110kV單芯海纜鎧裝損耗試驗研究

張 磊，鄭新龍，宣耀偉，章正國，何旭濤

(國網舟山供電公司，浙江 舟山316000)

0 引言

隨著沿海城市和島嶼經濟的發展，海底電纜已成為海島電力輸送的重要途徑。為便于敷設和機械保護，鎧裝是海底電纜至關重要的結構元件，這也是區別于陸地電纜的主要特征之一。

為保證足夠大的導電線芯面積和機械抗拉力，許多海纜線路采用單芯的結構方式［1］。然而當單芯海纜導體通過大電流時，會在鎧裝和金屬護套(鉛包)產生感應電壓，而線芯電流交變產生變化的磁場，會在金屬護套及鎧裝上形成渦流，產生渦流損耗［2-3］。由于海纜運行環境的特殊性，鎧裝及金屬護套只能在海纜線路的兩端各自互聯接地，由此產生的環流會引起很大的損耗［4-6］。金屬護套損耗和鎧裝層損耗是單芯鎧裝電纜頻發故障的主要原因。

文獻［7］利用2.5維有限元分析建模方法，對三芯海纜鎧裝損耗進行了仿真計算，并與IEC標準計算方法進行對比。同時對245 kV和12 kV兩條海纜進行了試驗測試，驗證了2.5維有限元分析建模方法的可靠性，但是未涉及單芯海纜的鎧裝損耗。國內關于海纜鎧裝損耗的試驗研究及文獻資料較少。文獻［8］對磁性不銹鋼絲編織鎧裝的損耗進行了實驗研究，然而其試驗數據包含變壓器部分，誤差較大，且對鉛包及鎧裝的感應電壓未有涉及。

本文對鋼絲鎧裝海纜進行了通流試驗，在不同工況下研究鉛包及鎧裝的開路感應電壓、短路感應電流以及海纜損耗。

1 試驗條件

試驗場設備包括:電纜熱循環試驗加熱測控系統;功率測試儀;鉗形電流表;低電阻測試儀。

現場試驗系統示意圖如圖1所示。

圖1 試驗系統示意圖

水槽長30 m，寬3.6 m，注入水深1.2 m。試驗環境空氣溫度9.8℃，水溫8.0℃。

試驗樣品:

(1)樣品描述。HYJQF41-64/110-1×500光電復合單芯海底電力電纜，長約195 m。經測試，線芯導體電阻7.6 mΩ。

(2)樣品處理。海纜首尾連接、修復處理。為消除穿心變對鎧裝及鉛護套的影響，穿心變兩側海纜斷開其鎧裝和鉛護套，保持纖芯導體連接。考慮到鉛護套及鎧裝的短路及開路試驗，將兩者引出接線。經測試，鎧裝電阻28.9 mΩ，鉛包電阻69.4 mΩ。

2 試驗內容

若將穿心變與海纜看作一臺變壓器，則原邊為穿心變，副邊即為海纜，圖1中的AB兩端即為副邊端口。本試驗內容有:

(1)使用穿心變對海纜施加大電流，當海纜導體電流達到設定值后，分別測試鉛包、鎧裝的開路感應電壓以及兩者并聯后的開路感應電壓;

(2)使用穿心變對海纜施加大電流，當海纜導體電流達到100 A及200 A時，分別在鎧裝及鉛護套開路以及短路的不同工況下，使用功率測試儀在副邊AB端口測取海纜損耗;

(3)在鉛包鎧裝回路串入電阻后，測試海纜損耗，并與未串電阻時的情況進行比較。

3 測試結果與分析

3.1 開路感應電壓測試

由單芯電纜構成的交流傳輸系統中，電纜導體和金屬護套間的關系可以看作一個空心變壓器。電纜導體相當于一次繞組，而金屬護套相當于二次繞組。單芯電纜金屬護套處于導體電流的交變磁場中，因而在金屬護套中產生一定的感應電動勢［9］。

金屬護套的感應電壓為:

式中，M為導體電流對金屬護套的互感;I為線芯導體電流。

控制穿心變，當線芯電流在100～600 A時，測試鉛包、鎧裝以及兩者并聯后兩端感應電壓，結果見表1。

根據式(1)，對表1數據進行擬合，可以得到:U鉛=0.0688I導;U鎧=0.0668I導;U并聯=0.0513I導。

繼而得到:M鉛=0.2191mH;M鎧=0.2126mH;M并聯=0.1633mH。

以上參數的下標中，導表示導體回路，鉛表示鉛包回路，鎧表示鎧裝回路，并聯表示鉛包和鎧裝AB端并聯后的回路，在下文中的用法意義相同。其中M鉛表示線芯回路與鉛包回路的互感，M鎧表示線芯回路與鎧裝回路的互感，M并聯表示線芯回路與鉛包鎧裝兩端并聯后回路的互感。

以上試驗驗證了鉛包、鎧裝受線芯導體電流的影響產生了感應電壓，并根據實驗數據推算出鉛包、鎧裝與線芯導體之間的互感大小。

3.2 不同工況下海纜損耗測試

在穿心變中穿入鋼絲鎧裝海纜，穿心變線圈作為一次側，穿心變內的海纜導體作為二次側，分別測試海纜在鎧裝及鉛護套開路以及短路時的二次側有功功率，即為該工況下的海纜損耗。

保持導體電流100A時，四種情況的測試數據如表2。

表2 導體電流100A時的感應電流及損耗測試數據

此時導體的損耗根據P導=導，式中R導=7.6 mΩ，因此導體損耗的有功功率P導約為76W。

保持導體電流200A，四種情況的測試數據如表3。

此時導體損耗的有功功率約為304 W。

鎧裝電阻28.9 mΩ，鉛包電阻69.4 mΩ，鉛包為非導磁材料，忽略其渦流損耗。則在鉛包、鎧裝均短路的情況下:

導體電流100 A時，P導=76 W，P鉛=93.47 W，P鎧環流=76.35 W，P鎧渦流=10.18 W;

表3 導體電流200A時的感應電流及損耗測試數據

導體電流200 A時，P導=304 W，P鉛=371.86 W，P鎧環流=298.32 W，P鎧渦流=59.82 W。

其中，P鎧環流表示鎧裝回路的環流損耗，P鎧渦流表示鎧裝回路的渦流損耗。從表1、表2及計算數據可知，當鎧裝或者鉛護套短接時，二次側有功消耗大幅度增長。在三種短接方式中，鉛包鎧裝均短路所產生的損耗最小;鉛包短路、鎧裝開路所產生的損耗最大。另外，鎧裝、鉛包單獨短接時產生的感應電流均大于兩者并聯后短接時分別產生的感應電流大小。由此可以判斷，鉛包鎧裝并聯短接后，兩者產生的環流有相互抵消的作用。

當金屬護層(鉛包)中存在感應電流通過時，作用在鎧裝層上的電流就不僅僅是線芯電流，而是上述兩個電流的相量和，圖2是兩電流的相量關系。

圖2 線芯電流與金屬護層感應電流的相量圖

3.3 鉛包鎧裝回路串聯電阻后的損耗測試

通過變頻信號發生器對實驗電阻測試，得出所串電阻器的參數:電阻R=1.32Ω，電感L=400 mH，阻抗Z=1.35Ω，將兩個電阻器并聯后串入鉛包鎧裝回路。試驗數據如表4。

表4 海纜損耗測試數據對比

表4中，I為導體電流;P為AB端，即海纜有功功率;S為AB端視在功率;Q為AB端無功功率;U為AB端口電壓;PF為功率因數，即為P/S。

根據試驗數據，有以下分析:

(1)在同種運行模式下，線芯導體電流越大則海纜的損耗也越大。在導體電流相同的情況下，鉛包鎧裝回路串聯電阻后，海纜的有功損耗下降明顯。同時，線芯電流較小時串聯電阻后海纜損耗下降幅度較大，反之則下降幅度較小。例如線芯電流50 A時，鉛包鎧裝回路串入0.5 R電阻，總損耗下降32.8%;而線芯電流300 A時，鉛包鎧裝回路串入0.5 R電阻，總損耗下降18.4%。如圖3所示。

圖3 串聯電阻后海纜損耗下降曲線

另一方面，在線芯電流相同情況下，鉛包鎧裝回路串入電阻對于鉛包感應電流影響較大，該電流下降明顯。

(2)鉛包鎧裝回路串入電阻，直接改變了海纜的電氣特性，由于P=Scosφ，則無電阻時功率因數為0.652，串入0.5R電阻后，海纜的功率因數為0.23左右，而且隨著線芯電流增大而小幅增大。

(3)鉛包鎧裝回路串入電阻，使鉛包鎧裝干路上的電流大幅下降，例如串聯0.5R電阻后，鉛包鎧裝回路電流下降幅度達到88%，這是損耗下降的主要原因(如圖4)。

圖4 串聯電阻后鉛包鎧裝干路電流下降曲線

(4)鉛包鎧裝回路串入電阻后，鉛包、鎧裝電流大幅度下降，對應的鉛包損耗也大幅下降，以致于相對導體損耗來說可以忽略;然而由于鉛包電流的下降，鎧裝層失去了鉛包層的屏蔽，直接受導體電流的電磁感應，其渦流損耗大幅增加，因此鎧裝層的整體損耗與導體損耗相當。

4 結論

本文借助海洋實驗基地，以生產中應用較多的HYJQF41-64/110-1×500光電復合單芯海底電力電纜為例，對海纜進行了通流試驗，發現了鉛包及鎧裝上存在感應電動勢，并伴隨著較大的損耗。本文對生產運行中的突出問題——鎧裝損耗進行了初步的試驗研究，得出了一些重要的信息和結論，為進一步的研究與工程應用奠定了基礎。

(1)驗證了鉛包、鎧裝上的感應電動勢由線芯電流而產生，并根據測試數據推算出被試海纜中鉛包、鎧裝與線芯導體之間的互感值。

(2)通過鉛包、鎧裝分別在開路、短路不同運行方式下的海纜損耗試驗，認為鉛包電流對導體電流有屏蔽作用，可減少導體電流對鎧裝的影響。

(3)在鉛包鎧裝回路串入電阻后會減小鉛包鎧裝干路上的電流，其中鉛包電流下降幅度較大，這也是海纜損耗減小的主要原因。

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