單芯海纜不同鎧裝材質損耗的對比研究

張　磊， 陳國志， 張娜飛， 張　健， 胡　凱

（1.國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316000；2.浙江舟山海洋輸電研究院有限公司，浙江舟山316021）

單芯海纜不同鎧裝材質損耗的對比研究

張磊1，2， 陳國志1， 張娜飛1， 張健1， 胡凱1

（1.國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江舟山316000；2.浙江舟山海洋輸電研究院有限公司，浙江舟山316021）

分析了鋼絲鎧裝及鋁合金絲（非磁性）鎧裝海纜的損耗和溫升差異。對兩種鎧裝型式的海纜進行通流試驗，并開展相關測試，包括海纜內部各層與線芯導體的互感值測試、鉛包與鎧裝不同連接方式下的海纜損耗測試、鉛包鎧裝并聯接地點串入不同阻值電阻器時的海纜損耗測試、不同工況下海纜通過大電流時的穩態溫升測試。基于大量實驗數據，總結得出鋁合金絲鎧裝海纜有利于降低海纜損耗和導體溫度，提高海纜載流量。

海底電力電纜；鋁合金絲鎧裝；鋼絲鎧裝；海纜損耗；導體溫升

0 引 言

隨著沿海城市和島嶼經濟的發展，海底電力電纜（以下簡稱海纜）已成為陸島及海島之間電力輸送的重要途徑。國內海島柔性直流輸電的發展也大大提高了海纜的用武之地［1］。為便于敷設和機械保護，鎧裝是海纜重要的組成部分，這也是區別于陸地電纜的主要特征之一［2］。對于單芯海纜，鉛包及鎧裝在線芯通過交流電時會產生感應電動勢［3-4］。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［5-7］。如果鎧裝使用磁性金屬作為材料，還會產生磁滯損耗。環流損耗、磁滯損耗和渦流損耗疊加起來的總損耗與導體電流產生的損耗相當，甚至超過后者。金屬護套損耗和鎧裝層損耗會影響海纜的溫升和載流量，更是單芯鎧裝電纜頻發故障的重要原因。

單芯海纜的鎧裝損耗已經引起國內外的廣泛關注。各個海纜廠家與運營商也提出了各種降低海纜鎧裝損耗的措施。其中將海纜磁性鋼絲鎧裝改為非磁性的鋁合金絲鎧裝是一個重要的措施［8］，然而國內還沒有針對鋁合金絲鎧裝海纜的試驗研究。為了具體了解鋁合金絲鎧裝對于降低海纜鎧裝損耗的效果，本文對兩條型號相同，僅鎧裝材質不同的海纜進行對比試驗研究，得出了一系列重要數據，為設計院在海纜選擇鎧裝型式上提供了參考。

1 海纜熱循環試驗系統

試驗場設備包括：（1）電纜熱循環試驗加熱測控系統；（2）功率測試儀；（3）鉗形電流表；（4）低電阻測試儀；（5）熱電偶測溫儀。

現場試驗系統示意圖如圖1所示（試驗環境空氣溫度9.8℃，水溫8.0℃）。

圖1　試驗系統示意圖

試驗樣品：

（1）110 kV光電復合單芯海底電力電纜兩條，其一為鋼絲鎧裝，型號為HYJQF41 64/110 1×500，長約195 m；另一條為鋁合金鎧裝，型號為HYJQF91 64/110 1×500（“9”自定義為鋁合金絲），長約104 m。海纜首尾相連環形放置，若將試驗海纜看作一回路兩條海纜，其軸間距離約為5 m。經測試得到兩條海纜的基本電氣參數（見表1）。

表1　兩條海纜電氣參數

（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，保持線芯導體連接。考慮到鉛護套及鎧裝的短路及開路試驗，將兩者引出接線。

（3）溫度監控。熱電偶數量為5個，#1位于水中導體層，#4位于水中，#9位于室內導體層，#7位于室內空氣中，#12位于室外導體層。

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。調節穿心變電壓控制海纜線芯導體的電流，測取AB端的有功功率，即為海纜的有功損耗；同時利用熱電偶監控海纜線芯導體的溫度變化。

由于兩條海纜的實驗長度不一致（除去穿心變內部海纜，鋼絲鎧裝海纜有效試驗長度約187 m，鋁合金絲鎧裝海纜約95 m），為方便各種數據的對比分析，將各種實驗結果折算到100 m。

2 各層互感值對比試驗

通過實測，兩種海纜的導體電阻及鉛包電阻阻值基本一致。鋼絲鎧裝電阻為0.15 mΩ/m，鋁合金絲鎧裝電阻為0.078 7 mΩ/m。

對海纜導體進行加流試驗，測試鉛包兩端、鎧裝兩端以及兩者并聯后兩端的感應電壓。根據金屬護套的感應電壓公式（1）［9］可以反算各層金屬護套與導體之間的互感。

式中：us為金屬護套感應電壓；M為線芯與金屬護套的互感；I為線芯電流。

根據試驗對比，兩種不同材料鎧裝的海纜各層與線芯的互感值見表2。

表2　兩條海纜各層互感值對比　（單位：mH）

根據表2，可以得到鋼絲鎧裝海纜的導體—鉛包及導體—鎧裝的互感值大于鋁合金絲鎧裝海纜，而導體—并聯鉛包鎧裝的互感值則小于后者。同時相應互感值大小差值不大。

3 定電流有功損耗對比試驗

在定電流有功損耗試驗中，設定海纜導體電流為100A，測試鉛包鎧裝不同接法下兩條海纜的損耗，試驗數據如表3所示。

表3　兩條海纜定電流損耗對比

根據兩條海纜試驗中各層電流值與電阻值的計算可以得到：

鋼絲鎧裝海纜損耗比值P導：P鉛：P鎧=1：1.23：1.14

鋁合金絲鎧裝海纜損耗比值P導：P鉛：P鎧=1：0.244：1.16

由表3可知，在鉛包、鎧裝均開路的工況下，兩種海纜的有功損耗基本相同。此時的損耗包含線芯導體的環流損耗、渦流損耗以及鉛包、鎧裝的渦流損耗。由于兩種海纜導體電流相同，導體的損耗相同，則兩種海纜的各層渦流損耗也基本一致。在不同材料鎧裝前提下，唯有鎧裝渦流損耗極小這種可能。也就是說，在鉛包鎧裝均開路的情況下，鎧裝上的渦流損耗可以忽略（可以認為被鉛包層屏蔽）。

在鉛包、鎧裝均短路的工況下，鋁合金絲鎧裝海纜的損耗明顯小于鋼絲鎧裝海纜。比較兩者各層損耗的數值，主要的差別在于鉛包的損耗：由于鋁合金絲的電阻明顯小于鋼絲，因此在鋁合金絲鎧裝海纜中，鉛包的分流能力相對較小，其支路電流相對較小，因此鉛包的損耗也相對較小。

4 鉛包鎧裝回路串電阻有功損耗對比試驗

參照生產實際，將AB兩側的鉛包鎧裝分別并聯后短接，記為工況Ⅰ；將AB兩端的鉛包及鎧裝分別并聯，兩端之間串入R=1.32Ω電阻器后連接，如圖2，記為工況Ⅱ。分別在兩種工況下測取兩條海纜的損耗與溫升數據，并進行比較分析。

圖2　鉛包鎧裝回路串聯電阻示意圖

根據損耗試驗，折算到100 m海纜長度后的數據對比如表4。

表4　兩種海纜損耗和鉛鎧感應電流試驗對比

從表4可以看出，鎧裝材料不同的兩種海纜，鋁合金絲鎧裝海纜的損耗低于鋼絲鎧裝海纜：

在鉛包鎧裝直接短接工況下，改變鎧裝材料可使海纜損耗下降30％左右，鉛包鎧裝并聯電流下降5％，且下降幅度隨著電流變化波動較小。

當鉛包鎧裝并聯回路串入電阻器后，改變鎧裝材料可使海纜損耗下降的幅度在10％～35％之間，且隨著導體電流增大而增大；電流下降幅度可達60％左右，且下降幅度隨著電流變化波動較小。

5 海纜導體溫升對比試驗

對兩條海纜分別施加不同電流，在長時間通流情況下利用熱電偶監測海纜導體的溫度。對比分析不同鎧裝材料對海纜溫升的影響。取導體電流相同時，兩種海纜的溫升對比數據。如圖3～圖5所示（試驗初始溫度9.8℃）。

圖3　兩海纜導體通流500 A，鉛鎧回路串接電阻后溫升曲線比較

圖4　兩海纜導體通流420 A，鉛鎧回路直接短接后溫升曲線比較

圖5　兩海纜導體通流500 A，鉛鎧回路直接短接后溫升曲線比較

由圖3～圖5可知，不管導體電流大小，鉛包鎧裝回路是否串接電阻，鋁合金絲鎧裝海纜的穩態溫升都遠遠低于鋼絲鎧裝海纜。對于電纜導體的熱效應，可以通過穩態熱路求解導體溫度，IEC 60287標準給出了這種情況下的計算方法［10-12］，即為：

式中：Qc為海纜各層產生的熱流；RC具有時間量綱，通常用τ表示，即為時間常數；θ0為初始導體溫度。

根據式（2），對每條海纜的測試數據進行擬合后可以得到每條海纜的溫升公式。圖6為鉛包鎧裝回路不串電阻時導體電流與穩態溫升的關系曲線。

圖6　不串電阻時兩海纜導體電流與穩態溫升曲線比較

一般海纜導體溫度達到90℃時的導體電流記為其穩態載流量。假設環境溫度為40℃，則溫升50℃就達到導體溫度的極限。此時計算得到鋼絲鎧裝電纜的載流量約為620 A，而鋁合金絲鎧裝海纜的載流量可達770 A，如圖7所示。

圖7　不串電阻時兩海纜載流量比較

圖8為鉛包鎧裝回路串入1.32Ω電阻后導體電流與穩態溫升的關系曲線。

圖8　串入電阻后兩海纜導體電流與穩態溫升曲線比較

同理，假設溫升50℃就達到導體溫度的極限，此時計算得到鋼絲鎧裝電纜的載流量約為680 A，而鋁合金絲鎧裝海纜的載流量可達900 A，如圖9所示。

圖9　串入電阻后兩海纜載流量曲線比較

綜合上述，以環境40℃為基本條件，導體溫升允許上升50℃，那么：不串電阻鋼絲鎧裝電纜載流量620 A；不串電阻鋁合金鎧裝電纜載流量770 A；串1.32Ω電阻鋼絲鎧裝電纜載流量680 A；串1.32Ω電阻鋁合金鎧裝電纜載流量900 A。

以柱狀圖表示如圖10。

圖10　不同海纜及接法下的載流量對比圖

以不串電阻的鋼絲鎧裝電纜載流量為基準，四種情況的載流量對比如表5所示。

表5　四種情況的載流量對比

6 結束語

本文針對僅金屬鎧裝不同的兩條海纜進行各項試驗研究，對大量的實驗數據進行分析總結后，證明了在相同運行環境和運行方式下，鋁合金絲鎧裝海纜的損耗明顯小于鋼絲鎧裝海纜，有效降低了導體的溫升、提高了海纜的載流量。這項研究對沿海電力部門海纜的選購和運行有一定的參考意義。

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［11］ IEC 60287-1-2：1993 Calculation of the current rating of electric cables，part1：current rating equations（100％load factor）and calculation of losses，section 2：sheath eddy current loss factor for two circuits in flat formation［S］.

［12］ IEC 60287-2-1：1994 Calculation of the current rating of electric cables，part2：thermal resistance，section 1：calculation of thermal resistance［S］.

Comparative Experimental Study of 110 kV Aluminum Wire Armored Cable and Steel Wire Armored Cable

ZHANG Lei1，2，CHEN Guo-zhi1，ZHANG Na-fei1，ZHANG Jian1，HU Kai1
（1.State Grid Zhoushan Electric Power Company of Zhejiang Power Corporation，Zhoushan 316000，China；2.Zhejiang Zhoushan Marine Power Research Institute Co.，Ltd.，Zhoushan 316021，China）

This paper analyses the differences of loss and temperature rise between steel wire armour and aluminum alloy wire（relative permeability is smaller）armored submarine cables.The actual flow tests are taken out on submarine power cables with different types of armoures.Inductance mutual between each layer and line-core of submarine cable，submarine cable loss with the lead package and armour connected in different ways，submarine cable loss with different resistors stringed into the ground point of parallel armoured lead package，and steady-state temperature rise with large current under different conditions are tested.Based on a large number of experimental data，it is concluded that aluminum alloy wire armored cable is conducive to decreasing the submarine cable loss and conductor temperature，as well as increasing the submarine cable ampacity.

submarine power cable；aluminum alloy wire armour；steel wire armour；submarine cable loss；conductor temperature rise

TM726.4

A

1672-6901（2015）06-0001-05

2015-03-11

張 磊（1984-），男，碩士，工程師.

作者地址：浙江舟山市定海區惠民橋惠飛路［316021］.