中压单芯电缆的选择及应用

中压单芯电缆的选择及应用

郑沛雯 

中油（新疆）石油工程有限公司   新疆  克拉玛依    834000

摘要：影响电缆载流量的因素有很多，除了电缆本体结构、绝缘材料及护层间的相互作用影响之外，电缆的外部环境也是影响载流量的重要环节部分。当电缆在平稳连续运行时，电缆周围产生的热源热路场是稳定的，即电缆的热路热阻为电缆的本体热阻及外部热阻由里至外迭代而成。本文对影响单芯电缆载流量的重要因素进行梳理及总结，提要钩玄，绘制电缆热路热阻拓扑图，并结合实际工程，对储气库新建离心压缩机电缆规格进行计算及选择，为其他工程的单芯电缆选型提供了一定的参考。

关键词：单芯电缆；金属护层感应电压；电缆热路热阻；单端接地；临近效应；排列方式

1  引言

电缆绝缘材料的绝缘性决定了电缆长、短期线芯允许的最高工作温度，长期最高工作温度决定了电缆的载流量。当电缆带载运行时，电缆的导体、绝缘层、护层（金属护层及外护层）等组成部分产生损耗并同时发出热量，从而加速电缆的绝缘老化，减短电缆的使用寿命，降低电缆的载流量，影响电缆的传输能力。

电缆的载流量除了与电缆本身的结构尺寸、绝缘材料、导体及护层之间的相互作用影响有关之外，还与电缆的媒质热阻--即敷设环境有密切的联系。当电缆为直埋地敷设或在防爆区域处的电缆沟内（充砂）敷设时，还应考虑电缆的敷设深度，环境温度，土壤热阻系数（土壤的性质、水分含量）。

当电缆处在长期稳态运行时，温度随时间的变化波动小，电缆总散热量等于电缆内部所有热损耗之和，即电缆周围建立的热源热路场是稳定的。电缆的等效热路图详见下图1。其中T1、T2、T3、T4分别为电缆的绝缘、金属套和铠装之间、外护层及电缆外部的热阻。

图1 电缆等效热路图

由此可以得出，对于电缆的载流量计算而言，它是一个由内（电缆本体）至外（敷设环境）相互影响、相互作用、累加和迭代的过程。故可以简单的理解为：电缆的热路热阻为电缆载流量的直接影响因素。电缆热路热阻分为两个部分：电缆本体热阻及电缆外部热阻，其拓扑图如图2所示。

图2  电缆热路热阻拓扑图

2  工程实例计算分析

某储气库天然气压缩机采用电驱离心压缩机组提供大功率五电平电压源驱动同步电动机，额定功率约为25.6MW，额定电压为10kV，长度约为300m。根据上述分析及拓扑图，对本工程离心压缩机的电力电缆规格进行选择。

2.1排列方式的选择

单芯电缆敷设方式主要有水平敷设和品字形敷设两种方式。

（1）水平敷设

当电缆采用水平敷设时，由于中间相感应电压幅值低于两个边相感应电压幅值，相位相差120°，其矢量和不为零，电缆金属护套上会产生较大环流。

（2）品字形敷设

当电缆采用品字形敷设时，由于各电缆金属护套感应电压相等，相位相差120°，其矢量和为零，理论上电缆金属护套环流为零，但实际在现场施工敷设过程中，无法完全保证电缆三相完全排列对称，使电缆金属护套上存在一定的感应电压，但是环流很小，在电缆敷设时应优先采用品字形敷设。

同时由于电缆临近效应的影响，多根并联水平敷设电缆各根电缆的交流电阻和电感不同，导致电缆载流量不平衡，大大降低整体电缆回路的输送容量，综合考虑，推荐多根单芯电缆并联敷设采用品字形敷设。

2.2 接地方式的选择

2.2.1 感应电动势的计算

根据规范《电力工程电缆设计标准》GB50217-2018中第4.1.11条规定 交流单芯电力电缆金属套上应至少在一端直接接地，在任一非直接接地端的正常感应电势最大值应符合下列规定：为采取能有效防止人员任意接触金属套的安全措施时，不得大于50V。

根据附录F中感应电势公式：         （1）

式中，——感应电势（V）

L——电缆金属套的电气通路上任一部位与其直接接地处的距离（km）

——单位长度的正常感应电势（V/km）

I——电缆导体正常工作电流（A）；

S——各电缆相邻之间中心距（m）即：电缆的外径

r——电缆金属套的平均半径（m）即：金属屏蔽层与金属铠装层的平均半径

本工程变电站10kV出线柜至离心压缩机隔离变压器电缆全长300m，电机运行时额定电流I=1558A（电流平均分配时每根电缆载流量为1558/3=519A）

=9.835×10-3

=5.1V

本工程单芯电缆采用在交流单芯电力电缆金属套上一端直接接地，可防止电缆金属护套上产生的环流对载流量的影响，同时经过计算后采用单端接地也可以满足《电力工程电缆设计标准》的要求。

2.3 敷设环境的选择

本工程10kV单芯电缆主要沿电缆沟敷设，根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》及现场运维要求，爆炸危险区域内电缆沟应充砂，因此本工程电缆载流量散热环境按电缆沟内充砂环境进行计算。

2.4 载流量计算及选择

在电缆的排列方式、敷设环境、接地方式确认的前提下，进行电缆载流量的计算，计算过程如下。

计及环流时载流量的计算：

根据IEC60287标准提供的100%负荷因数下的电缆载流量的基本算法，公式有

（2）

=高于环境温度的导体温升（K）；=-，：电缆线芯允许工作温度；：环境温度；

I——一根导体中流过的电流（A）；

R——最高工作温度下导体单位长度的交流电阻（Ω/m）

——每单位长度的导体周围的绝缘介质损耗（W/m）

——一根导体和金属套之间单位长度热阻（电缆绝缘层热阻）（K.m/W）

——金属套和铠装之间内衬层单位长度热阻（K.m/W）

——电缆外护层单位长度热阻（K.m/W）

——电缆表面和周围介质之间单位长度热阻（K.m/W）

n——电缆（等截面并载有相同负荷的导体）中载有负荷的导体数；

——电缆金属套损耗相对于所有导体总损耗的比率；，：护套环流损耗因数；：涡流损耗因数

其中，在计算时，为考虑接地电阻及大地漏电阻的影响。（公式中为金属护套环流；为金属护套电阻）

2.4.1最高工作温度下导体单位长度的交流电阻R

  （3）

  （4）

其中：R——最高工作温度下导体单位长度的交流电阻（Ω/m）

——最高工作温度下导体单位长度的的直流电阻（Ω/m）

k——由电缆导线加工、绞合、紧压等带来的修正系数

——集肤效应因数

——邻近效应因数

——20℃时导体的直流电阻（Ω/m），数据直接引自IEC60228《电缆的导体（中文）》标准。标准之外值，由制造厂和用户之间通过协商选取。

——20℃时材料电阻率温度系数

——导体最高工作温度（该值取决于所使用的绝缘材料类型），℃，其值为90℃

2.4.2每相单位长度介质损耗确定

  （5）

其中：C——电缆的电容，F/m；

——绝缘的相对介电常数，见IEC287表Ⅲ，ε=2.5；

——绝缘层外径，mm；

——导体外径（含导体屏蔽）；

根据上式求得C=5.02×10-10  F/m

 （6）

其中：——绝缘的介质损耗，W/m;

——对地电压（相电压），V为8700V

——在工频和工作温度下绝缘介质损耗因数见IEC 287表Ⅲ，tgδ=0.008。

C——单位长度电缆电容，F/m

2.4.3金属套或屏蔽的损耗因数确定

金属套单点互联或交叉互联的单芯电缆在一般平衡状态下仅有涡流损耗，环流损耗相对较小，可忽略不计，

 （7）

其中：——在电缆最高运行温度下其单位长度金属护套（屏蔽）的电阻；

  （8）

其中：——金属护套（屏蔽）外径，mm；

——金属护套（屏蔽）厚度，mm；

  （9）

其中：——在电缆最高运行温度下其单位长度金属护套（屏蔽）的电阻

其中：——金属护套（屏蔽）的截面积，mm2

  （10）

（11）

=0

其中：d——金属套平均直径（金属护套，（屏蔽）外径），mm；

S——所考虑带电段内各导体轴线之间的距离，mm；

涡流损耗金属套单点互联或交叉互联的单芯电缆涡流损耗

 （12）

其中：——金属护套（屏蔽）涡流损耗因数

——金属套厚度

其中：：金属护套（屏蔽）损耗因数

：金属护套（屏蔽）环流损耗因数，为0

2.4.4 铠装的损耗因数确定

金属套单点互联或交叉互联的单芯电缆在一般平衡状态下仅有涡流损耗，铠装环流损耗相对较小，可忽略不计，

  （13）

其中：——在运行温度下铠装材料的电阻率

  （14）

其中：——铠装外径，mm；

——铠装厚度，mm；

其中：——在电缆最高运行温度下其单位长度铠装的电阻

其中：——铠装的截面积，mm2

  （15）

（16）

=0

涡流损耗金属套单点互联或交叉互联的单芯电缆涡流损耗

  （17）

其中：——铠装涡流损耗因数

：铠装损耗因数

：铠装环流损耗因数，为0

2.4.5单根导体和金属套之间热阻

  （18）

其中：——绝缘材料热阻系数，单位为开米每瓦（K·m/W）；=3.5 K·m/W

——导体和金属套之间的绝缘厚度，单位为毫米（mm）

——导体直径，单位为毫米（mm）

2.4.6金属护套（屏蔽）至铠装之间的热阻确定

  （19）

其中：——垫层的热阻K·m/W

——垫层材料热阻系数，=6K·m/W

——垫层的厚度，mm

——金属屏蔽层外径

2.4.7电缆外护层热阻

  （20）

其中：——外护层的热阻，K·m/W

——铠装层外径，因无铠装层，为金属护套（屏蔽）外径

——外护层材料热阻系数，取6 K·m/W

——外护套厚度，mm

注：对非铠装电缆，直接取处于其下的组成部分的外径，即取金属套、屏蔽或衬层的外径作为

2.4.8单根孤立敷设（周围没有热源）时电缆外部热阻

  （21）

其中：——土壤热阻系数，K·m/W

——电缆外径，单位为米（m）

——相邻电缆之间轴心间距，mm

L——地表面到电缆轴心之间距离，mm

2.4.9计算结果

通过查阅厂家资料，依据本工程已知参数，选择了：3×（3×ZA-YJV62-8.7/15kV 1×400）、3×（3×ZA-YJV62-8.7/15kV 1×500）、3×（3×ZA-YJV62-8.7/15kV 1×630）三种规格的单芯电缆进行对比计算。根据规范《电缆载流量计算第21部分：热阻 热阻的计算》中规定：电缆直接埋于填满沙的电缆沟内，计算载流量时，填充砂的热阻系数取2.5K·m/W。电缆沟内敷设环境平均温度按照

25℃选择。三种规格电缆的基础参数见下表1。

表1  单芯电缆基础参数

在电缆的类型、接地方式、排列方式、土壤热阻系数、环境温度一定的前提之下，电缆的敷设深度也会对电缆的载流量有一定的影响。计算结果如表2所示。

根据计算比选，本工程电缆选择采用3×（3×ZA-YJV62-8.7/15kV 1×500）型。电缆采用在电缆沟层架（充砂）单端接地，品字形敷设，电缆沟内埋深500mm，采用单端直接接地方式，另一端通过护层电压限制器接地。

表2  单芯电缆载流量计算结果

3结论

本文对单芯电缆影响载流量的因素进行了分析，通过迭代法计算了不同敷设条件下电缆所允许的最大载流量，通过分析得出以下结论：

（1）单芯电缆的载流量是在给定基准条件下的本体热阻及外部热阻的迭代计算。

（2）单芯电缆在正常运行及短路故障时均会在电缆金属护层上产生环流，需先计算出不同接地方式下的感应电压，并针对具体工程，选择合适的排列方式、接地方式，避免造成电缆输送容量受限。

（3）当电缆排列方式、接地方式一定的情况下，环境温度、土壤热阻系数、敷设深度对电缆载流量影响很大，为提高电缆利用率，应根据实际情况选择合适的敷设环境。

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