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高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的選擇
□ 陳光高 焦仲福 劉建春/文
選擇本文對高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的有關(guān)問題進行了討論，對電纜導(dǎo)體、金屬屏蔽層或金屬護套、外護套等選擇進行了比較，也對金屬屏蔽層的接地和敷設(shè)方式進行了分析和討論。
1 引 言
交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜由于具有良好的電氣性能等一系列優(yōu)點，被廣泛得到使用。其制造技術(shù)從低壓到高壓，從小截面到大截面，從普通結(jié)構(gòu)到阻燃，從過氧化物交聯(lián)、硅烷交聯(lián)到輻照交聯(lián)均已日趨成熟，１１０ｋＶ和２２０ｋＶ高壓交聯(lián)電纜也得到蓬勃發(fā)展。８０年代末，沉陽電纜廠用２＋２懸鏈工藝制造出我國第一根１１０ｋＶ交聯(lián)電纜，９０年代初上海電纜廠開始用立式交聯(lián)工藝生產(chǎn)１１０ｋＶ交聯(lián)電纜，鄭州電纜（集團）股份有限公司在試制成功１１０ｋＶ交聯(lián)電纜后，１９９６年首次用立式全干法工藝生產(chǎn)的２２０ｋＶ交聯(lián)電纜通過兩部鑒定，填補國內(nèi)空白，相繼已有十多條生產(chǎn)線具備高壓交聯(lián)電纜的生產(chǎn)條件。實際上國內(nèi)高壓交聯(lián)電纜的應(yīng)用還要超前于電纜的制造�？梢哉f高壓交聯(lián)電纜的批量使用促進了制造行業(yè)的技術(shù)進步，而制造技術(shù)和工藝裝備的發(fā)展又不斷滿足了電力工業(yè)的需要。目前，國產(chǎn)１１０ｋＶ和２２０ｋＶ高壓交聯(lián)電纜的制造技術(shù)已基本接近當(dāng)代世界先進水平。在進一步加強企業(yè)內(nèi)部管理，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，合理選擇電纜種類和參數(shù)，提高與整個線路相關(guān)的技術(shù)水平的前提下，高壓交聯(lián)電纜線路的安全性、可靠性、經(jīng)濟性就會不斷提高。本文就選擇高壓交聯(lián)電纜的有關(guān)問題作初淺的探討。
2 高壓交聯(lián)電纜的導(dǎo)體
高壓交聯(lián)電纜的導(dǎo)體與其他電力電纜一樣，分為銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體，選擇導(dǎo)體截面和導(dǎo)體材料主要考慮兩個因素，其一是載流量，其二是允許通過的短路電流。影響載流量的因素分別為損耗即導(dǎo)體損耗、絕緣損耗、金屬屏蔽層損耗和鎧裝層損耗，熱阻以及電纜敷設(shè)方式和環(huán)境條件。在電纜敷設(shè)方式、環(huán)境條件和護層結(jié)構(gòu)一定的前提下，電纜的載流量和短路電流的大小取決于導(dǎo)體直流電阻，也就是取決于導(dǎo)體的材料和導(dǎo)體的截面積。顯然，銅的電阻率比鋁的電阻率小得多，而且銅導(dǎo)體還具有接觸電阻小、機械強度高、彎曲性能好等優(yōu)點，緊壓圓型絞合導(dǎo)體的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于鋁導(dǎo)體。但是鋁的密度小，對于相同直流電阻的銅、鋁導(dǎo)體來說，鋁導(dǎo)體的重量不到銅導(dǎo)體重量的５０％，價格也比銅導(dǎo)體便宜，鋁導(dǎo)體電纜與銅導(dǎo)體電纜相比具有明顯的經(jīng)濟性。表１列出了銅、鋁導(dǎo)體電纜的載流量和短路電流。
從表１可以看出，相同截面積銅芯電纜的載流量是鋁芯電纜的１．３倍，短路電流是鋁芯電纜的１．５倍。由此可以認為，只要鋁芯電纜價格低于銅芯電纜的１．５倍，從經(jīng)濟角度考慮應(yīng)選擇鋁芯電纜。從表１還可以看出，鋁芯電纜的載流量和短路電流均高于截面與之小兩檔的銅芯電纜。只要鋁芯電纜的價格低于與之小兩檔的銅芯電纜的價格，選擇鋁芯電纜的工程費用就低。需要說明的是，鋁導(dǎo)體焊接必須采用氬弧焊。其技術(shù)國內(nèi)尚不成熟，缺乏施工和運行經(jīng)驗。
表 1 電纜的短路電流 | |||||||
標(biāo)稱載面/mm2 | 240 | 300 | 400 | 500 | 600 | 800 | |
載流量/A | Cu | 551 | 622 | 710 | 541 | 918 | 1031 |
Al | 428 | 484 | 555 | 635 | 726 | 828 | |
Cu/Al | 1.287 | 1.285 | 1.279 | 1.324 | 1.264 | 1.253 | |
短路電流/kA | Cu | 34.8 | 43.4 | 57.8 | 72.2 | 90.9 | 115.3 |
Al | 23.0 | 28.7 | 38.2 | 48.8 | 60.0 | 76.1 | |
(l s) | Cu/Al | 1.513 | 1.512 | 1.513 | 1.514 | 1.515 | 1.515 |
注：電纜YJQ02，110kV，敷設(shè)條件為：直埋、平行敷設(shè)、土壤熱阻系數(shù)1.2K*m/W,環(huán)境溫度，敷設(shè)深度 |
3 金屬屏蔽層和金屬護套
高壓交聯(lián)電纜的金屬屏蔽或金屬護套種類較多，有鉛套、皺紋鋁套、皺紋銅套、皺紋不銹銅套和鋁塑綜合護套。除皺紋不銹鋼套外，國內(nèi)能生產(chǎn)各種金屬護套的高壓交聯(lián)電纜。
鉛套電纜的優(yōu)點是柔軟，彎曲性能、密封性和耐腐蝕性好，便于敷設(shè)、也便于電纜附件的安裝，適合用于防水、防潮以及防腐蝕性要求較高的場合。缺點是機械強度低，抗蠕變性差，不適合用在振動或正壓力較大的情況下。另外鉛的密度大、直流電阻率高，允許通過的短路電流小。皺紋鋁套的優(yōu)點是機械強度高，直流電阻小，允許通過的短路電流大，見表２。由于鋁的密度小，使得電纜的重量明顯小于鉛套，見表３。與鉛套相比鋁套電纜的缺點是電纜外徑大，裝盤長度短，耐腐蝕性差，不易彎曲，在電纜附件安裝過程中封焊比較困難。
鋁塑綜合護套電纜除其外徑小，重量略輕于皺紋鋁套電纜外，沒有其他優(yōu)點，缺點是密封性差。因為鋁塑復(fù)合帶本身厚度薄，一般在０．１５～０．２０ｍｍ左右，而且接縫處不可避免地存在缺陷；另外由于鋁塑復(fù)合層與外護套之間的摩擦系數(shù)較小，電纜在敷設(shè)過程中容易起皺，甚至?xí)a(chǎn)生破裂。這種結(jié)構(gòu)的電纜不適用于直接埋地或濕度較大的環(huán)境條件。
皺紋銅套電纜與鉛套電纜相比重量輕，允許通過的短路電流大，與皺紋鋁套電纜相比幾乎不存在優(yōu)點。而且在焊接過程中焊弧對焊縫的自動跟蹤性差，一旦焊弧飄移，輕則出現(xiàn)縫隙，重則當(dāng)焊縫兩側(cè)熔融狀態(tài)的銅不能接合在一起時，必然向銅套內(nèi)側(cè)滴淌，并在內(nèi)壁形成銅柱。可見皺紋銅套的焊接工藝不易控制，焊縫質(zhì)量也不易保證。鋁套與銅套不同，其焊接過程中，焊弧的自動跟蹤性能良好，不會出現(xiàn)焊弧飄移，焊縫質(zhì)量能夠得到保證。
4 金屬屏蔽層的接地及電纜敷設(shè)方式
電纜金屬屏蔽層或金屬套接地分為單端接地、雙端接地和交叉互聯(lián)接地。單端接地是在電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地，另一端不接地或通過保護接地。在這種情況下，金屬屏蔽層對地之間有感應(yīng)電壓存在，感應(yīng)電壓與電纜的長度成正比，但無環(huán)流通過。這種接地方式僅適合長度較短的線路，也就是說電纜長度所對應(yīng)的感應(yīng)電壓不能超過安全電壓。雙端接地是將金屬屏蔽層的兩端均直接接地，在這種情況下，金屬屏蔽層中有環(huán)流通過，會降低電纜的載流量，見表４。
從表４可以看出，雙端接地時電纜的載流量比單端接地或交叉互聯(lián)接地小的多，不僅造成資源浪費也造成能源損失。這種方式只是在特殊情況下采用，如電纜需要過江、海底以及受條件所限無法采用交叉互聯(lián)的場合。
交叉互聯(lián)接地是將金屬屏蔽層的一端直接接地，采用中間絕緣接頭和交叉互聯(lián)箱將三相電纜的金屬屏蔽層進行換位連接，另一端通過保護接地或直接接地。在完全換位的情況下，金屬屏蔽層中無環(huán)流通過，兩端對地之間也無感應(yīng)電壓，每段電纜中間有感應(yīng)電壓，且換位處感應(yīng)電壓最高。交叉互聯(lián)接地與單點接地電纜的載流量相同。這種接地方式雖然適應(yīng)長線路，但應(yīng)根據(jù)最高允許感應(yīng)電壓確定相鄰兩個換位點之間的距離。
電纜敷設(shè)排列方式分為平行排列和三角形排列。由于兩種方式的電感和熱阻不同，它們之間的載流量有較大的差別。表５列出了平行排列和三角形排列以及金屬屏蔽層不同接地方式的載流量。
從表５可以看出，在上述敷設(shè)條件下，同一結(jié)構(gòu)的電纜當(dāng)金屬屏蔽采用單端或交叉互聯(lián)接地時，平行敷設(shè)排列的載流量高于三角形排列，金屬屏蔽層采用雙端接地時，三角形排列的載流量高于平行排列。將金屬屏蔽層的兩種不同接地方式和電纜的兩種敷設(shè)排列方式進行組合，其載流量由高到低的順序為：單端接地平行排列→單端接地三角形排列→雙端接地三角形排列→雙端接地平行排列。
5 電纜附件的熱性能
電纜附件是電纜線路中的一個重要組成部分，我們可以從電纜附件生產(chǎn)廠商提供的資料和試驗報告中了解到電纜附件的電氣性能和機械性能，以電場強度作為電纜附件絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)也很經(jīng)典，而且ＩＥＣ２８７以及各種教課書對電纜本體的熱性能均有規(guī)定和論述，但都尚未涉及到電纜附件的熱能性。實際上，電纜附件的結(jié)構(gòu)尺寸和材料都不同于電纜本體，其熱性能也必然不同。所以電纜附件制造廠商應(yīng)該向使用者提供電纜附件的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料及其特性，以便計算整個線路的載流量，或者由電纜的允許載流量推算電纜附件的溫升。
6 結(jié)束語
綜上所述，我們在選擇高壓交聯(lián)電纜或設(shè)計高壓線路時有必要關(guān)注這樣幾個問題：（１）從經(jīng)濟角度考慮，應(yīng)盡量采用鋁導(dǎo)體代替銅導(dǎo)體；（２）在選擇電纜的金屬護套時應(yīng)優(yōu)先采用鉛護套或皺紋鋁護套；（３）對阻燃要求較高的場合選用聚氯乙烯外護套，對防濕、防潮、防腐要求嚴格以及護套對地絕緣電阻要求較高的場合應(yīng)選用聚乙烯爐套；（４）從載流量的角度考慮，金屬屏蔽單端接地及平行排列敷設(shè)為最佳方案；（５）在高壓交聯(lián)電纜線路中應(yīng)考慮電纜附件的熱性能。
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