16-高壓電纜金屬護套熱阻特性

1、高壓電纜金屬護套熱阻特性0引言近年來，由于XLPE超高壓電力電纜的大量使用，XLPE電力電纜在城市中已經(jīng)成為輸配電網(wǎng) 架的主要組成部分，對于電纜的載流能力，也有增加的要求與趨勢。通常在線路設(shè)計與運行時，通 過IEC 60287標準來確定電纜的載流能力。IEC 60287系列標準作為目前世界上通用的電纜載流量技術(shù)標準，在國內(nèi)也是作為載流量計算 的準則，同時也是作為電纜線路運行時的規(guī)則之一。目前在國內(nèi)，他不僅作為電纜線路載流能力的 決定性標準，同時也是電纜線路穩(wěn)態(tài)溫升下電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)與電纜線路的理論基礎(chǔ)。在實際的電纜線 路溫度在線監(jiān)測中，也是作為基礎(chǔ)的理論依據(jù)在進行運用。但是國內(nèi)對電力電纜載流量研究

2、剛剛開始，對于IEC 60287標準的認識還停留在引進階段，對 于IEC標準的認識。國內(nèi)目前已經(jīng)有大量文獻1-6對電纜載流量進行了計算，這些計算都是基于直 接對IEC 60287標準的應(yīng)用，對于電纜線路所處的外部環(huán)境參數(shù)結(jié)合實際參數(shù)進行了修正，但是對 電纜實際結(jié)構(gòu)參數(shù)對電纜載流量的影響并未充分研究。這樣簡單直接引用IEC 60287標準，未考慮 國內(nèi)外電纜的結(jié)構(gòu)差異對載流量的影響，同時直接應(yīng)用IEC 60287進行載流能力的確定或者進行溫 度分析，將會造成實際結(jié)果的不一致。因此本文針對某國內(nèi)YJLW03 64/110kV電力電纜，利用IEC 60287標準進行了分析與計算，并在分析與計算結(jié)果上

3、進行了修正。1 IEC60287標準導(dǎo)體溫升的計算方法單芯交流XLPE電力電纜高于環(huán)境溫度的溫升表達為：A9 =(/ R + 泗 + I2R(l+A + WdnT2 +-豐-二-二(1)式中，艾：高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升；：導(dǎo)體電流(A)；寫絕緣介質(zhì)損耗(W/m)；n：電纜芯數(shù)；,：金屬套損耗系數(shù)；：鎧裝損耗系數(shù)； _：導(dǎo)體與金屬護套之間的熱阻G】二)；-：金屬套于凱裝之間的墊層熱阻U ：二)；：外護層熱阻()；二：環(huán)境媒質(zhì)熱阻(二)；針對110kV高壓單芯電力電纜，電纜在金屬套外無鎧裝，所以,.： = * = ：；同時在正常運 行以及在進行不施加電壓的載流量試驗時，可以不考慮電纜的介質(zhì)損耗，-

4、 二 ；同時在計算以 及試驗過程中，電纜采用單端接地，故取電纜環(huán)流損耗為零，同時電纜金屬套渦流損耗系數(shù)為零，故可以取一 二:。因此式(1)電纜導(dǎo)體高于環(huán)境溫度的溫升表達式可變化為:(2)1.1 EC 60287標準對電纜導(dǎo)體與金屬護套之間熱阻的計算 對于單芯電纜，導(dǎo)體與金屬護套之間的熱阻二由以下公式給出:(3)式中，：絕緣材料熱阻系數(shù)，=O：導(dǎo)體直徑，mm。_：導(dǎo)體和金屬套之間的絕緣厚度，mm。所計算電纜的型號為YJLW03 64/110 1x630，實測其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。表1電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)體導(dǎo)體材料Cu導(dǎo)體截面(mm2)630導(dǎo)體直徑(mm)30.3半導(dǎo)電層平均厚度(mm)1.3半導(dǎo)層熱阻系

5、數(shù)(K-m/W)3.5絕緣絕緣平均厚度(mm)16.5絕緣層熱阻系數(shù)(mm)3.5絕緣屏蔽層平均厚度mm)1.0絕緣屏蔽層外徑(mm)68.0阻水帶阻水帶材料(mm)半導(dǎo)電緩沖阻水層阻水帶厚度(mm)2x1.5阻水帶熱阻系數(shù)(K-m/W)6.0纜芯外徑(mm)73.0皺紋金屬套材料Al金屬套內(nèi)徑(mm)74.5金屬套外徑(mm)88.5金屬套厚度(mm)2.0外護層材料PE平均厚度(mm)5.5最小厚度(mm)3.7熱阻系數(shù)(Km/W)3.5電纜外徑99.1按照IEC 60287標準計算得二二。2實際結(jié)果推算值2.1纜各部分熱阻值的試驗推算方法由公式(2)可以得到電纜的溫升表達式：二二二一三一

6、二 (2)一】：導(dǎo)體損耗，二二二一：導(dǎo)體與金屬套之間的溫升，二一二.；-二：鎧裝與電纜表面之間的溫升，二：二I圣；-二：電纜表面與周圍環(huán)境之間的溫升，-：. = ,；根據(jù)上面的表達式，可以推算得到電纜各部分的熱阻值，計算公式見式(4)。以二n/wc 小=質(zhì)34)(4)在與計算電纜相同的電纜上進行了溫升試驗。熱電偶的敷設(shè)方式按照IEC 60840:2004標準進 行。導(dǎo)體熱電偶采用探針式，直徑為3mm。然后分別在電纜絕緣屏蔽層表面、鋁套表面、電纜表 面敷設(shè)測溫?zé)犭娕?。所有的測溫?zé)犭娕紴闃藴实腡型熱電偶。溫升試驗的測量結(jié)果見表3。表3不同電流大小時電纜各層溫度分布試驗結(jié)果電流導(dǎo)體絕緣屏蔽鋁護套電纜

7、表面環(huán)境溫度100064.250.737.733.723.2110064.747.730.425.714.0125084.760.336.731.315.0注：表中除電流單位為A外，其他單位一律為。C。根據(jù)溫度分布實測結(jié)果，推算電纜各層的熱阻值見表4及圖2。表4根據(jù)IEC 60287標準推算電纜各層熱阻值電流絕緣層阻水層外護層環(huán)境熱阻10000.40770.39230.12070.316811000.42340.43090.11710.291412500.44480.43030.09850.2972平均值0.42530.41780.1121-由表4中可以得出，電纜鋁套與電纜導(dǎo)體之間部分的熱阻二

8、二：，工K K、：n。3結(jié)果分析與討論根據(jù)IEC 60287標準計算得到的熱阻值與根據(jù)試驗結(jié)果推算得到的熱阻值，相差為 基二-二二對電纜導(dǎo)體與鋁套間的材料及其結(jié)構(gòu)進行分析。通常國產(chǎn)的110 kV及以上電壓等級的XLPE電纜為單芯電纜，其結(jié)構(gòu)采用導(dǎo)體導(dǎo)體屏蔽 絕緣層一一絕緣屏蔽一一阻水繞包帶一一鋁套一一外護層的結(jié)構(gòu)。一個典型的110 kV單芯電 纜的截面如圖2所示。為方便進行結(jié)構(gòu)分析，將電纜導(dǎo)體與鋁套之間分為兩層，一層為導(dǎo)體屏蔽、 絕緣層和絕緣屏蔽，稱之為絕緣層，另外一層為由絕緣屏蔽到金屬鋁套之間部分，這部分主要有阻 水繞包帶以及密封在其中的靜止空氣和空氣隙組成，稱之為繞包帶層。按照IEC 60

9、287標準規(guī)定，通常將導(dǎo)體與金屬套之間的所有材料合并到絕緣層進行計算。然而， 由于電纜絕緣層與電纜繞包帶材料熱阻系數(shù)不同（見表1），同時由于電纜加工工藝的影響，使得 電纜金屬套與電纜阻水帶之間存在有空氣間隙，這將會影響到電纜的散熱性能，從而影響到內(nèi)部熱 阻T1。試驗結(jié)果與計算結(jié)果間距大的差異也表明近似處理的具有很大的誤差。因此可以考慮將導(dǎo)體與金屬套之間的部分按照前面的分層方法分為兩層進行分別計算。導(dǎo)體導(dǎo)體屏蔽 絕緣 絕緣屏蔽繞包帶氣隙皺紋鋁套圖2電纜典型結(jié)構(gòu)剖面圖= T； + T；(5)* 告 n(l+)伍)式中，:絕緣材料熱系數(shù)：導(dǎo)體直徑(mm)_：包含導(dǎo)體屏蔽與絕緣屏蔽的絕緣厚度(mm)式

10、中，：包含空氣隙的繞包帶材料熱系數(shù)。：絕緣屏蔽外徑(mm)_：絕緣屏蔽與金屬套之間的厚度(mm)皺紋鋁套時，二胃- 2上-按照式(5) (7)的計算方法，分別得到的結(jié)果為：= n ，二 :二壬n ，I；=寫 + 寫 =0.5745 K m/W計算時，取7 = =三：二- .，二-二】二將按照IEC 60287標準對一的計算結(jié)果與推算結(jié)果以及本文修正算法的結(jié)果見圖1。I按照IEC60287試驗結(jié)果推算值IEC 60287標 準修正計算 結(jié)果圖1電纜導(dǎo)體與鋁套間熱阻推算值與計算值（三：二.b從圖1可以看出，利用分層的方式得出的導(dǎo)體與鋁套之間的熱阻值與試驗得到的結(jié)果仍然存在 有較大的差異。按照IEC

11、 60287標準計算得到的熱阻值與根據(jù)溫升試驗結(jié)果實際推算得到的熱阻值 相差為1上1三三二，為推算結(jié)果的M_ ，按照分層修正算法得到的計算結(jié)果與推算值相差為 -，為推算結(jié)果的二，。按照IEC 60287標準規(guī)定，繞包帶熱阻系數(shù)通常取為二：二，實際上，由于繞包阻水帶中 存在有大量的靜止氣隙，而靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)1約為：,二-，這樣形成了一個結(jié)構(gòu)類似 于被熱阻系數(shù)較大的將會增大繞包帶層的熱阻系數(shù)。同時繞包帶層的緊密程度決定了氣隙含量的大 小，也將會影響到繞包帶層的熱阻系數(shù)。本文中計算的典型電纜的繞包帶熱阻系數(shù)實測為一，二：二O同時，在繞包帶與電纜鋁套之間，存在有間隙約3mm的氣隙層。該夾層空氣隙的

12、熱量傳遞過 程為純導(dǎo)熱2。這樣由于阻水繞包帶以及靜止氣隙的影響，將會使得金屬套與電纜導(dǎo)體之間的熱阻增大。表3的測溫結(jié)果與表4中的熱阻推算結(jié)果就反映了這一結(jié)論。由表4中，可以看出，電纜絕緣部分的熱阻值與絕緣屏蔽表面與電纜鋁套間的熱阻值相當。取平均熱阻系數(shù)為二，二：二，按照式6的計算，得到二二二：二o這樣的計算結(jié) 果與根據(jù)實際測量結(jié)果推算得到的熱阻值相吻合。電纜導(dǎo)體與鋁套間熱阻I絕緣熱阻繞包帶加氣隙熱阻圖3電纜導(dǎo)體與鋁套間各層熱阻值（二15圖3反映了本文中對電纜導(dǎo)體與鋁套間熱阻利用不同的計算方法與試驗推算的方法得到的結(jié) 果。可以發(fā)現(xiàn)，利用IEC 60287標準計算得到的熱阻值，相對于通過試驗推算得到的熱阻值明顯偏 小。當通過對算法進行細分并對含有氣隙的繞包帶層的熱阻系數(shù)進行修正后，得到的計算結(jié)果與實 際測量結(jié)果基本一致，此時繞包帶層的修正熱阻系數(shù)值約為20二三二】o4結(jié)論a）本文對IEC 60287標準對110 kV高壓單芯電力電纜導(dǎo)體與鋁套間熱阻的計算方式與修正方 式進行了討論與實際驗證，發(fā)現(xiàn)IEC 60287標準對金屬套與導(dǎo)體之間的熱阻計算結(jié)果偏小，其原因 在于IEC 60287標準沒有對電纜導(dǎo)體與鋁套間