電力電纜載流量及絕緣層厚度核定

電力電纜載流量及絕緣層厚度核定2024/3/11電力電纜載流量及絕緣層厚度核定根據(jù)熱路方程求出載流量的計算公式：式中：θc——導(dǎo)體允許最高工作溫度θa——周圍媒質(zhì)溫度Wi——介質(zhì)損耗λ1、λ2——分別為金屬屏蔽和鎧裝層損耗因數(shù)；Tl、T2、T3、T4——分別為單位長度電纜絕緣層、內(nèi)襯層、外披層、周圍媒質(zhì)熱阻。Rc—導(dǎo)體的交流電阻電力電纜載流量及絕緣層厚度核定一、損耗的影響以一單芯電纜為例，并且僅分析線芯至金屬屏蔽層部分，傳輸功率為：從上式可以看出：1、導(dǎo)體：電纜的傳輸容量與線芯半徑的3/2次方成正比，與線芯材料的電阻系數(shù)的1/2次方成反比。

結(jié)論：線芯采用高電導(dǎo)系數(shù)材料可以提高電纜傳輸。增大線芯截面。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定★但隨線芯截面的增大，電纜的體積也會增大。成本增，生產(chǎn)和敷設(shè)均增加了難度。而且趨膚效應(yīng)也會增大。為此，對截面在800、1000mm2的導(dǎo)體應(yīng)采用分裂導(dǎo)體的方法克服集膚效應(yīng)造成的電阻增大。一般電流應(yīng)在2.5A/mm2的經(jīng)濟(jì)電流密度范圍為宜。2、絕緣層：提高電纜絕緣工作溫度(Δ?)；提高電纜絕緣材料的最大工作場強(qiáng)(Emax)。

結(jié)論：采用耐高溫絕緣材料，采用高擊穿場強(qiáng)材料?？蓽p薄絕緣層厚度，降低電纜絕緣層的熱阻，可以提高電纜的傳輸容量。換言之，如能找到新的絕緣材料具有高的擊穿場強(qiáng)，能在較高溫度下工作，且具有較小的熱阻系數(shù)，可以提高電纜的傳偷容量，并能縮小電纜的幾何尺寸，從而提高電纜的機(jī)械性能(可曲度等)。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定對于10kV級以下的低壓系統(tǒng)，介質(zhì)損耗占的比重較小，可忽略不計。但隨電壓等級的提高，介質(zhì)損耗因有電壓平方的關(guān)系，故其影響會隨電壓的增加而增大，既便tgδ較小的變化也會引起介質(zhì)損耗較大的變化。因此高壓和超高壓電力電纜必須嚴(yán)格限制tgδ。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定當(dāng)電壓U<Uo時，因電壓較低，介質(zhì)損耗影響較小，隨電壓升高，功率亦會提高；但當(dāng)U>Uo時，隨電壓的增加曲線下降，這是由于電壓較高時，介質(zhì)損耗的影響隨電壓的增加而增壓，功率會隨之減少。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定可得，當(dāng)時，電纜的傳輸功率為零。由：此時其相應(yīng)的電壓相應(yīng)介質(zhì)損耗角正切(tgδ)稱為臨界介質(zhì)損耗角正切(tgδ)結(jié)論：臨界狀態(tài)下，由于介質(zhì)損耗產(chǎn)生的溫升已等于電纜的允許溫升，即處于熱的臨界狀態(tài)，電纜中不允許通過任何數(shù)值的負(fù)載。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定顯然，若考慮全部的熱阻，臨界介質(zhì)損耗因數(shù)可寫為電力電纜載流量及絕緣層厚度核定以tgδ=0時電纜的傳輸功率為100%，絕緣層介質(zhì)損耗角正切tgδ對敷設(shè)在空氣中電纜的傳輸功率的影響，如下圖所示。介質(zhì)損耗在不同工作電壓電纜中所占比重。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定3、金屬屏蔽層損耗和鎧裝層損耗由于單芯電纜的結(jié)構(gòu)特性，使金屬護(hù)套在線路運行時有較高的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，在金屬護(hù)套上容易形成環(huán)流，而環(huán)流將引起金屬護(hù)套發(fā)熱，一方面使工作溫度升高，嚴(yán)重時可能會超過容許限值，使電纜壽命縮短，甚至損壞；另一方面環(huán)流所損耗的電能亦降低了線芯的載流量。以YJLW03-64/110-1×800電纜為例，在相同條件下不同接地方式時的載流量如下表所示。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定對金屬護(hù)套兩端接地的電纜，環(huán)流損耗在傳輸功率中占有很大比例。為此高壓電纜，金屬護(hù)套應(yīng)采取換位連接。沿電纜線路須敷設(shè)回流線。從上表可以看出，兩端接地比交叉互聯(lián)接地方式下的載流量小，交叉互聯(lián)比一端接地方式下的載流量小。這是由于在兩端直接接地方式下，金屬護(hù)套中環(huán)流相當(dāng)大，此時載流量大約是一端接地時的70%～80%，載流量降低很多。與之相比較，交叉互聯(lián)方式的載流量與一端接地方式的相差較小，說明在交叉互聯(lián)接地方式下，雖然護(hù)套中有環(huán)流，但由于環(huán)流較小對載流量的影響并不大。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定二、電容電流的影響電纜本身就是一個長大的電容器，除了固有的直流漏導(dǎo)以外，還有交流下的電容電流。據(jù)電工原理，電力系統(tǒng)中，發(fā)送端和負(fù)載端電流電壓的關(guān)系為I1：為發(fā)送端電流；I2：為負(fù)載端的電流；Ic：電容電流即，從發(fā)送端發(fā)出的電流，一部分為負(fù)載電流，一部分為電容電流。當(dāng)電容電流增大時，會嚴(yán)重地影響負(fù)載電流。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定極限情況，設(shè)IT為額定電流，當(dāng)IC=IT時，則稱為電容電流的臨界長度。電纜的長度越長，電容電流越大。當(dāng)長度超過臨界長度時，可在線路上并聯(lián)電抗器以補(bǔ)償電容電流。但此時。負(fù)載電流的少許變化均會引起電纜超載過熱而處于不穩(wěn)定運行狀態(tài)。所以跨江、跨海長距離輸電，一般不能用交流電纜而使用直流電纜。另外在選擇絕緣材料時，應(yīng)選擇介電系數(shù)較小的材料以減少電容電流。為了提高傳輸容量絕緣材料更應(yīng)嚴(yán)格限制tgδ,選擇具有較高擊穿強(qiáng)度和較高耐溫等級的材料。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定電力電纜載流量及絕緣層厚度核定三、熱阻的影響在初步評估電纜載流量時，如土壤沒有非正常地干燥或與熱性能差的材料(如飛塵、礫石)相混合，則土壤熱阻系數(shù)可采用1.2K·m/W計算。考慮到土壤熱阻系數(shù)隨季節(jié)變化，這一點對于像我國南方以及沿海地下水隨季節(jié)變化較明顯地區(qū)來說顯得相當(dāng)重要，因為熱阻系數(shù)受土壤中水份含量的影響很大，任何土壤熱阻系數(shù)的測量應(yīng)指明測量時土壤水份含量?？紤]土壤中水份的遷移也是不容忽視的。國內(nèi)外工程實踐都曾顯示，在纜芯工作溫度大于70℃的電纜直埋敷設(shè)運行一段時間后，由于電纜表皮溫度在約50℃情況下，電纜近旁水份將逐漸遷移而呈干燥狀態(tài)，導(dǎo)致熱阻增大，出現(xiàn)纜芯工作溫度超過額定值的惡行循環(huán)，導(dǎo)致電纜絕緣老化加速，最后以致發(fā)生絕緣擊穿事故。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定在計算載流量時應(yīng)留下一定裕度；若對這種減少載流量無法接受，可采取換土即將電纜周圍“干燥區(qū)域內(nèi)”的土壤換填以熱阻系數(shù)相對較小且穩(wěn)定的回填土，選用適當(dāng)比例的砂與水泥等拌合作為回填土。其已在工程應(yīng)用實踐中顯示土壤熱阻系數(shù)比較穩(wěn)定，即使在全干燥狀態(tài)情況下，其熱阻系數(shù)也能夠維持在1.2K·m/W。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定當(dāng)電纜的結(jié)構(gòu)和材料一定時，減少本體的熱阻較困難，有效的方法是降低周圍媒質(zhì)的熱阻。其主要途徑是強(qiáng)迫冷卻。強(qiáng)迫冷卻又分為內(nèi)部冷卻和外部冷卻。內(nèi)部冷卻是指冷卻媒質(zhì)經(jīng)位于電纜中心的管道實現(xiàn)的強(qiáng)迫冷卻。如充油電纜，其中心油道亦為冷卻媒質(zhì)通道，電纜油為冷卻媒質(zhì)，通過油的循環(huán)實現(xiàn)冷卻。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜則通過中心水冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)冷卻。但必須有嚴(yán)密的防水措施，以防水對絕緣造成損害。外部冷卻系統(tǒng)主要有兩種形式：一種是冷卻媒質(zhì)在埋于地下的金屬或塑料管中循環(huán)；另一種是對敷設(shè)在坑道中的電纜通以壓縮冷空氣實現(xiàn)冷卻。實現(xiàn)強(qiáng)迫冷卻的電纜傳輸容量幾乎可以提高2倍。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定四、敷設(shè)條件的影響1、敷設(shè)方式目前比較普遍的電纜敷設(shè)方式主要有直埋、穿管、空氣三種。由于在不同敷設(shè)方式下電纜散熱程度不同、間距不同等因素，對電纜載流量的影響也不一樣。以YJLW03-64/110-1X630為例，電纜最大允許載流量及其他計算參數(shù)如下:電力電纜載流量及絕緣層厚度核定由上表可知，對于管道敷設(shè)電纜即使增大相間距，其載流量仍小于直埋敷設(shè)的載流量，約為直埋時載流量的93%，換言之，即電纜線路因有部分穿管而損失了7%的輸送容量，管道敷設(shè)電纜成為影響整條電纜線路載流量的瓶頸，限制了線路的輸送容量。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定若電纜敷設(shè)在空氣中，由于陽光的直接照射會產(chǎn)生巨大熱量而減少載流量，架空敷設(shè)電纜是通過對流和輻射實現(xiàn)散熱，因此空氣熱阻是分別通過對流和輻射的散熱系數(shù)體現(xiàn)的，其與電纜外徑、電纜之間排列方式、電纜表面溫度、環(huán)境溫度等等數(shù)據(jù)有關(guān)，計算較復(fù)雜，如果電纜周圍空氣流通條件較好，一般設(shè)計中110kV電纜周圍空氣熱阻系數(shù)取0.28K*m/W。高壓電纜會套以電纜導(dǎo)管和敷設(shè)在構(gòu)筑物中是最常用的保護(hù)方式，這將導(dǎo)致電纜周圍空氣不易流通，環(huán)境溫度上升。對于加導(dǎo)管保護(hù)的電纜可按上述0.85的系數(shù)折減載流量；而敷設(shè)在構(gòu)筑物中的電纜應(yīng)考慮周圍環(huán)境溫度上升對載流量的折減。下表為以30℃為基準(zhǔn)的環(huán)境溫度對PE絕緣電纜載流量的換算因數(shù)?？諝鉁囟?01520253035404550換算因數(shù)1.151.121.081.0410.960.910.870.82電力電纜載流量及絕緣層厚度核定2、敷設(shè)深度以YJLW03-64/110-1X1000為例，三回電纜穿管敷設(shè)在不同深度時的載流量如下表:由于電纜埋深增大，電纜的載流量下降很大，輸送容量亦相應(yīng)下降。為滿足輸送容量的要求施工時應(yīng)按照設(shè)計要求的深度敷設(shè)電纜，因為敷設(shè)太深，載流量下降很大，敷設(shè)太淺不能承受重壓。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定電纜絕緣層中的電場分布電力電纜載流量及絕緣層厚度核定一、圓形單芯電纜絕緣層中的電場分布1、均勻介質(zhì)該型式的電纜的電場是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形電場。因其長度和半徑是不可比擬的，故可忽略復(fù)雜的邊緣效應(yīng)。采用柱面坐標(biāo)。因各處的電場軸向分量很小，均可看成與導(dǎo)線相垂直的方向。這樣圓柱側(cè)面積上的電場方向處處與外法線的方向一致，而上下底面的電場方向與底面的外法線方向垂直(cos900=0)，故據(jù)高斯定理，在積分過程中，可只計算圓柱側(cè)面積的電場適量即可，又因?qū)ΨQ關(guān)系，圓柱側(cè)面上的各點的場強(qiáng)在數(shù)值上均相等。則電力電纜載流量及絕緣層厚度核定由此可得：(1)電場分布和r成反比，最大場強(qiáng)Emax位于線芯表面，最小強(qiáng)度位于絕緣外表面。如絕緣內(nèi)的電場均勻分布，則其電場強(qiáng)度電力電纜載流量及絕緣層厚度核定(2)平均場強(qiáng)和最大場強(qiáng)之比定義為絕緣層的利用系數(shù)，它是描述電場分布均勻程度的物理量，增加則電場分布越均勻。(3)當(dāng)電壓一定時，我們希望Emax取得最小值，為此假設(shè)絕緣外半徑R為定值，令可得R/rc=e=2.718時最大場強(qiáng)取得最小值。(4)從經(jīng)濟(jì)效益考慮，我們希望在滿足一定條件下絕緣體積最小。R/rc=2.2時，絕緣層體積最小，且電力電纜載流量及絕緣層厚度核定2、分階絕緣如前述，單芯電纜絕緣內(nèi)的電場分布也是不均勻的，隨絕緣半徑的增加而降低，造成絕緣利用系數(shù)下降。為了提高絕緣利用系數(shù)，使電場分布盡可能的均勻，可利用電場強(qiáng)度和介電常數(shù)成反比分布的原理，采用兩層或多層介電常數(shù)不同的材料實現(xiàn)分階絕緣。一般從導(dǎo)電線芯表面到絕緣表面采用。>>…>電力電纜載流量及絕緣層厚度核定說明：(1)電場在分階處電場發(fā)生了階躍；(2)分階絕緣使線芯表面電場強(qiáng)度降低；(3)分階絕緣均勻了電場強(qiáng)度，從而提高了利用系數(shù)，降低了絕緣層厚度。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定二、多芯電纜絕緣層中的電場分布多芯電纜即一般三芯或多芯絕緣線芯成纜后統(tǒng)包以金屬屏蔽層(或金屬護(hù)套)，這種型式的電纜，一般均用于低壓配電系統(tǒng)。因這種型式的電纜絕緣主要考慮機(jī)械強(qiáng)度的要求。在滿足機(jī)械強(qiáng)度的情況下，一般都能滿足電氣性要求。我們可僅考慮具最大場強(qiáng)的分布，且電場可按近似公式進(jìn)行計算。多芯電纜絕緣層中的電場分布比較復(fù)雜，一般用模擬試驗方法來確定，在此基礎(chǔ)上，在近似的計算它的最大場強(qiáng)。電力電纜載流量及絕緣層厚度核定1、三芯圓形芯電纜最大場強(qiáng)如圖所示，rc為導(dǎo)電線芯半徑，R為絕緣外半徑，絕緣層厚度△=R-rc，N=R/rc。(1)線芯1和線芯2間的瞬間電壓為線電壓U時，最大場強(qiáng)出現(xiàn)在a的位置，并可按近似公式計算，

(2)線芯間電壓，如線芯2和3間的電壓為0.5倍的相電壓時，最大場強(qiáng)出現(xiàn)在b的位置，其值為電力電纜載流量及絕緣層厚度核定電力電纜載流量及絕緣層厚度核定分相鉛包(屏蔽)式電纜絕緣層中電場分布電力電纜載流量及絕緣層厚度核定2、三芯扇形芯電纜最大場強(qiáng)這種型式的電纜，如圖所示，我們僅考慮a、b、c三處的電場強(qiáng)度。(1)a處電場強(qiáng)度式中，U0為相電壓；Rck為導(dǎo)電線芯大圓弧所在圓的半徑即其大圓弧曲率半徑；△—相絕緣厚度，對油紙帶絕緣電力電纜，△含帶絕緣厚度。Rck可按經(jīng)驗公式求出，電力電纜載流量及絕緣層厚度核定(2)b處場強(qiáng)式中，U0—相電壓；△—相絕緣厚度；r2—b處的圓弧曲率半徑，r2=0.27Rck

(3)c處式中，r1—小圓角處的曲率半徑，r1=0.17Rck，，U—線電壓C處的場強(qiáng)最大。

電力電纜載流量及絕緣層厚度核定三、決定電纜絕緣層厚度的因素工藝上允許的最小厚度(低壓小截面電纜)。500伏及以下小截面的橡皮、塑料電線由工藝規(guī)定的最小厚度決定。橡皮絕緣電線的最小絕緣厚度規(guī)定為0.3mm；聚氯乙烯等塑料絕緣電線規(guī)定為0.25mm；