单芯钢丝铠装电力电缆铠装结构的探讨.pdf

2 I m2年第 1 N01 2： 【 2 l乜 线 电 缆 El t ,C 【 i - I(W J r ( L 、 J b l 2 u n 2年 2月 Ft - h ， 2 0 02 单芯钢丝铠装 电力电缆铠装结构的探讨 马 国栋 辫 U 缆研 究所 拇9 0 0 0 9 3 J问题的提 出 通 过室 内 试验和 现 场测 试 及有 关 文献 分 析 表 明单芯钢丝铠装电力电缆铠装结构设 计、 选材和 运 行合 理性等诸 多 问题 已逐渐 引起人们 的 关注 单 芯 钢 丝 铠 装 电缆 的 铠装 损 耗 越 来 越 引 起 人 们 的重 视 国内采用单芯钢丝铠装电缆已给某些工程带来 麻烦和经济损失 。用户关注的敏感性及重视程度远 大于电缆制造厂对这 一问题的思考。 文献 1 对这一 问题进行 厂论述并列举了国内敷设单芯钢丝铠装电 缆线路情况， 井提出国内单芯电缆钢丝铠装采用铜 丝 隔磁结构是与世不 同的“ 怪 ” 产品， 应该与国外接 轨 取消铜丝隔磁结构。6 o年代中期敷设 了上海黄 浦 江 过 江 电 缆 ， 选 用 意 大 利 比瑞 利 生 产 的 g 2 o k v 充油铅套 P E护套铝台金丝铠装 厂方采用非磁性 铠装 消除钢丝的磁损耗， 提高输电容量 。国外也有 呆用硬铜合金丝铠装。6 f ) 年代后期南京和安庆 J 】 o 收稿 日期 ： 2 o o l 刈7 2 0 作者简介 ： r 吲栋 ( 1 0 l 9 ) ， 男 ， 河 J 匕 省人 高级上程 师 作者地址 ： 卜 海市军 r 蹄 o o o号E 2 o o o 9 3 j k V 免油单芯水底 电缆工程 曾设想采用非磁 性铠 装 ， 因国内没有铝台盒丝产品 就改用铜丝隔磁设 计 即在钢丝铠装中间均匀分布 3到 4根铜丝 ， 使单 芯电缆外层不形成闭合磁路 。 自从那时起至今 ， 国产 超 高 压 单芯 海 缆 或 水 底 电缆 全部 采 用 黼磁 结 构 铠 装 。 另外 ， 文献 1 又列举几个采用单芯镀锌钢丝铠 装 电缆的引进 二 程， J 9 8 7年广东虎门的 2 2 0 k v充 油铅 套 P E护套钢丝铠装 P L P外护层海缆 ， 由 日本 住友供货 其采用 8 r t l r T 1 镀锌钢丝 4 根 。为 了提 高输 电容量， 在铅套与 P E护套 问有 2 4根扁平铜导 线 - 共 2 4 0 mm 。 回流导体的作用是降低金属套阻抗 和减 小护套损耗 ， 以提高输电容量 。1 9 8 9年厦 门集 美至高崎跨海峡海缆 ， 采用 2 2 0 k v 1 6 3 0 f il m。 铜 芯充油铅套 HD P E护层钢丝铠装 P I P外护层海缆 ， 由法 国 阿尔卡 特供 货 。其 采用 7 6 F l i rt ) 镀 锌 钢丝 d l 根 。1 9 9 8年北京供 电局敷设了湖中的水底电缆， 即 L 5 k V 1 3 0 0 mm 铜芯 X I P E铅套钢丝铠 装 P E外护层电缆， 由法国阿尔卡特供货， 铠装采用 7 mm镀锌钢丝 2 3根 厂商认为钢丝表面镀锌 ， 其排 靖 帅 训 一 一 一 蒌 一 一 舣 媳 州 一 川 雅胖讹 一 一 一 一 量 薰 利 啦 嘶 ， _主m_妻 一唧 桃了籼m m 一=三叭啪 一 电 出出蕞 肼 _量 要 维普资讯 2 0 0 2年第 】 期 N01 2 00 2 电 线 电 缆 EI e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 0 2 年 2月 F e b 2 0 0 2 列不十分 紧密， 钢丝问被外护层的防腐剂( 如沥青 ) 所填充 ， 不会形成 闭合的磁回路 因此 ， 不会产生额 外的护套损耗( 作者不同意这个观点) 。 文献 1 说国产单芯交流海底 电缆钢丝铠装 的 结构 自6 0年代开始至今一直采用隔磁钢丝结构设 计。而所有 国外进 口的单芯交流海底 电缆的钢丝全 采用镀锌钢丝设计 ， 制造厂认为从理论和实际运行 记录上看没有必要采取隔磁设计( 作者认为： 也许 厂 家 没有发 现钢 丝铠装 损耗 因数的增 加 ) 为了使 我 国 海缆的结构与国外产品相似 文献 1 作者的观点是 取消隔磁结构 ， 不仅是海缆 ， 1 1 0 k V X L P E电力 电 缆等都应该作相应的修改。 以上是国内外高压和超高压电缆用于水下敷设 时 单芯 钢丝 铠装结 构方 面 的情况 。对于 3 j k V 及 以 下 电缆由于国家标准 中规定采用铜丝隔磁结构 ， 所 以各个制造厂基本都是按这标准制造。设计部 门和 使用部 门也选用此类电缆。近几年来由于采用单芯 电缆 的增多 单芯钢丝铠装电缆采用也相应的多起 来了， 由此产生的问题也逐渐增多 例如 ： 镇海炼化 厂第二热电站 1 #发 电机组至变压器 的连 接采 用 Y J V3 2 8 7 1 0 k V 1 5 0 0 mm 电力 电缆 ， 并 用 3 1 5 mm镀锌钢丝铠装及 4根铜丝隔磁 结果发生 电缆烧毁事故 原因除 r成束敷设外 ， 钢丝铠装是造 成电缆烧 毁 的原 因之一 深圳 某 电厂采用 YJ V3 2 1 4 0 0 mn 1 。 电力 电 缆 ， 试运 行 时发 现电缆 过热 电缆 也是 采用单 芯钢 丝 铠装 和铜 丝隔磁 其载 流能 力 远远小 于设 计计算 值 。 援 外 某 电站采用 Y J V3 2 l 4 0 0 mm 交联 聚 乙 烯绝缘电力电缆 1 5根 ， 每相 5 根并联( 先不分析其 选择电缆型号是否合理 ) 试运行后发现载流能力也 是大大小于设计的载流能力 用户考虑是否因钢丝 铠装损耗太大的缘故 故提 出做试验进行验证 本文 就是针对该工程 ， 对单芯钢丝铠装电缆进行了载流 量试验 用 室 内试验 和现场 测试 的数据 来 分析 ， 重 点 从铠装材质和运行方面进行探讨 ， 为今后 电缆铠装 结构合理设计提供依据。 2 室 内试验和现场测试 2 、 1 试验与计算 模 拟援外某 电缆线路工程进行试 验。试样为 YJ V3 2 8 7 n 5 k V 1 4 0 0 mm： 交联聚乙烯绝缘单 芯钢丝铠装电缆， 其结构尺寸列于表 1 。 表 l Y J V3 2 1 4 0 0 mm 电力电缆结构参数 ( mm) 注： 导体屏 蔽层厚度为 O 8 绝缘屏蔽层厚度为 0 6 屏蔽铜带厚度 0 2包带厚度 0 2 铠装钢雅直径为 蝴 5 n 1 m- 井采用 4根 + 2 5 mm 的铜丝均匀分开 ， 作为隔磁 绕包外径指包带绕包后直径 在试 验室 内， 自然对 流 的空 气 中敷设 ， 不 同的排 列 方式 下载流 量试 验数据 及相 关参 数列于 表 2 表 2 不 同排 列方式 时电缆载流量试验 根据棰 j 量 电缆表 面的部位不 同 温度相差较大 表中数据是 在 电缆呈 角形排列 的条件下 采用 热电偶测量 3根电缆 内 侧 表 面 温 度 电缆间隔的距 离 s为 2倍电缆直径 ( =2 xD， ) 按 照 I E C 6 0 2 8 7标 准 ， 根 据 电缆试 样 尺寸 及 试 验室 内求得的钢丝铠装损耗 因数， 并对单芯钢丝铠 装 电缆进行 了载流量计算 ， 计算结果列于表 3 。 试样 l 8 型号为YJ V3 2 8 7 1 5 k V 1 1 0 0 mm ， 敷设于空气 中， 并且单点互连屏蔽接地 2 2现 场测试 援外某工程现场 电缆排列如图 1 所示 。经测试 并进行数据整理后 列出： 根据 1号2号机组 电流 分配数据 计算出电缆导体和电缆表面的温度 ， 见表 4 a和表 _1 b 。 表中计算导体温度和表面温度所采用 的 参数是 ： 根据测量电流而推算出导体温度和表面温 度 ， 并采用 YJ V3 2电缆的计算参数值 ( 如交 流电阻 和热阻) 和试验参数( 如铠装损耗因数等) 。 3问题 的分析 3 1 载 流量 的下 降 首先探讨单芯钢丝铠装电缆在相 同工作温度和 相同环境条件下为什么载流量要比非铠装电缆载流 量要小得多?其中主要原 是磁性材料铠装钢丝 的 涡 流与磁滞损耗太大。 在i角形排列情况下钢丝的 维普资讯 _ ln 2 年第 1 期 No 1 2 002 电 线 电 缆 EI e c 1 r i c W i r e邑 C a b b 2 一 I l l 2年 2月 F e b 2 0 0 2 表 3 Y J V 3 2 8 - 1 5 k V单芯钢 丝铠装 电缆载 流量计算 衰 4 a 1号机 组试 验结果 ( 3 1 MW 1 8 0 0 A) I $ 一一一一一 排 列J ； 式 角彤排 列t 接触 ) 平 面间隔排 列 L怍温度 F的导体 的 流电阻 暂铠装损耗 闻数为根据 验时的铠装 损耗推算值与导体损耗之 比 I J一 甲面排州 电缆中心问距为 2根电缆 外径 1 电缆排列示 意图 磁滞和涡流损耗是线芯损耗的 3 倍多 平面排列是 线芯损耗的 2 倍多 即使是分离敷设t 电缆中 OY _间 距大于 2倍的电缆外径) ， 钢丝损耗也是线芯损耗的 2倍多 载流龟 是非 钢丝 铠装单 芯电缆载流量 的 5 7 ( 相互接触三角形排列) 和 6 4 ( 间隙为 1 个电 缆外径平面排列 ) 从热阻方面考虑， 由于钢丝铠装 电缆比同截面的非钢丝铠装 电缆外径大得多 ( 大约 1 2倍 ) 电缆外径大 ， 其表面散热面积增加， 有利于 散热 ； 另外空气中敷设 时其外部热阻要比非钢丝铠 装 电缆小( 大约是 0 8 O ) 虽然钢丝铠装多了内衬 层热阻， 其增加绝对值 与外部热阻的减小几 乎相抵 消。 因此 ， 除了铠装损耗外 ， 其它参数值基本相同， 载 流量计算公式 中由于铠装损耗的差异引起载流量的 不同。这是载流量降低 的主要原因 3 2 铠装钢 丝 的损耗 单芯电缆钢丝铠装损耗为什么这么太?其损耗 原因主要是磁滞和涡流损耗起决定作用。这些损耗 都与磁场强度有关 而磁场强度叉与线芯电流有关 当钢丝单点互连时 铠装不存在环流损耗。 三根 单芯 呈三角形排列运行于三相系统和三根单芯呈三角形 表 4 b 2号机组试验 结果( 3 3 sMW 1 9 5 0 A ：j _试 骑 环 境 温 度 均 由 3 8 5 。 c 每相线路由 3根单芯钢 丝铠 装电缆呈三角形 排列 彼此 之 间有间隙 由 丁阻抗引起 电流分配不均 匀 排列串联运行于单相系统中， 根据表 2试验数据( 单 相 ) 和现场的测量数据 ( -相) 反映到载流能力和温 度两个参数来分析在三角形排列时两者的钢丝铠装 损耗是接近的 这仅仅是就该组数据而言 因试验条 件限制， 无法进行三相系统试验 。 通过表 5的温度计 算参数至少可以说明电缆呈三角形排列时单相的试 验数据 ( 载流量) 与三相系统下在现场排列方式 F的 测量 电流是相 近的 3 3 隔磁是错 误概 念 通过室 内实验和现场测量表 明， 单芯钢丝铠装 其隔磁结构是不起作用的 钢丝是磁性材料， 铜丝是 非磁性材料 ， 在导体中有交变电流通过时 ， 在钢丝部 位由于有铜丝插入可能引起磁力线崎变 但不能 中 断 交变电磁场在钢丝中由于磁化强度总是要落后 于磁场强度的变化( 磁滞现象) ， 铁磁体反复磁化时 磁体分子的相位不断地改变 分子振荡加剧， 导致发 热和温度增高。使分子振动加剧的能量是由维持磁 化场电流的电源所供给的 在交变磁场中钢丝 中也 产生感应电流， 这种感应电流在钢丝体内 自己闭台 形成涡流 。由于电阻很小， 涡流强度可以很大 ， 使钢 丝放 出大量热量， 其热 能也是源于维持磁化场电流 维普资讯 2 0 0 2 年 第 l期 No l 2 0 02 电 线 电 缆 吲 - I nc W l r e 8 【 b 表 5呈三角形排 列时单相试验与 三相 系统的现场 剐量 注 ： 为 1 里于 比较 已 将 表 2的 试蛤 数 据 换 算 到 境 简 厦 0 s 5 o 【 ： 【 现场环境温度) 时 的等效值 。 试验摩内 与现场电缆都 三角形排列 但现场的 三角形一 有 一 胶木条隔开 尊 现场导体温度 能洲量 ， 这 是根据现场电缆导体 的施加 电 流和热阻 计算求褂 三角形 电缆组 的袁商蔼度随部 位的不 l 相差锟_， 丧 l l 数据 为 u - 角彤排列时I 缆内、 外侧 的表面温度 的电源所供给的。通过实验和现场测量表明这种铜 丝隔磁结构是个错误概念 从定量计算 比较 复杂 I E C 6 0 2 8 7标准 中仅对 电缆间隔 l 0 m 的海底敷设 单芯钢丝铠装电缆提出铠装损耗与线芯损耗相等的 计算方法 在没有计算方法之前最好通过试验求得 单芯钢丝铠装电缆载流能力 目前正在考虑采崩试 验 方法 来给 以解 决 这也 是 符合 I E C标 准 所提 供 的 解决问题的原则 幸好上海电缆研究所在 6 o年代就 建造了电缆载流量试验基地 现在已改建成符合国 家级要求的试验室， 并有一整套载流量测试设备。 4 结论 通 过上 述分析 至少 l口 I 以取得 两 点结论 ： ( 1 )单； 钢丝铠装电缆载流量远小 r同截面非 【 上接第 1 6页) 4 A D S S光缆设计 制造软件 的开发 根据上述， 我厂开发 了 AI ) S S光缆设 计制造分 析软件， 并经不断修改和实践验证使之得到了逐步 地完善 软件的功能组织结构如图 4所示意 由图 可见， 根据 AD S S光缆分析软件， 可以制定 出 AD S S 光缆的制造工艺， 并 同时保证光缆在野外架设运行 的安全性 。 在实 际使 用中 该 软件 可 以与国外某 著名 芳纶纱生产厂商提供的 AD S S分析软件配套使用 并能提供更 丰富的设计 与制造信息， 参考 文献 ： r 1 l_ 邹林森 蜜际松套 绞式光缆中光纤泉长计算 J 现代有线传 - 2 O 2 1 0 2年 J Fe I 1 2 ) l _ 2 铠装单芯电缆 ， 千万不能按后者选择载流量 ( 2 1钢 丝 铠装 损 耗 远 远 人于 线 芯 损 耗 铜 丝 隔 磁结 构实 际上是 虚设 的 小 起作 用 隔磁 是个错 误 的概念 。 综 上所述 对 单芯 钢 丝铠 装 电 缆而 言 由于 铠 装 磁损耗 因数增大造成了载流龟减小。这是单芯钢丝 铠装电缆致命的缺点 。但是单芯钢丝铠装 电缆j 己 有 其能承受拉 力和强大的外来机械力的作用 ， 实际上 也是不可缺少的产品， 如敷 设于大洋海底电缆或过 江( 河 的水底电缆。因此 建议采用 t 1 单芯电缆秉用非磁性铠装( 如不锈钢丝、 铜 合金或铝合金丝) 。 国内引进成套设备 中已经有采用 单芯非磁 性铠 装缝 电缆取 代 单芯钢 丝铠 装 电缆 2 )除敷 设 于海 底 或 水 底 及承 受 巨 大 拉 力特 殊 情况外， 通常 情况下不宦选用单芯钢丝铠装电缆 ， 例 如隧道、 托架等不承受拉力或可以预料 的外来机械 力不是很大的场台下， 另外 建议修改电缆标准中的单芯钢 丝铠装电 缆采用铜丝隔磁结构的规定 改为采用非磁性线 材 作为电缆的铠装丝 ， 参考 文献 ： J J 李含 ，州 l正单， 缚缆铠装 结I i匈的榷商 【 、 0 0中l 电机 J 程 学会变电 t壹会 电力电缆丹 委会年台“ 论空集 ， 1 9 9 9 L 2 j 【 株_l l 缆 拽流 壁 骑 蚶 究报 告L R J 上 海电 缆研 究 所 ， 2 。 L 】 1。 r 3 E C E 0 2 8 7 1 9 9 I E e e t r i c c a b l e s c a l e u l a T i o n o f t h e n t l n g S】 输 2 OI1 0、 ( 2) ： 2 5 2 7 【 ! j 高详萍f晶 ， 畅 德水等 AD S S光缆若 f问题探讨_ j 光纤与 电缆厦其膻卅技术 】 9 9 9 ( j 2 9 3 4 3 D A Ke I e i j )J I e n z e ， J i J L n ic e i e t c 根据现场 电压橱 电 痕迹的形成及光缆安装 宴践埘 A DS S光缆的结 掏和可靠性进 行连续性研究 ( J 第 4 6届 I WC S论 文集( 译丰) 】 9 9 7 ： 4 ： 陈炳麦 全介质 自承式光缆的设计 计算 J 光纤 与电缆丑其应 用技术、 】 9 9 9 ( d ) ； 2 8 3 4 f 5 丰赶勤 干海 ， 中平等 全介质 白承式 ( A】 ) s s ) 光缆 设 纠 J j 电信科学 i 9 0 ( 1 J j ： i s 6 胡先 部林 森 刹 f I 信 等 光缆及 【 程血用 l M 民邮电 出 收割 1 u g - - 薛济 平 呈州 ， 薛 建凌 ， 等从光缆 设计看 光缆 的可 靠性( 续 l j j华 东乜线也缆 ， 2 ,3 1J c , 、 4 ) ： 1 4 1 胡忠辉 A【 ) s s兜缆 结拘 设 _ f 探 讨l j j光奸 光缆 传辅 技 术 2 t ， 0 1 ( ， ： f _ 维普资讯