高溫環境下不同電流載荷對電纜絕緣壽命影響的評估

凌國楨，　曾慶濤，　王麗萍

（江蘇上上電纜集團有限公司，江蘇溧陽213300）

高溫環境下不同電流載荷對電纜絕緣壽命影響的評估

凌國楨，曾慶濤，王麗萍

（江蘇上上電纜集團有限公司，江蘇溧陽213300）

在一些特定的環境中，電纜正常運行時會遇到環境溫度升高，或者需要在較高的環境溫度下長期運行，這會使電纜運行溫度升高，加速絕緣的老化，使電纜絕緣使用壽命變短。分別從理論計算和設計一個相對真實的模擬試驗來對高溫環境下不同電流載荷造成的影響進行評估，結果可以為類似的工況提供參考。

環境溫升；載流量；載荷；壽命

0　引　言

在一些特定的環境中，電纜正常運行時會遇到環境溫度升高，或者需要在較高的環境溫度下長期運行，這會使電纜運行溫度升高，加速絕緣的老化，使電纜絕緣使用壽命變短。如降低電纜的電流載荷，則能降低電纜運行溫度，延長電纜的絕緣壽命，減少壽命期內電纜更換次數。

一般情況下可采用理論的計算來評估環境溫升造成的影響，但是在理論推算的過程中往往采用了較多的經驗公式和參數，無法充分體現實際的運行環境溫升對電纜絕緣壽命的影響。本文分別從理論計算和設計一個相對真實的模擬試驗來對高溫環境下不同電流載荷造成的影響進行評估，結果可以為類似的工況提供參考。

1　環境溫升造成的電纜溫升計算及分析

1.1溫升計算

通過電纜載流量計算公式進行推導。

I＝

式中：I為單個導體內的電流（A）；Δθ為導體溫度與環境溫度之差（K），Δθ＝θa-θc，θa為環境溫度，θc為導體溫度；R為最大運行溫度時，每單位長度導體的交流電阻；Wd為每單位長度導體絕緣的介電損耗（W/m）；T1、T2、T3、T4為相關熱阻參數（K·m/W）；n為電纜（等截面并載有相同負荷的導體）中載有符合的導體數；λ1為電纜金屬套損耗相對于所有導體總損耗的比率；λ2為電纜鎧裝損耗相對于所有導體總損耗的比率。

R＝[R0（1＋α20（θc-20））]（1＋Ys＋Yp）

另設A＝Wd[0.5T1＋n（T1＋T2＋T3）]

B＝[T1＋n（1＋λ1）T2＋n（1＋λ1＋λ2）（T3＋T4）]（1＋Ys＋Yp）

那么式（1）可化為：I2＝（θa-θc-A）/（R×B）

以環境溫度為40℃、敷設在空氣中、100%載流量為基準，環境溫度為80℃、90℃、100℃時，分別通以100%、75%、50%、25%載流量負載，計算其導體溫度，計算值見表1。

1.2計算結果分析

當環境溫度達到100℃時，電纜100%滿載荷設計的話，導體工作溫度能達到150℃（XLPE或EPR允許導體長期工作溫度為90℃）。如果以150℃為導體長期工作溫度作為絕緣工作溫度，按照絕緣工作溫度每上升10℃，絕緣壽命將降低一半來假設，60℃的溫差將使絕緣壽命縮短到原壽命的1/ 64，也就是說原來設計壽命60年的電纜產品，現在只能用不足1年，絕緣就會失效。同理，電纜按照25%載荷設計的話，導體工作溫度能達到103℃，13℃的溫差將使絕緣壽命縮短到不足原壽命的1/2，也就是說絕緣壽命不超過30年。

表1　8.7/10 kV 1×240 mm2計算數據

當然如果需要更詳細的高溫環境下的電纜絕緣理論壽命，可以通過Arrhenius公式，再結合絕緣材料的活化能進行推導。理論計算方法由于其引用經驗公式和參數的局限性，如果參考其結論，往往會在一些特殊的場合（不能使用耐高溫電纜的場合或者其他條件限制）需要頻繁地更換電纜，工作量較大，資源的浪費也較大。

理論計算的方法是一種保守的評估方法，很難判斷，我們需要設計一個模擬的工況試驗進行論證。

2　試驗論證

2.1試驗樣品

考慮到現實敷設環境的復雜情況，分別采用不同電壓等級、不同截面的電力電纜樣本進行試驗，樣本見表2。

2.2試驗方法

將電纜試樣品字形敷設于電纜橋架上，見圖1，再放入大型老化烘箱中，見圖2，最后將電纜相關部位開槽，溫控線分別置于導體中、絕緣表面及護套表面。多芯電纜通電流方式采用串聯通電，保證各相均發熱。接線后，將電纜通以規定的電流值（用鉗形表直接測出），再將烘箱溫度設置到規定值（模擬環境溫度），溫度穩定后約1～2 h，對導體、絕緣表面、護套表面溫度進行讀數。

表2　載流量模擬試驗用電力電纜樣本

圖1　品字形敷設樣品

圖2　大型老化箱及測溫儀

設置烘箱溫度分別為80℃、90℃、100℃，并通以不同比例的載流量（以40℃空氣中參考載流量為基準，按照100%、75%、50%、25%基準載流量進行測試，基準載流量參考了《電線電纜載流量》），測量其在不同環境溫度、不同載流量下的導體、絕緣、護套的溫度（絕緣和護套的溫度只作為參考，本文以導體溫度作為絕緣工作溫度）。

2.3試驗結果及分析

中壓電力電纜樣本不同載荷下電纜各層溫度數據見表3。

表3　8.7/10kV 1×240 mm2載流量試驗數據

當環境溫度達到100℃時，電纜100%滿載荷設計的話，導體工作溫度達到123℃，33℃的溫差將使絕緣壽命縮短到不足原壽命的1/16。同理，電纜25%載荷設計的話，10℃的溫差將使絕緣壽命縮短到原壽命的1/2。

我們對6/10 kV 1×400 mm2，0.6/1 kV 3×16 mm2、2×6 mm2、2×4 mm2、4×2.5 mm2規格電纜進行試驗，試驗數據和規律與上述結果類似：在一定的溫度環境條件下，施加100%的載流量，導體溫度比環境溫度增加約25℃；施加50%載流量時，導體溫度比環境溫度增加約5℃；施加25%載流量時，導體溫度與環境溫度相當。

3　計算和試驗結果的對比

對8.7/10 kV 1×240 mm2規格的計算和試驗數據進行列表對比，見表4。

從表4數據看：計算導體溫度A明顯高于試驗測試導體溫度B，特別是在滿載荷設計的情況下，誤差達到了27℃，計算導體溫度將嚴重影響到電纜絕緣壽命的判斷。

但是電纜的載荷設計裕度越大（載荷設計百分比越小），計算導體溫度A與試驗測試導體溫度B越接近，計算導體溫度是有一定參考意義的。

表4　不同載荷下計算溫度和試驗實測溫度對比表

4　結束語

特定環境中的溫度較高時，對電纜采取滿載荷設計，電纜絕緣壽命將大打折扣。應該對類似工況進行評估，判斷電纜絕緣老化狀態，防止出現絕緣失效的情況。可以采用降低電纜載荷的措施來降低電纜運行溫度，增加電纜使用壽命，減少壽命期內的更換次數。

通過計算的方法可以推導出環境溫升造成的電纜溫升，但是計算評估的方法偏于保守，特別是在環境溫度較高、載荷較大時，計算的偏差較大，會影響絕緣壽命的判斷，計算的數值可以作為參考。如果通過計算需要頻繁地進行電纜更換，應考慮采用試驗模擬的方法來確定電纜運行溫度，避免保守的設計造成資源的浪費。

[1]IEC 60287-1-1：2006Calculation of the continuous current rating of cables[S].

[2]馬國棟.電線電纜載流量[M]中國電力出版社，2003.

[3]劉剛，周凡，黃旭銳，等.環境溫度和環境熱阻對單芯電纜計算靈敏度的影響分析[J].廣東電力，2012（10）：51-55.

Assessment of the Influence of Different Current Loading on Cable Insulation Life under High Tem perature Environment

LING Guo-zhen，ZENG Qing-tao，WANG Li-ping
（Jiangsu Shangshang Cable Group Co.，Ltd.，Liyang 213300，China）

In some particular environment，when cables normally operates，the environment temperaturemay rise，or some cables need to operate under high temperature，which will cause cable operating temperature to rise，accelerating aging of insulation and thus shortening service life of insulation.This paper applies theoretical calculations and designs a relatively real simulation test to assess the influences caused by different current loading under high temperature，the result ofwhich can provide reference for similar conditions.

environment temperature rise；carrying capacity；loading；life

TM206

A

1672-6901（2016）01-0007-03

2015-05-18

凌國楨（1982-），男，工程師.

作者地址：江蘇溧陽市上上路68號[213300].