16-高压电缆金属护套热阻特性

高压电缆金属护套热阻特性

0引言

近年来，由于XLPE超高压电力电缆的大量使用，XLPE电力电缆在城市中已经成为输配电网架的主要组成部分，对于电缆的载流能力，也有增加的要求与趋势。通常在线路设计与运行时，通过IEC 60287标准来确定电缆的载流能力。

IEC 60287系列标准作为目前世界上通用的电缆载流量技术标准，在国内也是作为载流量计算的准则，同时也是作为电缆线路运行时的规则之一。目前在国内，他不仅作为电缆线路载流能力的决定性标准，同时也是电缆线路稳态温升下电缆结构参数与电缆线路的理论基础。在实际的电缆线路温度在线监测中，也是作为基础的理论依据在进行运用。

但是国内对电力电缆载流量研究刚刚开始，对于IEC 60287标准的认识还停留在引进阶段，对于IEC标准的认识。国内目前已经有大量文献[1-6]对电缆载流量进行了计算，这些计算都是基于直接对IEC 60287标准的应用，对于电缆线路所处的外部环境参数结合实际参数进行了修正，但是对电缆实际结构参数对电缆载流量的影响并未充分研究。这样简单直接引用IEC 60287标准，未考虑国内外电缆的结构差异对载流量的影响，同时直接应用IEC 60287进行载流能力的确定或者进行温度分析，将会造成实际结果的不一致。因此本文针对某国内YJLW03 64/110kV电力电缆，利用IEC 60287标准进行了分析与计算，并在分析与计算结果上进行了修正。

1IEC60287标准导体温升的计算方法

单芯交流XLPE电力电缆高于环境温度的温升表达为：

(1)

式中，

：高于环境温度的导体温升；

：导体电流(A)；

：绝缘介质损耗(W/m)；

n：电缆芯数；

：金属套损耗系数；

：铠装损耗系数；

：导体与金属护套之间的热阻()；

：金属套于凯装之间的垫层热阻()；

：外护层热阻()；

：环境媒质热阻()；

针对110kV高压单芯电力电缆，电缆在金属套外无铠装，所以，；同时在正常运行以及在进行不施加电压的载流量试验时，可以不考虑电缆的介质损耗，；同时在计算以及试验过程中，电缆采用单端接地，故取电缆环流损耗为零，同时电缆金属套涡流损耗系数为零，

故可以取。因此式(1)电缆导体高于环境温度的温升表达式可变化为：

（2）

1.1EC 60287标准对电缆导体与金属护套之间热阻的计算

对于单芯电缆，导体与金属护套之间的热阻由以下公式给出：

式中，

：绝缘材料热阻系数，。

：导体直径，mm。

：导体和金属套之间的绝缘厚度，mm。

所计算电缆的型号为YJLW03 64/110 1×630，实测其结构参数见表1。

表1 电缆结构参数

导体

导体材料

导体截面(mm2)

导体直径(mm)

半导电层平均厚度(mm) 半导层热阻系数(K•m/W)

Cu 630 30.3 1.3 3.5

绝缘

绝缘平均厚度(mm)

绝缘层热阻系数(mm)

绝缘屏蔽层平均厚度mm) 绝缘屏蔽层外径(mm) 16.5 3.5 1.0 68.0

阻水带

阻水带材料(mm)

阻水带厚度(mm)

阻水带热阻系数(K•m/W)缆芯外径(mm) 半导电缓冲阻水层

2×1.5

6.0

73.0

皱纹金属套

材料

金属套内径(mm) 金属套外径(mm) 金属套厚度(mm)

Al 74.5 88.5 2.0

外护层

材料

平均厚度(mm)

最小厚度(mm)

热阻系数(K•m/W)电缆外径

PE 5.5 3.7 3.5 99.1

按照IEC 60287标准计算得。2实际结果推算值

2.1缆各部分热阻值的试验推算方法

由公式(2)可以得到电缆的温升表达式：

(2)

：导体损耗，；

：导体与金属套之间的温升，；

：铠装与电缆表面之间的温升，；

：电缆表面与周围环境之间的温升，；

根据上面的表达式，可以推算得到电缆各部分的热阻值，计算公式见式(4)。

在与计算电缆相同的电缆上进行了温升试验。热电偶的敷设方式按照IEC 60840:2004标准进行。导体热电偶采用探针式，直径为3mm。然后分别在电缆绝缘屏蔽层表面、铝套表面、电缆表面敷设测温热电偶。所有的测温热电偶为标准的T型热电偶。

温升试验的测量结果见表3。

表3不同电流大小时电缆各层温度分布试验结果

注：表中除电流单位为A外，其他单位一律为℃。

根据温度分布实测结果，推算电缆各层的热阻值见表4及图2。

表4根据IEC 60287标准推算电缆各层热阻值

由表4中可以得出，电缆铝套与电缆导体之间部分的热阻。

3结果分析与讨论

根据IEC 60287标准计算得到的热阻值与根据试验结果推算得到的热阻值，相差为

。

对电缆导体与铝套间的材料及其结构进行分析。

通常国产的110 kV及以上电压等级的XLPE电缆为单芯电缆，其结构采用导体——导体屏蔽——绝缘层——绝缘屏蔽——阻水绕包带——铝套——外护层的结构。一个典型的110 kV单芯电缆的截面如图2所示。为方便进行结构分析，将电缆导体与铝套之间分为两层，一层为导体屏蔽、绝缘层和绝缘屏蔽，称之为绝缘层，另外一层为由绝缘屏蔽到金属铝套之间部分，这部分主要有阻水绕包带以及密封在其中的静止空气和空气隙组成，称之为绕包带层。

按照IEC 60287标准规定，通常将导体与金属套之间的所有材料合并到绝缘层进行计算。然而，由于电缆绝缘层与电缆绕包带材料热阻系数不同（见表1），同时由于电缆加工工艺的影响，使得电缆金属套与电缆阻水带之间存在有空气间隙，这将会影响到电缆的散热性能，从而影响到内部热阻T1。试验结果与计算结果间距大的差异也表明近似处理的具有很大的误差。

因此可以考虑将导体与金属套之间的部分按照前面的分层方法分为两层进行分别计算。

导体

导体屏蔽

绝缘

绝缘屏蔽

绕包带

气隙

皱纹铝套

图2电缆典型结构剖面图