋敷設為 25 、空氣或暗溝敷Wd0.5T1 n(T2 T3 T4 )nR(1 1)T2 nR(1 1 2)(T3 T4)設為 40、室內敷設為 30 。額定載流量可用國際電工委員會發布的電纜額定載流量計算 系列標準 IEC60287 計算：式中：I 一根導體中流過的電流高于環境溫度的導體溫升R最高工作溫度下導體單位長度的交流電阻， Wd 導體絕緣單位長度的介質損耗 T1一根導體和金屬套之間單位長度的熱阻

6、T2內襯層與填料熱阻T3外護套單位長度熱阻T4電纜表面和周圍媒質之間單位長度熱阻 =C OWd2fCU2/ （tan ） *10 5W/cm1、2 為護套損耗、鎧裝損耗與線芯損耗之比n 電纜根數，本文取 1RT14.1 發熱損耗的計算交流電阻計算 導體在最高工作溫度下工作時單位長度的交流電阻由下式給出：R R(1 Ys Yp)式中：RR最高工作溫度下導體的交流電阻（ /m ）最高工作溫度下導體的直流電阻（ /m ）Ys 集膚效應系數Yp 臨近效應系數直流電阻 R由下式計算給出：R=R01+20(-20)，式中：R0 20時單位長度導體的直流電阻。直接從 GB/T 3956 上引用，對于銅導 體

7、常溫電導率 =1.7241 10-8( m)，。20 導體電阻的溫度系數。根據標準 IEC 60287 ，20=3.93 10 -3(1/K )。 導體最高工作溫度() ，對于試驗的 XLPE 電纜取 90 。集膚效應系數 Ys 由下式給出：4xsYs s 4 ,192 0.8xs4式中xs2 8 f 10 7 kss R sf 電源頻率，取為 50Hz 。 ks 根據 IEC 60287 標準，本章中 ks=1 。本試驗臨近效應不予考慮。4.1.2 絕緣層的介質損耗根據標準 IEC 60287-1 ，對于 XLPE 無絕緣填充料的電纜，在運行電壓低于 127kV 時， 可以不考慮介質損耗。4

8、.1.3 金屬套與屏蔽的損耗系數 對于工頻交流電力電纜，護套往往是接地的，而由于交變電流產生的感應電勢的影響， 會在金屬套與屏蔽上產生環流電流，從而引起損耗。本試驗中不予考慮。4.1.4 電纜熱阻計算4.1.4.1 絕緣層熱阻對于單根電纜，整個絕緣層的熱阻為：T1=(T/2)ln(1+2t 1/d c)式中： T 為絕緣層熱阻，對于 XLPE 材料取為 3.5K?m/W dc 導體直徑( mm) t 1 導體和金屬之間的絕緣厚度( mm)4.1.4.2 內襯及填料熱阻計算對于本文涉及的電纜為阻水帶，其計算公式為：T2=(T/6)G式中： T為絕阻水帶熱阻，取 5.0 K?m/WG根據 IEC

9、60287 標準，查表得 0.07 ，0.084.1.4.3 外護套熱阻計算皺紋金屬套外護套熱阻由下式計算：T3=( T3/2) ln(D oc+2t 3)/(D oc+D it)/2+t s式中， T3 外護套熱阻，本文中 PVC 護套T3取為 6.0K?m/W。 t3 外護套厚度（ mm ）。 ts金屬套厚度 Doc 正好與皺紋金屬套波峰相切的假想同心圓柱體的直徑 Dit 正好與皺紋金屬套波谷內表面相切的假想同心圓柱體的直徑4.1.4.4 周圍媒質熱阻 為了確定電纜的溫升，不僅應該知道電纜自身的各組成部分的熱阻，還應該知道電纜周 圍媒質的熱阻。對于本試驗中采用的排管敷設，電纜周圍媒質熱阻應

10、由三部分組成：電纜表 面到管道內壁熱阻 T4 ，管道熱阻 T4 以及管道外部熱阻 T4，所以：T4 T4 T4 T4T4可用下式計算：T4 1 0.1(B C m)Dc式中： mA、B、C 玻璃鋼管：Dc 電纜與管道內壁之間的平均溫度，取 50 由敷設情況決定的常數，水泥管： A5.2，B=1.1 ，C0.011；A5.2 ，B=0.91 ，C0.010 電纜外徑T4 用下式計算：T ln( Do)2Dd式中：式中：管道外徑（ mm ），取為 260mm 。管道內徑（ mm ），取為 200mm 。T 管道材料熱阻系數（ K?m/W），對于水泥管道，取 1.0 K?m/W ， 玻璃鋼管取 4.

11、8 K?m/W，Do=165 ， Dd=145 。T4=（T /2） lnu+（u2-1）1/2+ln1+（2L/s 1）2 土壤熱阻系數（ K?m/W），取 0.6 K?m/W。2L/De 管道軸線至地表面的距離（ mm ）管道外徑（ mm ）DoDduLDe4.2 結構 根據標準s1 在平面排列的三個不相接觸的電纜中， 兩個相鄰管道之間的距離 （mm ）IEC 60502 ，這兩種電纜的標準結構如表 2 表 2 電纜的結構參數（單位： mm ）電纜型號結構YJLW-Z64/1101400YJLW-Z64/1101500導體直徑23.826.6導體屏蔽厚1.31.4絕緣厚度17.517絕緣屏

12、蔽厚1.21.2阻水層近似厚度5.05.0皺紋鋁厚度2.02.0外護套厚度4.04.0電纜外徑89914.3 引起電纜發熱的損耗 表 3 電纜的損耗參數電纜型號參數YJLW-Z64/1101400YJLW-Z64/1101500電阻 損 耗直流電阻 R/ ?m-15.4959 10-54.3967 10-5YsYs=0.0266Ys=0.0411Yp00交流電阻 R / ?m-15.6421 10-54.5774 10-5介質損耗 WdXLPE 電纜（無填充料） ，U0 127 kV ，不計金屬層及屏蔽 損耗環流損耗 1 00渦流損耗 1”004.4 熱阻熱阻計算分為兩部分，電纜本身各部分的熱

13、阻與外界熱阻，電纜自身熱阻的計算結果見表 4表 4 電纜自身的熱阻（ K?m/W ）電纜型號YJLW-Z64/1101400YJLW-Z64/1101500參數絕緣熱阻 T1T1=0.5493T1=0.5045內襯熱阻 T2T2=0.0186T2=0.0212外護套熱阻 T3T3=0.1168T3=0.1123外部熱阻的計算結果見表 5。所計算的電纜為理論上通以相同的電流時溫升最大的電纜表 5 最熱電纜敷設環境熱阻（ K?m/W ）電纜型號參數YJLW-Z64/1101400YJLW-Z64/1101500敷設方式水泥管玻璃鋼管水泥管玻璃鋼管T40.33150.38790.32470.3759

14、T4”0.04180.09870.04180.0987T41.30211.34621.37461.4183T41.67541.83281.74111.89295 載流量的理論計算結果參數設置：導體運行最高溫度 Tmax=90 。為了便于比較，給出了單根電纜穿管敷設理 論載流量，土壤熱阻取 1.0 K?m/W ，敷設深度 400 為700mm ，500 為900 mm ，計算在各 種土壤溫度下的載流量見表 6。表 6 單根電纜穿管敷設理論載流量電纜型號載流量（ A）水泥管玻璃鋼管溫度（）51015205101520YJLW-Z64/ 110 140079977575072577375072670

15、2YJLW-Z64/ 110 15008838578298028568318057776 穿管敷設電纜試驗結果以上兩種電纜敷設在 5土壤中的水泥管和玻璃鋼管內電流加熱試驗，在電纜導體敷設 了熱電偶進行溫度監測，試驗結果見表 7。表 7 土壤溫度為 5 時的試驗結果溫度/電流/A導體水泥管玻璃鋼管400mm 260352677966676951809010559094500mm 26045166893667810327090115590102表 8 土壤溫度為 15 時的試驗結果溫度/電流/A導體水泥管玻璃鋼管400mm 29016869500mm 2111542507 數據分析對比以上數據發現土壤溫度為 15和 5時