降低單芯海底電力電纜鎧裝損耗的試驗和簡易計算

鄭新龍， 張 磊， 宣耀偉， 汪 洋， 高 震

(國網(wǎng)舟山供電公司，浙江舟山316021)

0 引言

沿海及群島地區(qū)的電力輸送很大程度上依靠海底電力電纜(以下簡稱海纜)。海纜能夠?qū)崿F(xiàn)跨海域長距離傳輸，這是架空傳輸線無法相比的優(yōu)點。特殊的敷設環(huán)境［1］要求海纜必須具有金屬護套和鎧裝層以提高它的水密性、防腐性和機械強度。為了滿足日益增長的電力需求及可靠的柔韌性和抗拉力，許多海纜采用的是單芯的結構方式［2］。當單芯海纜的線芯導體通過大電流時，金屬護套(鉛包)及鎧裝會產(chǎn)生感應電動勢。當線芯電流較大或線路較長時，海纜兩端的金屬護套及鎧裝會有一個很大的感應電壓，對人身和設備都不安全［3-4］。

由于海纜運行環(huán)境的特殊性，實際生產(chǎn)中，均把海纜兩端的金屬護套及鎧裝接頭并聯(lián)后直接接地。此時在金屬護套及鎧裝層均會產(chǎn)生相當大的電流，并伴隨著較大的損耗［5-7］。鎧裝損耗會引起海纜外護層的發(fā)熱，不利于導體的散熱，限制了海纜的載流量。

國外的海纜施工技術相對成熟，采用改變鎧裝材料來降低鎧裝損耗。例如:加拿大至溫哥華電壓等級525 kV海纜、西班牙至摩洛哥跨直布羅陀海峽電壓400 kV充油海纜均采用銅扁線作鎧裝［8-9］，這也讓海纜的制造成本大大提升。國內(nèi)的海纜應用起步較晚，相關技術與研究較少，對于鎧裝損耗的研究僅限于理論設想［10］和簡略的試驗［11］，未有系統(tǒng)地介紹降低鎧裝損耗的方法。

本文對110 kV XLPE海纜進行鎧裝損耗試驗研究，分析試驗數(shù)據(jù)并得出降低鎧裝損耗的一種方法。

1 試驗條件

試驗場設備包括電纜熱循環(huán)試驗加熱測控系統(tǒng)、功率測試儀、鉗形電流表和低電阻測試儀。

現(xiàn)場試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

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(jīng)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(cè)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(jīng)測試鎧裝電阻28.9 mΩ;鉛包電阻69.4 mΩ。

2 試驗內(nèi)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。

將AB端海纜的鉛包及鎧裝互聯(lián)后短接，并在其中串入不同阻值的電阻器，如圖2所示。測試AB端口的有功功率，即海纜有功損耗，以及鉛包、鎧裝及干路上的感應電流。

圖2 鉛包鎧裝回路串聯(lián)電阻示意圖

3 測試結果與分析

通過變頻信號發(fā)生器對實驗電阻測試，得出該電阻器的參數(shù):電阻R=1.32 Ω，電感L=400 mH，阻抗Z=1.35Ω。

串入不同阻值電阻后的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 串入不同阻值電阻后的試驗數(shù)據(jù)

表1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(shù)，即為P/S;I并聯(lián)為鉛包鎧裝并聯(lián)后干路電流;I鉛為鉛包回路電流;I鎧為鎧裝回路電流。

分析表1數(shù)據(jù)，通過計算后得出以下結論:

(1)在相同導體電流情況下，鉛包鎧裝回路串聯(lián)電阻后，海纜有功損耗下降明顯，如圖3所示。

另外，在線芯電流相同的情況下，鉛包鎧裝回路串入電阻對于鉛包感應電流影響較大，鉛包回路電流下降明顯。串入的電阻越大，海纜總損耗下降越多。

圖3 串聯(lián)電阻后海纜損耗下降曲線

(2)鉛包鎧裝回路串入電阻后，直接改變了海纜的電氣特性，由于P=Scosφ，則未串聯(lián)電阻時海纜的功率因數(shù)為0.652，串入0.5R電阻后，功率因數(shù)為0.23左右，而且隨著線芯電流增大而小幅增大。同時隨著串入大地等效電阻阻抗增大，海纜的無功功率消耗比例也增大。

(3)鉛包鎧裝回路串入電阻，使鉛包鎧裝干路電流大幅下降，如圖4所示。

圖4 串聯(lián)電阻后鉛包鎧裝并聯(lián)電流下降曲線

例如串聯(lián)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。

(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，以致相對于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 簡易損耗計算公式

交變磁場中的導電物質(zhì)(包括鐵磁物質(zhì))，在垂直于磁力線方向的截面上感應出閉合的環(huán)行電流，稱為渦流。由渦流產(chǎn)生的電阻損耗稱為渦流損耗。可由下式計算［12］:

式中:Pe為渦流損耗(W);f為頻率(Hz);B為電磁感應強度(T);ke為渦流系數(shù)，與材料的電阻率、截面大小及形狀有關的系數(shù)(由實驗確定);V為導電物質(zhì)(或鐵磁物質(zhì))的體積(m3)。

渦流損耗與電磁感應強度B2成正比，而根據(jù)電磁場知識，電磁感應強度B又與相關電流I成正比，因此可以這樣認為，渦流損耗與相關電流的平方成正比。海纜鎧裝層的渦流損耗由導體電流、鉛包電流及鎧裝電流三者引起，即可表示為三者平方的多項式之和。由于三者電流方向的不確定性，則在多項式中添加絕對值符號，以區(qū)分電磁感應效應的疊加或抵消。

因此對于鉛包、鎧裝互聯(lián)情況下的海纜損耗測試，有以下公式:

式中:P為有功功率，即為海纜導體與鎧裝、鉛包總損耗;I1、I2、I3為導體、鉛包、鎧裝電流;R1、R2、R3為導體、鉛包、鎧裝電阻;I4為鉛包鎧裝并聯(lián)電流，I4=I2+I3;R為串入阻抗的電阻;I21b1+I22b2+I23b3表示鎧裝渦流損耗;b1，b2，b3為所需擬合的系數(shù)。

基于表 1 及相關實驗數(shù)據(jù)，已知I1、I2、I3、R1、R2、R3及P，可以擬合得到:b1=0.00875，b2=－0.0206，b3=－0.0156，如圖5擬合曲線所示。

圖5 海纜損耗表達式參數(shù)擬合曲線

因此，式(2)中的各個參數(shù)數(shù)值如下:R1=7.6 mΩ，R2=69.4 mΩ，R3=28.9 mΩ，b1=0.00875，b2= －0.0206，b3= －0.0156。

由b2，b3為負系數(shù)也可知，鉛包電流、鎧裝電流與導體線芯電流所產(chǎn)生的磁場相互削弱，即鎧裝、鉛包均短路的接線方式有利于抑制鎧裝上的渦流損耗。

根據(jù)圖2的模型，鉛包電流與導體電流在鉛包上的感應電壓之和為等效電阻上的電壓降;鎧裝電流與導體電流在鎧裝上的感應電壓之和為等效電阻上的電壓降，因此有以下兩式:

式中:k01，k02，k1，k2為所設系數(shù)。

則根據(jù)表1試驗數(shù)據(jù)擬合得到:k01=0.10688，k02=0.07065，k1=0.3569，k2=0.1243。利用上述公式推導有:

其中Z=0時是沒有串入阻抗時的情況。

將I2，I3，I4用I1的函數(shù)表達有:

得到海纜總損耗僅僅關于導體電流I1的函數(shù)關系式，更加具有通用性。

在線芯導體電流500 A情況下，鉛包鎧裝回路不同接線方式下的海纜功率損耗測試值與理論計算值比較如表2所示。

表2 導體電流500 A時的測試值與計算值比較

由表2可知，該公式計算值與實測值誤差在10%以內(nèi)，工程上可以認為該簡易損耗計算公式可靠。

5 結束語

本文通過對HYJQF41-64/110-1×500光電復合單芯海底電力電纜進行通流試驗，來研究海纜的鎧裝損耗，并在鉛包、鎧裝回路中串入不同阻抗大小的電阻器，來分析比較海纜總損耗的變化，得出該方法是減小海纜損耗的一種途徑。本文在分析試驗數(shù)據(jù)基礎上，總結出海纜損耗簡易計算公式，并用500 A試驗數(shù)據(jù)進行了驗證，證明了簡易計算公式的可行性。

［1］王 敏.10 kV單相電力電纜屏蔽層的感應電壓和環(huán)流［J］.高電壓技術，2002(5):30-31.

［2］李志遠.35 kV單芯鋼絲鎧裝電纜故障分析及應對措施［J］.電氣技術，2008(3):78-79.

［3］Ronny Stolan.Losses and Inductive Parameters in Subsea Power Cables［D］.Norwegian University of Science and Technology，2009.3-4.

［4］龐 丹，王曉巖，秦鳳明.66kV XLPE絕緣電力電纜金屬護套接地電流異常原因分析［J］.吉林電力，2009(4):46-47.

［5］Osama Elsayed Gouda，Adel Abd-eltwab Farag.Factors Affecting the Sheath Losses in Single-Core Underground Power Cables with Two-Points Bonding Method［J］.International Journal of Electrical and Computer Engineering(IJECE)，2012，2(1):12-15.

［6］吳 勇，劉 勇.單芯鋼絲鎧裝電力電纜運行分析［J］.冶金動力，2005(2):25-26.

［7］馬國棟.單芯鋼絲鎧裝電力電纜鎧裝結構的探討［J］.電線電纜，2002(2):17-18.

［8］R.G.Foxall.Design，manufacture and installation of a 525kV alternating current submarine cable link from mainland Canada to Vancouver island［C］.CIGER Session 1984:21-24.

［9］R.Granadino.400kV 700MW fluid filled submarine cables for the Spain-Morocco interconnection［C］//CIGER Session 2000.298-301.

［10］何旭濤，馬興端，閆循平.降低高壓海底電纜登陸段電能損耗的措施研究［J］.浙江電力，2011(11):29-31.

［11］鄧長勝，周漢亮.磁性不銹鋼編織鎧裝損耗的實驗研究［J］.電線電纜，2005(2):22-24.

［12］S.A.納薩爾.電機與機電學［M］.科學出版社，2002.4-5.