關于單芯鋼絲鎧裝電纜諸問題的探討

關于單芯鋼絲鎧裝電纜諸問題的探討

1 問題的提出

    通過試驗和現場資料的分析以及搜集到的資料表明,單芯鋼絲鎧裝電纜結構設計、選材和運行合理性等諸多問題逐漸引起人們的關注。單芯鋼絲鎧裝電纜的鎧裝損耗越來越引起人們的關注，國內采用單芯鋼絲鎧裝電纜給多處工程帶來麻煩和經濟損失。用戶關注的敏感性及重視程度遠大于電纜制造廠對這一問題的思考。資料[1]中對這一問題進行了論述并列舉了國內敷設單芯鋼絲鎧裝電纜線路情況。并提出國內單芯電纜鋼絲鎧裝采用隔磁結構是與世不同的“怪”產品。應該與國外接軌，取消銅絲隔磁結構。

    60年代中期敷設了上海過黃浦江電纜，選用意大利比瑞利的220kV充油鉛套PE護套鋁合金絲鎧裝,廠方采用非磁性鎧裝，消除鋼絲的磁損耗.能提高輸送容量。國外也有采用硬銅合金絲鎧裝（原文作者認為采用非磁性鎧裝是一種誤導）。60年代后期南京和安慶110KV充油單芯海纜工程曾設想生產非磁性鎧裝，因國內沒有鋁合金絲產品，就改用銅絲隔磁設計。在鋼絲鎧裝中間均勻分布3到4根銅絲是單芯電纜外不形成閉合磁路。自從那時起至今國產超高壓單芯海纜全部采用隔磁結構鎧裝。（這是否起源于我國有待于考證-摘錄者自言）。

    文章又列舉幾個引進工程，1987年廣東虎門220KV充油鉛套PE護套鋼絲鎧裝PLP外護層海纜。由日本住友供貨。采用φ8 mm鍍鋅鋼絲45根。為了提高輸送容量，在鉛套與PE護套間有24根扁平導線共240mm2?；亓鲗w的作用是降低金屬套阻抗，以降低護套損耗提高輸送容量。1989年廈門集美至高崎跨海峽海纜，220Kv1×630mm2銅芯充油鉛套HDPE護層鋼絲鎧裝PLP外護層海纜。由法國阿爾卡特供貨。采用Φ7.6mm鍍鋅鋼絲41根。1998年北京供電局敷設在湖里的水底電纜，15kV 1×300mm2銅芯XLPE鉛套鋼絲鎧裝PE外護層電纜。由法國阿爾卡特供貨。鎧裝采用φ7 mm鍍鋅鋼絲23根。廠商認為鋼絲表面鍍鋅，其排列不是十分緊密，鋼絲間被外護層的防腐劑（如瀝青）所填充，不會形成閉合的磁回路，不會產生額外的護套損耗。

    文章說國產單芯交流海底電纜鋼絲鎧裝的結構自60年代開始至今一直采用隔磁鋼絲結構設計。而所有國外進口的單芯交流海底電纜的鋼絲全采用鍍鋅鋼絲設計，制造廠認為從理論和實際運行記錄上看沒有必要采取隔磁設計。為了使我國海纜的結構與國外產品相似，文章作者的觀點是取消隔磁結構。不僅是海纜，110kV XLPE電纜等都應該作相應的修改。

    以上是國內外高壓和超高壓電纜用于水下敷設時單芯鋼絲鎧裝結構方面的情況。對于35kV及以下電纜由于國家標準中規定采用銅絲隔磁結構，所以各個制造廠基本都是按標準制造。設計部門和使用部門也選用此類電纜。出問題的大有其在。

    鎮海煉化第二熱電站1＃發電機組至變壓器采用的是8.7/10kV1×500mm2 YJV32 φ3.15鍍鋅鋼絲鎧裝，并用4根銅絲隔磁。電纜燒毀的除了成束敷設方面的原因外，鋼絲是造成電纜燒毀的原因之一。

    某電站采用1×400mm2 YJV32 交聯聚乙烯絕緣電纜15根，每相5跟并聯。（先不分析其選擇電纜型號是否合理。）試運行后發現載流能力遠小于設計的載流能力。用戶提出是否是鋼絲鎧裝損耗太大的緣故。故提出要做試驗進行驗證。本文就是針對該工程對單芯鋼絲鎧裝電纜進行了載流量試驗。用試驗數據和現場測試數據來說話。重點從鎧裝材質和運行方面來探討為今后電纜結構合理設計提供資料。

2．試驗和現場測試資料 

    2．1 試驗與計算資料 

    模擬某電纜線路工程進行試驗。8.7/15 kV 1×400 mm2 YJV32 交聯聚乙烯絕緣單芯鋼絲鎧裝電纜。其試樣結構尺寸列于表2-1。

    注: 導體屏蔽層厚度為0.8 mm.絕緣屏蔽層厚度為0.6 mm.銅帶厚度0.2mm。包帶厚度0.2mm。

    鋼絲直徑φ2.5mm 4根等直徑的銅絲均勻分開作為隔磁。

    空氣中敷設，不同的排列方式下載流量試驗數據及相關參數列于表2-2中。

    注：* 根據測量表面的部位不同，溫度相差較大。 

    ** s – 相鄰電纜軸心之間距。 De – 電纜外徑 

    按照IEC 60287標準根據試樣尺寸對單芯鋼絲鎧裝電纜進行了載流量計算，計算結果列于表2-3。 　

    注：* 工作溫度下的導體的交流電阻（Ω/m） .

    ** 鎧裝鋼絲損耗（根據試驗時鎧裝損耗推算值計算而得）。 

    平面排列，電纜中心間距為2根電纜外徑(De)。 

2．2 現場資料

    某工程現場電纜排列如圖2-1所示。測試資料經過整理匯總如下。根據＃1～＃2機組電流分配數據計算出電纜線芯和表面的溫度列于表2-4和表2-5。計算線芯溫度和表面溫度所采用的參數如下：

    根據測量電流而推算出線芯溫度和表面溫度。采用的參數是YJV32電纜的計算參數值(如交流電阻和熱阻)和試驗參數(如鋼絲損耗等)。 

    圖 2-1 電纜排列示意圖

    表 2-4 ＃1機組 31 MW 1800 A 

    * 每一線路由三根單芯電纜呈三角形排列，彼此之間有一間隙。

    * 由于阻抗引起電流分配不均。

    * 每一線路由三根單芯電纜呈三角形排列，彼此之間有一間隙。

    * 由于阻抗引起電流分配不均。

    3.1 載流量下降

    首先探討單芯鋼絲鎧裝電纜在相同工作溫度和相同環境條件下為什么載流量要比非鎧裝電纜載流量要小得多？其中主要原因是鎧裝鋼絲損耗太大。在三角形排列情況下鋼絲的磁滯和渦流損耗是線芯損耗的3倍多。平面排列是線芯損耗的2倍多。即使是分離敷設（電纜中心之間距大于2倍的電纜外徑），鋼絲損耗也是線芯損耗的2倍多。載流量是非鋼絲鎧裝單芯電纜載流量的57%（相互接觸三角形排列）和64%（間隙為1個電纜外徑平面排列）。從熱阻方面考慮，有于鋼絲電纜比同截面的非鋼絲鎧裝電纜外徑大得多（大約1.2倍）?？諝庵蟹笤O時其外部熱阻要比非鋼絲鎧裝電纜?。ù蠹s是0.80%）。雖然鋼絲鎧裝多了內襯層熱阻，其增加絕對值與外部熱阻的減小幾乎相抵消。所以說鎧裝損耗在這里起著絕對作用。這是載流量降低的主要原因。

    3.2 鎧裝損耗

    單芯電纜鋼絲鎧裝損耗為什么這么大？其損耗原因主要是磁滯和渦流損耗起決定性作用。這些損耗都與磁場強度有關，而磁場強度又與線芯電流有關。當鋼絲單點互連時，鎧裝不存在環流損耗。電纜是相當于無限長直導線，其線芯電流在本電纜鋼絲中的電場遠大于其它相鄰電纜電流在該鋼絲中的電場，認為鋼絲損耗主要是本電纜線芯電流引起的。三根單芯呈三角形排列運行于三相系統和三根單芯呈三角形排列串聯運行于單相系統中，根據表2-2 試驗資料（單相）和現場的測量資料（三相）反映到載流能力和溫度兩個參數來分析在三角形排列時兩者的鋼絲鎧裝損耗是接近的。這僅僅是就該組數據而言。因試驗條件限制無法進行三相系統試驗。通過表3-1的計算溫度參數至少可以說明電纜呈三角形排列時單相的試驗數據（載流量）與三相系統下在現場排列方式下的測量電流是相近的。

    注：① 試驗與現場電纜都呈三角形排列，但現場的三角形中有一膠木條隔開。

    ② 計算值（根據電流和熱阻計算）。

    ③ 為便于比較已將表2-2的試驗數據已換算到環境溫度38.5℃時的等效值。

    ④ 三角形電纜組的表面溫度隨部位的不同相差很大，表中數據僅供參考。

    3.3 隔磁是偽概念

    通過實驗和現場資料表明，單芯鋼絲鎧裝其隔磁結構是不起作用的。鋼絲是磁性材料，銅絲是非磁性材料，在導體中有交變電流通過時，在鋼絲部位由于有銅絲插入可能引起磁力線崎變，但不能中斷。交變電磁場在鋼絲中由于磁化強度總是要落后于磁場強度的變化(磁滯現象)，鐵磁體反復磁化時磁體分子的位相不斷地改變，分子振蕩加劇，要發熱，溫度增高。使分子振動加劇的能量是由維持磁化場電流的電源所供給的。在交變磁場中鋼絲中也產生應電流，這種應電流在鋼絲體內自己閉合形成渦流。由于電阻很小，渦流強度可以很大，是鋼絲放出大量熱量。其熱能也是源于維持磁化場電流的電源所供給的。通過實驗和現場測量表明這種隔磁結構是個偽概念。從定量計算比較復雜，IEC 60287 標準中僅對電纜間隔10m的海底敷設單芯鋼絲鎧裝電纜提出鎧裝損耗與線芯損耗相等的計算方法。在沒有計算方法之前最好通過試驗解決單芯鋼絲鎧裝電纜載流能力。對于正在考慮的問題，采用試驗方法解決是符合IEC標準的解決問題的原則的。幸好上海電纜研究所在60年代就建造了電纜載流量試驗基地，現在已改建成符合國家級要求的試驗室。有一整套載流量測試設備。除了一般性電纜外，還為特殊電纜熱性能試驗服務。

    結論

    通過上述分析至少可以取得兩點收獲：

    1 單芯鋼絲鎧裝電纜載流量遠遠小于同截面非鎧裝單芯電纜，千萬不能按非鎧裝電纜選擇載流量（可以說100%廠家提供的載流量都是錯誤的）。

    2 鋼絲鎧裝損耗遠遠大于線芯損耗，隔磁結構實際上是虛設的，不起作用。隔磁是一個偽概念。

    綜上所述，對單芯鋼絲鎧裝電纜而言由于鎧裝磁損耗造成了載流量減小。這是單芯鋼絲鎧裝電纜致命的缺點。但是單芯鋼絲鎧裝電纜又有其能承受拉力和強大的外來機械力的作用，實際上也是不可缺少的產品。如江河湖海敷設的海底電纜。因此，建議采用：

    1單芯電纜非磁性鎧裝（如不銹鋼絲、銅合金或鋁合金絲），這絕不是誤導。

    2 一定要選擇鋼絲者采用鍍鋅鋼絲，并涂以防腐層，鋼絲之間彼此隔開。資料[1]說國外廠家認為可以到隔磁作用。但筆者認為這與采用銅絲隔磁作用沒有多大區別?？梢宰鰝€試驗來驗證一下。不在這里加以評論。

    3 除江河湖海水底及承受巨大拉力特殊情況外，通常情況下不易選用單芯鋼絲鎧裝電纜，如隧道、托架等不承受拉力和或可以預料的外來機械力不是很大時。

    另外，建議修改電纜標準其中的單芯鋼絲鎧裝電纜采用銅絲隔磁結構改為采用非磁性材質作為鎧裝絲。