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改变电缆填充材料 提高电缆传输能力
来自:连接中国  2006年7月21日10:26

   随着城市电网的改造,有不少大中城市的架空线路将改成埋地电缆,8.7/10kV至26/35kV的电压级别将作为电网的主干线路而得到广泛应用。如何提高线路的传输容量,如何降低线路传输损耗和如何防止大量交联聚乙烯电缆在隧道中敷设所带来的防火隐患?这一系列的问题正待我们去回答。
    众所周知,电缆的传输容量决定于导体传输电流时所产生的温升和导体外绝缘材料能够长期承受的温度以及电缆内外绝缘向周围媒质散发热量的能力。
    为了追求传输容量的增大,以往的注意力大多放在如何增大导体截面和如何克服大截面导体(如1000mm2及以上)所带来的集肤效应;至于绝缘材料的允许工作温度、绝缘及护套材料的热阻系数和它们的厚薄尺寸,在标准上都有规定,似乎没有什么潜力可挖,只要电缆结构尺寸相同,应用材质相同其传输能力也就大致相同。可以说电缆的传输容量决定于结构设计和应用材料的差异,而与制造工艺的先进或优劣相关不大。
    当然更动电缆设计并不是一件轻而易举的事。作为中压电缆的典型结构:铜导体、内屏蔽、绝缘、外屏蔽、铜带屏蔽、相间填充和外护套(PVC),其中“填充”是唯一更动后对电缆电性能、机械性能影响最小的环节——填充在电缆中的功能只是保持电缆的外形和对外传导散发热量,仅此而已,故常常被人轻视而无睹。其实不然,电缆填充料的选用将严重影响电缆的传输能力大小及额定电流在同等截面导体中的损耗。上海中月电缆技术有限公司和上海电缆厂十分厂就0.6/1kv~8.7/10kV分三组共六根电缆作了以下对比试验,见表1。

                                       1电缆试样型号和规格

序号

电压          kV

型号

芯数和截面mm2

导体形状

电缆外径mm

扇形

圆形

1

0.6/1

ZAYJV

4*70

 

36.0

2

0.6/1

ZRYJV

4*70

 

30.4

3

0.6/1

ZAYJV

3*120+1*70

 

42.6

4

0.6/1

ZRYJV

3*120+1*70

 

36.1

5

8.7/10

ZAYJV

3*70

 

58.9

6

8.7/10

ZRYJV

3*70

 

55.0

    上述六根电缆试样中编号2和4为传统型结构,导体为铜质扇形,与其相对应的1和3号试样在导体截面上是一致的,均为4*70和3*120+70,唯新结构的导体形状为圆形以及相间的填充材料由原来的玻璃纤维改成低热阻的矿物质材料;5号和6号为8.7/10kV级的试验组别,其导体截面、形状、绝缘材质和厚度、屏蔽和铜带、外护套材质和厚度,二者均一一相同,差别的是5号为矿物质填充,6号为传统的玻璃纤维填充。试验分二个步骤进行,试验的第一部分是把1号和2号,3号和4号,5号和6号三组规格截面相同,型号填充不同的一对试样的各相导体串联,并在外部环境温度一致的条件下通以恒定的电流(测试方法依据IEC60287标准对架空敷设电缆截面载流量计算),测得结果如表2。
    第二步试验方法是:外部环境温度恒定在40℃,三组试样6根电缆的导体温度控制在90℃条件下,测其导体的稳态电流值,详见表3。


--  作者:梦溪笔谈
--  发布时间:2006-5-17 8:25:47

--  

2

组别

试样编号

施加电流(A

环境温度℃

导体温度℃

导体工作温度下交流电阻 Ω/km

护套表面温度℃

       线损比

1

271

18.3

90

0.3427

74.5

0.96

2

271

18.3

103

0.3563

76.7

3

393

21.4

90

0.1969

78.8

0.95

4

393

21.4

105

0.2058

77.3

5

264

23.0

66

0.3185

56

0.93

6

264

23.0

90

0.3427

62

 

--  作者:梦溪笔谈
--  发布时间:2006-5-17 8:26:17

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3

组别

试样编号

环境温度℃

导体温度℃

载流量(A

增容能力     %

1

40

90

226

108.7

2

40

90

208

3

40

90

335

110.2

4

40

90

304

5

40

90

280

122.8

6

40

90

228

    以上试验报告值均由上海电缆研究所提供,其试验报告编号为2004缆研试字040342号。
从上述试验报告可以得出如下几点:

1) 用低热阻的矿物质填充料代替纤维型填充后,其传导热的能力明显增大,这可以从表2 的数据中获得:老结构导体(第二对比组)温度高(105℃)但护套表面温度低(77.3℃);新结构导体温度低(90℃),但护套表面温度却高(78.8℃)。在电缆导体截面相同的条件下,其对比组的载流量分别提升8.7%,10.2%和22.8%。

2) 从载流量提升的百分比可以看出中压级8.7/10kV的效果明显优于0.6/1kV电压等级,其原因也是显而易见的:传统的8.7/10kV交联聚乙烯电缆均为三芯圆形绝缘,其芯间填充的是高热阻的玻璃纤维或聚丙烯撕裂绳,三相导电芯对外的散热极不顺畅,极大部分的热量只能通过屏蔽铜带与外护套的外切边缘向周围散发,由于散发的有效区段狭窄,故热阻值极大;用低热阻的矿物质材料取代后,其导电芯的热量可以比较均匀地向四周散发,填充的热阻系数低,散发面积大,二者优势的叠加使得线芯的载流能力提高到122.8%也就可以理解了。0.6/1kV级低压电缆,不管是四芯等截面还是3+1芯,导体形状基本由扇形芯围集成圆,芯绝缘间的填充量原本就很小,故用低热阻的填充材料来代替传统的高热阻的纤维型填充其散热效果的递增就没有中压电缆如此明显了,尽管在数值上仍有8~10%的增量,但这里有相当部分是依靠导电绝缘线芯由扇形变成圆形后,导体散热面由扇形弧面之和变成多芯园周长之和,其热交换界面的增加(相间填充低热阻矿物质料)的缘故。

3) 当中压8.7/10kV系统改用低热阻矿物质填充后,其载流量值仍维持在原先额定电流值264(A)时,它的导电线芯温度只有66℃,外护套的表面温度仅为56℃,均大大低于传统型同规格结构的90℃和62℃,根据铜导体的电阻系数与温度成正比的关系可以推出66℃时的线损仅为90℃线损的93%。这一结论对于电厂正在兴建和城市架空线有待入地的当前是有积极意义的。

4) 除导电线芯温度的降低减少了线损起到节能的作用外,还延长了电缆绝缘和护套的使用寿命,因为有机材料的老化寿命与其工作温度高低是息息相关的。

5) 由于使用了低热阻的矿物质填充,而且导电线芯均采用圆形结构,故电缆外径比传统结构有所增大,一般增大3~6mm,当然外径增大会带来材料 成本和电缆重量的增加,由于和结构应用的矿物质材料为环保利用产品,故材料成本与同规格的普通阻燃电缆相比只增加1~1.5%,重量将增加3~8%。至于电缆硬度和弯曲敷设半径对于固定敷设用的电缆,特别是中压系统电缆而言并无明显差异,可以视作等同。

    综合以上利弊得失,得出如下结论:在中压电缆结构中采用低热阻的矿物质来代替纤维型材料作为填充在制造工艺上是可行的,在技术性能参数上(增大传输容量和减少线损、延长使用寿命方面)是卓越的(新结构的阻燃能力均可达到A类及以上,有关用矿物质填充后的电缆阻燃能力{大众用电}已于2002年第二期“阻燃电缆的类别及选用”中作过介绍),在经济成本上是合理的,在销售价位上是具有竞争能力的。因此用低热阻高阻燃的矿物质材料来代替传统的玻璃纤维或聚丙烯撕裂绳的理念对于大辐度提高中压电缆传输综合能力,不失为一种行之有效和安全可取的新途径。至于在0.6/1kV系列是否应用,这就智者见智仁者见仁,各取所需了。

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264

23.0

66

0.3185

56

0.93

6

264

23.0

90

0.3427

62

 

--  作者:梦溪笔谈
--  发布时间:2006-5-17 8:26:17

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3

组别

试样编号

环境温度℃

导体温度℃

载流量(A

增容能力     %

1

40

90

226

108.7

2

40

90

208

3

40

90

335

110.2

4

40

90

304

5

40

90

280

122.8

6

40

90

228

    以上试验报告值均由上海电缆研究所提供,其试验报告编号为2004缆研试字040342号。
从上述试验报告可以得出如下几点:

1) 用低热阻的矿物质填充料代替纤维型填充后,其传导热的能力明显增大,这可以从表2 的数据中获得:老结构导体(第二对比组)温度高(105℃)但护套表面温度低(77.3℃);新结构导体温度低(90℃),但护套表面温度却高(78.8℃)。在电缆导体截面相同的条件下,其对比组的载流量分别提升8.7%,10.2%和22.8%。

2) 从载流量提升的百分比可以看出中压级8.7/10kV的效果明显优于0.6/1kV电压等级,其原因也是显而易见的:传统的8.7/10kV交联聚乙烯电缆均为三芯圆形绝缘,其芯间填充的是高热阻的玻璃纤维或聚丙烯撕裂绳,三相导电芯对外的散热极不顺畅,极大部分的热量只能通过屏蔽铜带与外护套的外切边缘向周围散发,由于散发的有效区段狭窄,故热阻值极大;用低热阻的矿物质材料取代后,其导电芯的热量可以比较均匀地向四周散发,填充的热阻系数低,散发面积大,二者优势的叠加使得线芯的载流能力提高到122.8%也就可以理解了。0.6/1kV级低压电缆,不管是四芯等截面还是3+1芯,导体形状基本由扇形芯围集成圆,芯绝缘间的填充量原本就很小,故用低热阻的填充材料来代替传统的高热阻的纤维型填充其散热效果的递增就没有中压电缆如此明显了,尽管在数值上仍有8~10%的增量,但这里有相当部分是依靠导电绝缘线芯由扇形变成圆形后,导体散热面由扇形弧面之和变成多芯园周长之和,其热交换界面的增加(相间填充低热阻矿物质料)的缘故。

3) 当中压8.7/10kV系统改用低热阻矿物质填充后,其载流量值仍维持在原先额定电流值264(A)时,它的导电线芯温度只有66℃,外护套的表面温度仅为56℃,均大大低于传统型同规格结构的90℃和62℃,根据铜导体的电阻系数与温度成正比的关系可以推出66℃时的线损仅为90℃线损的93%。这一结论对于电厂正在兴建和城市架空线有待入地的当前是有积极意义的。

4) 除导电线芯温度的降低减少了线损起到节能的作用外,还延长了电缆绝缘和护套的使用寿命,因为有机材料的老化寿命与其工作温度高低是息息相关的。

5) 由于使用了低热阻的矿物质填充,而且导电线芯均采用圆形结构,故电缆外径比传统结构有所增大,一般增大3~6mm,当然外径增大会带来材料 成本和电缆重量的增加,由于和结构应用的矿物质材料为环保利用产品,故材料成本与同规格的普通阻燃电缆相比只增加1~1.5%,重量将增加3~8%。至于电缆硬度和弯曲敷设半径对于固定敷设用的电缆,特别是中压系统电缆而言并无明显差异,可以视作等同。

    综合以上利弊得失,得出如下结论:在中压电缆结构中采用低热阻的矿物质来代替纤维型材料作为填充在制造工艺上是可行的,在技术性能参数上(增大传输容量和减少线损、延长使用寿命方面)是卓越的(新结构的阻燃能力均可达到A类及以上,有关用矿物质填充后的电缆阻燃能力{大众用电}已于2002年第二期“阻燃电缆的类别及选用”中作过介绍),在经济成本上是合理的,在销售价位上是具有竞争能力的。因此用低热阻高阻燃的矿物质材料来代替传统的玻璃纤维或聚丙烯撕裂绳的理念对于大辐度提高中压电缆传输综合能力,不失为一种行之有效和安全可取的新途径。至于在0.6/1kV系列是否应用,这就智者见智仁者见仁,各取所需了。

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