电力电缆载流量影响因素分析

,第二级,第三级,第四级,第五级,电力电缆,电力电缆载流量影响因素分析,根据热路方程求出载流量的计算公式：,式中：c导体允许最高工作温度,a周围媒质温度,W,i,介质损耗,1,、,2,分别为金属屏蔽和铠装层损耗因数；,T,l,、T,2,、T,3,、T,4,分别为单位长度电缆绝缘层、内衬,层、外披层、周围媒质热阻。,Rc导体的交流电阻,一、损耗的影响,以一单芯电缆为例，并且仅分析线芯至金属屏蔽层部分，传输,功率为：,从上式可以看出：,1、,导体：,电缆的传输容量与线芯半径的3/2次方成正比，与线芯,材料的电阻系数的1/2次方成反比。,结论：,线芯采用高电导系数材料可以提高电缆传输。,增大线芯截面。,但随线芯截面的增大，电缆的体积也会增大。成本增，生产和敷设均增加了难度。而且趋肤效应也会增大。为此，对截面在800、1000mm,2,的导体应采用分裂导体的方法克服集肤效应造成的电阻增大。一般电流应在2.5A/mm,2,的经济电流密度范围为宜。,2、绝缘层：,提高电缆绝缘工作温度(, )；提高电缆绝缘材料的最大工作场强(Emax)。,结论：,采用耐高温绝缘材料，采用高击穿场强材料。可减薄绝缘层厚度，降低电缆绝缘层的热阻，可以提高电缆的传输容量。,换言之，如能找到新的绝缘材料具有高的击穿场强，能在较高温度下工作，且具有较小的热阻系数，可以提高电缆的传偷容量，并能缩小电缆的几何尺寸，从而提高电缆的机械性能(可曲度等)。,对于10kV级以下的低压系统，介质损耗占的比重较小，可忽略不计。但随电压等级的提高，介质损耗因有电压平方的关系，故其影响会随电压的增加而增大，既便tg,较小的变化也会引起介质损耗较大的变化。因此高压和超高压电力电缆必须严格限制tg,。,当电压U Uo时，随电压的增加曲线下降，这是由于电压较高时，介质损耗的影响随电压的增加而增压，功率会随之减少。,可得，当 时，电缆的传输功率为零。,由：,此时其相应的电压,相应介质损耗角正切(tg,)称为临界介质损耗角正切(tg ),结论：,临界状态下，由于介质损耗产生的温升已等于电缆的允许,温升，即处于热的临界状态，电缆中不允许通过任何数值,的负载。,显然，若考虑全部的热阻，临界介质损耗因数可写为,以tg,=0时电缆的传输功率为100%，绝缘层介质损耗角正切tg对敷设在空气中电缆的传输功率的影响，如下图所示。,介质损耗在不同工作电压电缆中所占比重。,3、金属屏蔽层损耗和铠装层损耗,由于单芯电缆的结构特性，使金属护套在线路运行时有较高的感应电压和感应电流，在金属护套上容易形成环流，而环流将引起金属护套发热，一方面使工作温度升高，严重时可能会超过容许限值，使电缆寿命缩短，甚至损坏；另一方面环流所损耗的电能亦降低了线芯的载流量。,以YJLW,03,-64/110-1,800电缆为例，在相同条件下不同接地方式时的载流量如下表所示。,对金属护套两端接地的电缆，环流损耗在传输功率中占有很大比例。为此高压电缆，金属护套应采取换位连接。沿电缆线路须敷设回流线。,从上表可以看出，两端接地比交叉互联接地方式下的载流量小，交叉互联比一端接地方式下的载流量小。这是由于在两端直接接地方式下，金属护套中环流相当大，此时载流量大约是一端接地时的70%,80%，载流量降低很多。与之相比较，交叉互联方式的载流量与一端接地方式的相差较小，说明在交叉互联接地方式下，虽然护套中有环流，但由于环流较小对载流量的影响并不大。,二、电容电流的影响,电缆本身就是一个长大的电容器，除了固有的直流漏导以外，还有交流下的电容电流。,据电工原理，电力系统中，发送端和负载端电流电压的关系为,I,1,：为发送端电流；,I,2,：为负载端的电流；,Ic：电容电流,即，从发送端发出的电流，一部分为负载电流，一部分为电容电流。当电容电流增大时，会严重地影响负载电流。,极限情况，设I,T,为额定电流，当I,C,=I,T,时，则,称为电容电流的,临界长度,。电缆的长度越长，电容电流越大。当长度超过临界长度时，可在线路上并联电抗器以补偿电容电流。但此时。负载电流的少许变化均会引起电缆超载过热而处于不稳定运行状态。所以跨江、跨海长距离输电，一般不能用交流电缆而使用直流电缆。,另外在选择绝缘材料时，应选择介电系数较小的材料以减少电容电流。为了提高传输容量绝缘材料更应严格限制tg, , 选择具有较高击穿强度和较高耐温等级的材料。,三、热阻的影响,在初步评估电缆载流量时，如土壤没有非正常地干燥或与热,性能差的材料(如飞尘、砾石)相混合，则土壤热阻系数可采用1.2K,m/W计算。,考虑到,土壤热阻系数随季节变化,，这一点对于像我国南方以及沿海地下水随季节变化较明显地区来说显得相当重要，因为热阻系数受土壤中水份含量的影响很大，任何土壤热阻系数的测量应指明测量时土壤水份含量。,考虑土壤中,水份的迁移,也是不容忽视的。国内外工程实践都曾显示，在缆芯工作温度大于70的电缆直埋敷设运行一段时间后，由于电缆表皮温度在约50情况下，电缆近旁水份将逐渐迁移而呈干燥状态，导致热阻增大，出现缆芯工作温度超过额定值的恶行循环，导致电缆绝缘老化加速，最后以致发生绝缘击穿事故。,在计算载流量时应,留下一定裕度,；若对这种减少载流量无法接受，可采取,换土,即将电缆周围“干燥区域内”的土壤换填以热阻系数相对较小且稳定的回填土，选用适当比例的砂与水泥等拌合作为回填土。其已在工程应用实践中显示土壤热阻系数比较稳定，即使在全干燥状态情况下，其热阻系数也能够维持在,1.2K,m/W,。,当电缆的结构和材料一定时，,减少本体的热阻较困难，有效的方法是降低周围媒质的热阻。,其主要途径是强迫冷却。强迫冷却又分为内部冷却和外部冷却。,内部冷却是指冷却媒质经位于电缆中心的管道实现的强迫冷却。如充油电缆，其中心油道亦为冷却媒质通道，电缆油为冷却媒质，通过油的循环实现冷却。交联聚乙烯绝缘电缆则通过中心水冷却系统实现冷却。但必须有严密的防水措施，以防水对绝缘造成损害。,外部冷却系统主要有两种形式：一种是冷却媒质在埋于地下的金属或塑料管中循环；另一种是对敷设在坑道中的电缆通以压缩冷空气实现冷却。实现强迫冷却的电缆传输容量几乎可以提高2倍。,四、敷设条件的影响,1、敷设方式,目前比较普遍的电缆敷设方式主要有直埋、穿管、空气三种。由于在不同敷设方式下电缆散热程度不同、间距不同等因素，对电缆载流量的影响也不一样。,以YJLW03-64/110-1X 630为例，电缆最大允许载流量及其他计算参数如下:,由上表可知，对于管道敷设电缆即使增大相间距，其载流量仍小于直埋敷设的载流量，约为直埋时载流量的93%，换言之，即电缆线路因有部分穿管而损失了7%的输送容量，管道敷设电缆成为影响整条电缆线路载流量的瓶颈，限制了线路的输送容量。,若电缆敷设在空气中，由于阳光的直接照射会产生巨大热量而减少载流量，架空敷设电缆是通过对流和辐射实现散热，因此空气热阻是分别通过对流和辐射的散热系数体现的，其与电缆外径、电缆之间排列方式、电缆表面温度、环境温度等等数据有关，计算较复杂，如果电缆周围空气流通条件较好，一般设计中110kV电缆周围空气热阻系数取0. 28K*m/W。,高压电缆会套以电缆导管和敷设在构筑物中是最常用的保护方式，这将导致电缆周围空气不易流通，环境温度上升。对于加导管保护的电缆可按上述0.85的系数折减载流量；而敷设在构筑物中的电缆应考虑周围环境温度上升对载流量的折减。下表为以30为基准的环境温度对PE绝缘电缆载流量的换算因数。,空气温度,10,15,20,25,30,35,40,45,50,换算因数,1.15,1.12,1.08,1.04,1,0.96,0.91,0.87,0.82,2、敷设深度,以YJLW03-64/110-1X1000为例，三回电缆穿管敷设在不同深度时的载流量如下表:,由于电缆埋深增大，电缆的载流量下降很大，输送容量亦相应下降。为满足输送容量的要求施工时应按照设计要求的深度敷设电缆，因为敷设太深，载流量下降很大，敷设太浅不能承受重压。,电缆绝缘层中的电场分布,一、圆形单芯电缆绝缘层中的电场分布,1、均匀介质,该型式的电缆的电场是标准的圆柱形电场。因其长度和半径是不可比拟的，故可忽略复杂的边缘效应。采用柱面坐标。因各处的电场轴向分量很小，均可看成与导线相垂直的方向。这样圆柱侧面积上的电场方向处处与外法线的方向一致，而上下底面的电场方向与底面的外法线方向垂直(cos90,0,= 0 )，故据高斯定理，在积分过程中，可只计算圆柱侧面积的电场适量即可，又因对称关系，圆柱侧面上的各点的场强在数值上均相等。则,由此可得：,(1)电场分布和r成反比，最大场强Emax位于线芯表面，,最小强度位于绝缘外表面。,如绝缘内的电场均匀分布，则其电场强度,(2)平均场强和最大场强之比定义为绝缘层的利用系数，它是描述电场分布均匀程度的物理量， 增加则电场分布越均匀 。,(3)当电压一定时，我们希望E,max,取得最小值，为此假设绝缘外半径R为定值，令,可得R/r,c,=e=2.718时最大场强取得最小值。,(4)从经济效益考虑，我们希望在满足一定条件下绝缘体积最小。R/r,c,=2.2时，绝缘层体积最小，且,2、分阶绝缘,如前述，单芯电缆绝缘内的电场分布也是不均匀的，随绝缘半径的增加而降低，造成绝缘利用系数下降。为了提高绝缘利用系数，使电场分布尽可能的均匀，可利用电场强度和介电常数成反比分布的原理，采用两层或多层介电常数不同的材料实现分阶绝缘。一般从导电线芯表面到绝缘表面采用。,说明：,(1)电场,在分阶处电场发生了阶跃 ；,(2)分阶绝缘使线芯表面电场强度降低；,(3)分阶绝缘均匀了电场强度，从而,提高了利用系数，降低了绝缘层厚度。,二、,多芯电缆绝缘层中的电场分布,多芯电缆即一般三芯或多芯绝缘线芯成缆后统包以金属屏蔽层(或金属护套)，这种型式的电缆，一般均用于低压配电系统。因这种型式的电缆绝缘主要考虑机械强度的要求。在满足机械强度的情况下，一般都能满足电气性要求。我们可,仅考虑具最大场强的分布,，且电场可按近似公式进行计算。多芯电缆绝缘层中的电场分布比较复杂，一般用模拟试验方法来确定，在此基础上，在近似的计算它的最大场强。,1、三芯圆形芯电缆最大场强,如图所示，r,c,为导电线芯半径，R为绝缘外半径，绝缘层厚度=R-r,c,，N=R/,r,c,。,(1)线芯1和线芯2间的瞬间电压为线电压U时，,最大场强出现在a,的位置，并可按近似,公式计算，,(2)线芯间电压，如线芯2和3间的电压为0.5倍的相电压时，,最大场强出现在b的位置,，其值为,分相铅包(屏蔽)式电缆绝缘层中电场分布,2、三芯扇形芯电缆最大场强,这种型式的电缆，如图所示，我们仅考虑a、b、c三处的电场强度。,(1)a处电场强度,式中，U,0,为相电压；R,ck,为导电线芯大圆弧所在圆的半径即其大圆弧曲率半径；相绝缘厚度，对油纸带绝缘电力电缆，含带绝缘厚度。,R,ck,可按经验公式求出，,(2)b处场强,式中，U,0,相电压；相绝缘厚度；r,2,b处的圆弧曲率半径，r2 =0.27R,ck,(3)c处,式中，r,1,小圆角处的曲率半径，r,1,=0.17 R,ck,， ， U线电压,C处的场强最大。,三、决定电缆绝缘层厚度的因素,工艺上允许的最小厚度,(,低压小截面电缆,),。,500,伏及以下小截面的橡皮、塑料电线由工艺规定的最小厚度决定。橡皮绝缘电线的最小绝缘厚度规定为,0.3mm,；聚氯乙烯等塑料绝缘电线规定为,0.25mm,；,机械性能,(,低压大截面电缆,),。电缆的绝缘层必须具有足够的厚度，以承受电缆在制造、使用过程中弯曲、拉伸等作用所产生的拉、压、弯、扭、剪切等机械应力。主要的电缆是,1KV,以下的橡皮、塑料电缆。,击穿强度。,只有电缆工作电压高至,10KV,以上时，绝缘的击穿电场强度才逐渐，成为决定绝缘层厚度的主要因素。电缆绝缘层在设计使用期限应能安全承受各种形式的电压,(,工频、脉冲、操作以及故障等过电压,),。根据电缆绝缘层内最大电场强度等于其击穿电场强度时电缆发生击穿的原理来设计电缆绝缘层的厚度。,(1)用平均场强度计算,即用平均场强公式分别计算出长期工频电压下和脉冲电压下的绝缘厚度，取其厚度较大者作为确定绝缘厚度的依据。,长期工频电压作用下：,脉冲电压作用下：,U,om,最大工作相电压,G,L,、G,L,工频和脉冲电压下的最小击穿场强,K,1,、K,1,工频和脉冲电压下击穿强度的温度系数,K,2,、K,2,老化系数,K,3,、K,3,安全系数,(2)用最大电场强度计算,电缆绝缘中最大场强出现在内半导电屏蔽与绝缘交界面，为了保证电缆的正常运行，电缆绝缘的击穿强度G应大于绝缘的最大场强Emax，因此，可以利用最大场强公式可推导出绝缘厚度。计算公式如下：,