电缆载流能力与敷设环境及温度的关系浅析

电缆载流能力与敷设条件及环境温度的关系浅析

1 前言

电缆的载流能力关系到缆芯截面选择、电缆安全运行、经济效益等诸多方面，因此为了更加安全、合理、经济的选择电缆有必要对电缆的载流量在不同条件下的变化情况进行分析，以满足实际工作需要，进一步提高系统安全和节省开支。本文主要针对电缆的载流量与敷设条件及环境温度的关系进行分析，以求能够更准确的计算出XLPE 电缆的额定载流量，为线路设计提供更有价值的参考。 2 电缆载流能力概述

电力电缆载流量是按电缆导体在通载一定电流下引起的温升不超过绝缘材料的最高允许温度确定的，对于150kV 挤包绝缘电缆IEC840（88年）、IEC60840（1999年）均标明XLPE 电缆持续运行允许最高温度θM 为90℃。因此，到目前为止35kV 以上XLPE 的θM 在工程上一般采用90℃或留有安全运行裕度。电缆导体的温度主要受电缆通载电流和电缆本体（电缆的绝缘层、外护套）的热阻及电缆运行环境的影响。国际电工委员会发布的电缆载流量计算标准（IEC60287）对一般的简单的运行状态的载流量可以进行理论计算。但是，由于计算中对相关参数的取值不同，计算出的结果有一定的差异，特别对于运行条件相对复杂的场合，如大量的排管敷设、直埋敷设，计算值的合理性还有待于大量试验数据的验证。

为了进一步验证理论计算值与实际运行时载流量的关系我们特按照图1所示方式进行了试验。

试验电缆

图1 电缆载流量试验示意图

试验电缆为红旗电缆厂YJLW-Z1*400、YJLW-Z1*500110kVXLPE 电缆。敷设方式为直埋、穿水泥管、穿玻璃钢管。将所试电缆敷设在规定的运行条件下，在电缆导体和护套上布置测温传感器。排管内用热电偶管内测量，电缆中用钻孔固定方法，每根电缆在中心位置线芯处放置1个热电偶，电缆外护套上放置1个热电偶。沿中心向两端每隔1.0米、1.5米、2.0米在电缆外护套上放置热电偶，在距中心两侧3.5米电缆线芯处放置热电偶。其余热电偶按一定方式分布在排管和周围土壤各处。每个热电偶按规定绞好后，穿入塑料保护管中，热电偶端部焊在1×1cm 铜片上，并编上号。热电偶制作好后与标准温度计校准后投入使用。，我们在敷设电缆时还在排管的上面和下面分别敷设了同样的管子，以更好的模拟现场情况，具体情况见图2。

图2 电缆敷设示意图

4 理论计算

目前我国110kVXLPE 电缆的敷设状态一般采用电缆隧道的形式，但也有相当一部分地区或个别施工地点采用直埋或穿管形式。为了对电缆载流量的计算有一个基准，对于不同的敷设方式规定了不同的基准环境温度：管道敷设为25℃、直埋敷设为25℃、空气或暗沟敷设为40℃、室内敷设为30℃（王伟，交联聚乙烯绝缘电缆）。额定载流量可用国际电工委员会发布的电缆额定载流量计算系列标准IEC60287计算：

I =

式中： I ---------- 一根导体中流过的电流

Δθ------ 高于环境温度的导体温升

R ----------- 最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω W d --------- 导体绝缘单位长度的介质损耗 T 1 ---------- 一根导体和金属套之间单位长度的热阻 T 2 ---------- 内衬层与填料热阻

T 3 --------- 外护套单位长度热阻

T 4 --------- 电缆表面和周围媒质之间单位长度热阻

Δθ=θC －θO

W d ＝2πfCU 2/（tan δ）*105W/cm

λ1、λ2为护套损耗、铠装损耗与线芯损耗之比。 4.1 发热损耗的计算 4.1.1 交流电阻计算

导体在最高工作温度下工作时单位长度的交流电阻由下式给出：

'(1)s p R R Y Y =++

式中：R —— 最高工作温度下导体的交流电阻（Ω/m ）

R’ —— 最高工作温度下导体的直流电阻（Ω/m ）

Ys —— 集肤效应系数

Yp —— 临近效应系数 直流电阻R’由下式计算给出：

R ’=R 0×[1+α20(θ-20)]，

式中：R 0 —— 20℃时单位长度导体的直流电阻。直接从GB/T 3956上引用。

α20—— 导体电阻的温度系数。根据标准IEC 60287，对于铜导体常温电导率ρ

=1.7241×10-8（Ω·m ），α20=3.93×10-3（1/K ）。

θ —— 导体最高工作温度（℃），对于试验的XLPE 电缆取90℃。 集肤效应系数Ys 由下式给出：

4

4

1920.8s s x Ys x =

+, 式中 27810'

s s f

x k R π-=

⨯ f —— 电源频率，取为50Hz 。

k s —— 根据IEC 60287标准，本章中ks=1。

三芯圆导体的临近效应系数Y p 由下式给出：

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+++⨯+=27.08.019218.1)(312.0)(8.0192442244p p

c c p p x x s

d s d x x Yp

式中： 27810'p

p f x k R π-=⨯ d c —— 导体直径（mm ）

s —— 各导体轴线之间的距离（mm ）

k p —— 本章中，k p =1

1.1.2 绝缘层的介质损耗

根据标准IEC 60287-1，对于XLPE 无绝缘填充料的电缆，在运行电压低于127kV 时，可以不考虑介质损耗。

1.1.3 金属套与屏蔽的损耗系数

对于工频交流电力电缆，由于护套往往是接地的，而由于交变电流产生的感应电势的影响，会在金属套与屏蔽上产生环流电流，从而引起损耗。

对于每一芯绝缘层表面都有屏蔽层与金属护套的电缆，损耗为：

'"111λλλ=+

'1λ —— 环流损耗