城市電力線路應急電纜的結構設計

王志強

(上海浦東電線電纜集團有限公司，上海201414)

0 引言

青海省西寧供電公司根據冰雪、地震以及城市電網突發性設備故障線路的搶險需要，自行開發了一個不停電搶修系統。在這系統中需要一種電纜與之配套，并提出了這種電纜的具體設計要求。我們公司根據這個需要，設計了配套電纜。本文將對該應急電纜的設計作具體介紹。

1 旁路供電電纜的要求

這個系統可以用旁路電纜來取代原來的線路，整個過程只需要20 min就可解決3 km范圍內的不停電搶修作業。系統原理見圖1。

其配套的8.7/15 kV旁路供電電纜需要滿足以下特殊要求:(1)由于架設時電纜會經多次彎曲，所以電纜應盡可能柔軟;(2)由于操作者直接接觸電纜，因此電纜應保證充分安全、可靠;(3)因電纜直接暴露在大氣中，所以電纜應能經受雷電沖擊的考驗。其它技術要求:(1)系統額定電壓12 kV，工作狀態下無閃絡;(2)工頻電壓試驗42 kV，5 min，無擊穿;(3)沖擊試驗109 kV，±10次，無閃絡;(4)可靠接地系統。圖2為工人正在架設旁路供電電纜。

圖1 不停電搶修原理圖

圖2 正在架設的旁路應急電纜

2 電纜結構設計

針對用戶的要求，我們的設計涉及到:電纜導體結構;滿足工頻電壓及雷電沖擊條件下的絕緣層厚度;滿足安全性能、可靠接地性能的屏蔽層結構設計。15 kV旁路供電電纜的結構見圖3。

圖3 15 kV旁路供電電纜結構示意圖

2.1 導體結構、尺寸設計

2.1.1 導體結構

考慮電纜盡可能柔軟，可選用軟導體(第5種結構)。先將很多根細軟銅絲束絲成股，然后將股與股絞合在一起組成導體。根據GB/T 3956—2008規定，導體銅單絲直徑不得大于0.41 mm。本設計選用單根細銅絲直徑為0.40 mm。

2.1.2 計算銅絲根數

由導體截面公式可推得:

式中，n為導體根數;S為導體截面;λ為絞入率，一般取1.035;d為導體直徑。

經計算可得到根數n為412(根)。

2.1.3 計算導體束絞外徑

軟銅絲束絞后直徑D為:

式中，n為銅絲根數;d為銅絲直徑。

可以求得D=9.58≈9.6 mm。

2.2 半導電包帶和導體屏蔽

按圖3所示，由于很多根細軟銅絲絞合后不圓整，所以設計考慮用半導電包帶扎緊，同時與擠包的導體屏蔽組成復合屏蔽層。15 kV電纜導體屏蔽厚度一般為0.7 mm。

2.3 計算XLPE絕緣層厚度

2.3.1 根據工頻擊穿電壓計算絕緣厚度

工頻電壓下的絕緣厚度Δi為:

式中，Um為系統最高工作電壓，對于8.7/15 kV電纜取 Um=17.5 kV;K1為絕緣老化系數，一般取4.0;K2為工頻電壓下絕緣層溫度系數，一般取1.1;K3為工頻電壓試驗裕度系數，一般取1.1;Ec為工頻擊穿電壓的最低值，取15 kV/mm。

數值代入后計算得到工頻電壓下電纜絕緣層厚度Δi=3.58 mm。

2.3.2 根據雷電沖擊電壓計算絕緣厚度

式中，UBIL為基本絕緣水平，8.7/10 kV電纜取95 kV;k'1為絕緣在脈沖電壓下老化系數，一般取1.1;k'2為絕緣層溫度系數，取1.1;k'3為沖擊試驗裕度系數，一般取1.20;EP為交聯聚乙烯平均脈沖擊穿強度，取35 kV/mm。

計算得到雷電沖擊電壓條件下的絕緣層厚度為Δi=3.94 mm。比較工頻擊穿電壓和雷電擊穿電壓下分別計算得到的絕緣厚度3.58 mm和3.94 mm，選取后者。

2.4 確定絕緣屏蔽層厚度

15 kV電纜的絕緣屏蔽一般取0.8 mm。

2.5 計算銅絲和銅帶復合金屬屏蔽層結構尺寸

考慮到電纜中性點不接地，因此采用金屬銅絲屏蔽，同時在銅絲屏蔽層外再反向疏繞一層銅帶，以保證屏蔽銅絲完全連續。金屬屏蔽層的截面應根據電纜短路電流計算獲得。

2.5.1 計算短路電流

根據IEC 60949短路電流IAD計算公式:

式中，IAD為短路電流;t為短路時間，取t=5 s;K為取決于載流體材料的常數，銅導體取226;S為載流體幾何面積，取50 mm2;θf為短路時最終溫度，取250℃;θi為短路時起始溫度，取90℃;β為0℃時導體電阻溫度系數倒數，銅導體取234.5。經計算得到IAD=3 196 A。

2.5.2 計算屏蔽層最小截面Smin

式中，t為短路持續時間，一般取t=1 s，因考慮熱量損失在鄰近層的因素，根據經驗值取1.2 s;K為與導體有關的系數，取K=226;β為銅導體溫度系數的倒數，取β=234.5;θf為短路時最終溫度，取 θf=250℃;θi為導體在短路時起始溫度，通常取50℃。

代入式中計算得到Smin=16.15 mm2。這一計算結果與DIN VDE 0276-620:2009標準中規定“導體截面50 mm2，其屏蔽層的最小截面為16 mm2”是基本一致的。

2.5.3 確定銅絲屏蔽的直徑和根數

先選用常用的屏蔽銅絲規格，確定直徑為0.4 mm。再根據公式S=n(πd2/4)求屏蔽銅絲根數。式中，S為屏蔽截面;n為根數;d為銅絲直徑。可以求得根數為127根。考慮到加工設備因素，實際選用144根0.4 mm的屏蔽銅絲，其屏蔽截面為18.1 mm2，達到了設計要求。

2.5.4 屏蔽銅絲外繞包銅帶的尺寸

在屏蔽銅絲外再用一薄銅帶捆扎起來，這是為了確保屏蔽銅絲處處連續，同時也增加了屏蔽截面。一般選用厚0.1 mm、寬10 mm的薄銅帶。

2.6 確定電纜的外護套厚度

在擠包外護套之前，可先繞包一層非吸濕性包帶作為襯墊。依據GB/T 3956—2008附錄C規定，外護套應根據電纜“假定外徑”來選取。因計算假定外徑的過程較復雜，這里不再贅述。經計算，該電纜的假定外徑為25.4 mm，因此厚度可確定為1.9 mm。考慮到電纜在實際使用中需要經常收卷、放出，因此設計時選用耐磨、耐候的聚合物材料。

3 結束語

本設計完成后，還經過了相應的設計論證。在產品出廠試驗完成后，又通過了國家電線電纜質量監督檢驗中心的型式試驗，產品完全符合各項性能指標，達到了用戶要求。現在這種應急不停電搶修系統已在青海西寧以及其它中心城市推廣應用，相信其配套的城市電力線路應急電纜的未來市場前景廣闊。目前，本電纜又以“一種中壓旁路柔性應急處置用電力電纜”名稱獲得了實用新型專利證書(專利號201020136361)。

［1］羅俊華，藍 劍，蘇 勇，等.15 kV柔性旁路電纜的不停電搶修作業技術［J］.高電壓技術，2009，35(4):949-953.

［2］朱欣娣，武宇波，魏螢螢，等.中壓交聯電纜金屬屏蔽層的幾個關鍵問題的討論［J］.電線電纜，2009(4):11-13.

［3］IEC 60949:1988 Calculation of thermally permissible short-circuit currents，taking into account non-adiabatic heating effects［S］.

［4］DIN VDE 0276-620:2009 Distribution cables with extruded insulation for rated voltages from 3，6/6(7，2)kV to 20，8/36(42)kV［S］.

［5］GB/T 3956—2008電纜外護層［S］.