大截面高壓電纜導體結構設計選型

李 磊

（蘇州特雷卡電纜有限公司，江蘇 蘇州215131）

0 引 言

隨著國民經濟的發展，城市用電負荷逐年攀升，大量高壓電纜投入使用，根據國家標準要求［1-3］，800 mm2以上大截面高壓電纜導體需要采用分割結構，以降低導體的集膚效應，從而降低導體交流電阻和損耗，提高高壓電纜輸送容量。

目前，國內企業對于高壓電纜分割導體主要采用5分割或6分割結構［4-5］，導體一般采用裸銅線或鋁線，并通過反向絞合進行分割導體制造。國內同時對大截面高壓電纜導體交流電阻優化進行了研究［6-7］，包括不同的導體類型、導體表面處理和不同的絞合方式對導體交流電阻的影響，以及集膚效應因數的驗證等。但是，目前國內對于大截面高壓電纜導體交流電阻及載流量的計算多依據JB／T 10181.11—2014，該 標 準 等 同 于IEC 60287-1-1：2006，由于IEC 60287-1-1在2014年進行了修訂［8］，從而造成JB／T 10181.11滯后于IEC 60287-1-1。同時，絕緣單絲分割導體電纜已經在國外工程中得到了很多應用，其中我公司生產的絕緣單絲銅分割導體的230 kV 2 500 mm2和138 kV 2 500 mm2高壓電纜已經成功應用于菲律賓輸電項目。

本工作根據IEC 60287-1-1：2014修訂版標準，分別對220 kV 800 mm2和2 500 mm2不同導體類型的高壓電纜進行導體交流電阻和載流量的計算，從而助力于國內大截面高壓電纜導體的優化。

1 導體交流電阻

根據IEC 60287-1-1，導體交流電阻計算如下：

式中：R為導體在最高工作溫度時的交流電阻；R′為導體在最高工作溫度時的直流電阻；ys為集膚效應因數；yp為鄰近效應因數。

式中：R0為導體20℃時的直流電阻；α20為20℃時的銅電阻率溫度系數，為0.003 93 K－1；θ為導體最高工作溫度，由于國內高壓電纜多采用交聯聚乙烯絕緣，因此θ值取90℃。

式中：xs為計算集膚效應時所用貝塞爾函數的自變量；ks為計算xs時所用的因數，對于不同類型的電纜銅導體，其值見表1。

式中：xp為計算鄰近效應時所用貝塞爾函數的自變量；dc為導體直徑；S為導體軸線之間的距離，本工作統一取值300 mm。同時，式（5）適用于三芯

或三根單芯圓形導體電纜鄰近效應的計算，即適用于常用的高壓電纜。

式中：kp為計算xp時所用的因數，對于不同形狀的電纜導體，其值見表1。

根據IEC 60287-1-1，對于不同形狀的銅導體，其ks和kp見表1。另外，由于目前國內高壓電纜主要采用交聯聚乙烯絕緣，因此表1僅引用與之相關的ks和kp數值。

表1 不同類型銅導體的k s和k p值

1.1 800 mm2導體交流電阻

800 mm2導體通常采用緊壓圓形或者分割圓形結構，同時采用反向絞合工藝制造，即采用表2中1號或4號類型。根據IEC 60287-1-1，800 mm2銅導體交流電阻的計算值見表2。對于導體直徑dc，根據公司經驗，1號導體外徑為34.0 mm，2號導體外徑為35.7 mm，3號導體外徑為35.1 mm，4號導體外徑外為34.8 mm。

表2 不同類型800 mm2銅導體的交流電阻

由表2可知：對于800 mm2截面導體，2號導體交流電阻最小，1號最大，其中2號、3號、4號分別比1號降低8.06%，5.48%，3.23%；2號、3號比4號降低5.00%，2.33%。

1.2 2 500 mm2導體交流電阻

2 500 mm2導體通常采用分割圓形結構，根據IEC 60287-1-1，2 500 mm2銅導體的交流電阻計算值見表3。對于導體直徑dc，根據公司經驗，5號導體外徑為62.5 mm，6號導體外徑為61.6 mm，7號導體外徑為61.0 mm。

表3 不同類型2 500 mm2銅導體的交流電阻

由表3可知：對于2 500 mm2截面導體，5號導 體交流電阻最小，7號最大，其中5號、6號比7號分別降低22.73%，9.09%。

綜合以上可知，對于800 mm2導體，采用絕緣單絲和圓形分割導體的交流電阻比緊壓圓形導體降低8.06%；對于2 500 mm2分割導體，采用絕緣單絲和同向絞合導體的交流電阻分別比反向絞合裸單絲導體降低22.73%和9.09%。因此，對于大截面分割導體來說，采用絕緣單絲（導體表面絕緣處理，包括氧化、漆包線等）和同向絞合工藝，可有效降低導體的交流電阻。

2 高壓電纜載流量計算

為了考察銅導體類型對電纜載流量的影響，電纜結構設計按照國家標準GB／T 18890.2要求［2］，采用交聯聚乙烯絕緣、皺紋鋁護套和聚乙烯外護套，只有導體類型有區別。

按照IEC 60287要求，分別計算空氣中和直埋情況下高壓電纜的載流量。對于空氣中敷設，設定空氣溫度為40℃、電纜平行敷設、電纜軸向間距為300 mm；直埋時，設定土壤溫度為25℃、電纜平行敷設、電纜軸向間距為300 mm、電纜埋深為1.2 m、土壤熱阻系數為1.2 K·m／W。

2.1 800 mm2高壓電纜的載流量

本工作計算了220 kV 800 mm2電纜不同類型銅導體的載流量，其中電纜僅導體類型有所差別，載流量計算結果見表4。

表4 220 kV 800 mm2電纜不同類型銅導體的載流量

由表4可知：對于220 kV 800 mm2的高壓電纜，在相同的敷設環境下，2號的載流量比1號提高了5.17%和4.38%，3號、4號的載流量也有所提高，但是不明顯。

2.2 2 500 mm2高壓電纜的載流量

本工作計算了220 kV 2 500 mm2電纜不同類型銅導體的載流量，其中電纜僅在導體類型有所差別，載流量計算結果見表5。

表5 220 kV 2 500 mm2電纜不同類型銅導體的載流量

由表5可知：對于220 kV 2 500 mm2的高壓電纜，在相同的敷設環境下，在空氣和土壤中敷設，5號導體的電纜載流量比7號提高了12.33%和11.11%，6號導體的電纜載流量比7號提高了4.56%和4.13%。

綜合以上，對于220 kV 800 mm2高壓電纜，絕緣單絲、分割導體的載流量相對于緊壓圓形導體載流量提高了4%～5%；對于更大截面的2 500 mm2分割導體高壓電纜，絕緣單絲絞合導體的載流量提高更加明顯，而同向絞合裸單絲導體相對于反向絞合裸單絲導體，載流量同樣有所提高，超過4%。因此，對于大截面高壓電纜來說，絕緣單絲即導體單絲表面絕緣處理，包括氧化、漆包線等，以及同向絞合工藝是高壓電纜導體的優化方向，可有效提高高壓電纜的輸送容量。

3 結 論

（1）對于800 mm2導體，采用絕緣單絲和圓形分割導體的交流電阻比緊壓圓形導體降低8.06%；對于2 500 mm2分割導體，采用絕緣單絲和同向絞合裸單絲導體的交流電阻分別比反向絞合裸單絲導體降低22.73%和9.09%。

（2）對于220 kV 800 mm2高壓電纜，絕緣單絲、分割導體的載流量相對于緊壓圓形導體的載流量提高了4%～5%；對于220 kV 2 500 mm2分割導體高壓電纜，絕緣單絲的載流量提高更加明顯，而同向絞合裸單絲導體相對于反向絞合裸單絲導體，載流量也有所提高。

（3）對于大截面高壓電纜，絕緣導體即單絲表面絕緣處理以及同向絞合工藝是高壓電纜導體的優化方向，可有效降低導體交流電阻，提高高壓電纜的輸送容量。