關于電力電纜彎曲半徑的探究

楊光龍

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 前言

近年，由于城市化進程加速，用電量大幅增加，對城市電網網架的穩定性、可靠性提出了新的挑戰。但是城市的土地供應有限，已到了寸土寸金的地步，加之文明城市的創建，人們對人身安全的更加重視，在城市地面上興建架空線路、變電站，已經不合時宜。于是，新建工程、城網改造、架空線入地遷改的工程越來越多，地下變電站、輸電電纜線路逐漸在城市的地下鋪開，成為城市電網的血脈，點亮地上的萬家燈火，給城市提供源源不斷的能量。

電纜工程的大量密集投運，給電纜運維人員的驗收工作增加的難度，但是大量的運維經驗告訴我們，驗收時的嚴格把關，將為日后的運維工作省不少心，尤其是電氣類，因為一旦投運，停電檢修時間將不確定。其中電纜彎曲半徑的驗收就是一個重點，也是一個難點。

1 電纜彎曲半徑的定義及控制標準

1.1 電纜彎曲半徑的定義

彎曲半徑即曲率半徑，在幾何中，定義為曲率的倒數，即R=1/K。平面曲線的曲率是針對曲線上某個點的切線方向角對弧長的轉動率，表明曲線偏離直線的程度，通過微分來定義，如圖1所示，彎曲半徑。其中L為轉動弧長，θ為切線方向角，K為曲率。對于曲線，它等于最接近該點處曲線的圓弧的半徑。電纜的彎曲半徑即指電纜彎曲處，最接近該點處曲線的圓弧的半徑。

圖1 彎曲半徑示意圖

1.2 控制電纜彎曲半徑的意義

電纜根據絕緣材料的不同可分為：塑料絕緣電纜、橡膠絕緣電纜、油紙絕緣電纜、充油電纜，目前最常用的為塑料絕緣電纜，其中交聯聚乙烯以其優異的電氣性能、耐熱性能、機械性能、耐老化性能和其他性能應用最為廣泛[2]，本文只考慮此絕緣電纜。

眾所周知，交聯聚乙烯由聚乙烯加入交聯劑經過化學或者物理的方法交聯而成，在電纜絕緣材料中屬于固體絕緣，屬于塑性材料，當發生嚴重彎曲時，將產生塑性形變，無法恢復。比如在電纜敷設或運行時，電纜彎曲半徑不滿足要求，將導致彎曲處內側絕緣受擠壓，外側絕緣受拉伸超過極限值，產生不可逆形變。絕緣層承受導體線芯的高壓，當絕緣與導體間有氣隙或者絕緣結構損壞，會在該點形成局部放電，在長時間的強電場作用下，可能會形成電樹枝，最終導致絕緣擊穿，線路跳閘等一系列嚴重后果。

1.3 相關標準規范

1）《城市電力電纜線路設計技術規定》DLT 5221-2016中4.1.1條規定“任何方式敷設的電纜的彎曲半徑不宜小于表4.1.1規定的彎曲半徑[3]”，如表1所示。

表1 電纜敷設時和運行時最小彎曲半徑

2）《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范》GB 50168-2018中5.1.7條規定“電纜的最小彎曲半徑應符合表5.1.7的規定[4]”，如表2所示。

表2 電纜最小彎曲半徑

3）《電力工程電纜設計標準》GB 50217-2018中5.1.2條規定“電纜在任何敷設方式及全部路徑條件的上下左右改變部位，均應滿足電纜允許彎曲半徑要求，并應符合電纜絕緣及其構造特性的要求[5]。”

4）中國南方電網公司《輸電設備缺陷定級標準（運行分冊）2015版》2.2.1.5條規定：電纜本體敷設、安裝不當“電纜本體彎曲半徑＜20D”屬重大缺陷。

由上述標準規范可知，多項標準均已對電纜最小彎曲半徑有了清晰的闡述，《電力工程電纜設計標準》定性要求，《城市電力電纜線路設計技術規定》及《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范》定量要求，中國南方電網公司《輸電設備缺陷定級標準（運行分冊）2015版》對運維要求有明確的指示。

2 電纜彎曲半徑測量工具的研制

針對電纜彎曲半徑的測量，我們運維單位傳統的測量方法為用卷尺“畫圓”、“測量目測直徑”的土辦法，如圖3所示，遇到電纜繞墻外側敷設的情況還無法測量，存在測量方法不專業、具有主觀性，測量結果不準確等諸多缺點。于是，我們決定制作一種專門測量電纜彎曲半徑的工具。

2.1 方法制定

常用的彎曲半徑測量方法有3種：

1）第一種方法“弦高法”[1]，理論公式為：

式中：a為弦高；b為弦長；R為彎曲半徑。

2）第二種方法“三角法”，理論公式為：

式中：a、b、c分別為角A、B、C的對邊長度。

3）第三種，弧長法，理論公式為：

式中：L弦為弦長；L弧為弦長所對應的弧長。

通過對3種方法的比較，弦高法以計算簡單、測量方便、電纜內外側均能測量的優點被采用。圖2、圖3分別為電纜彎曲半徑測量工具從電纜內側、外側測量示意圖。

圖2 內側測量示意圖

圖3 外側測量示意圖

2.2 工具制作

由于經費限制，加之主要目的為試驗方法是否可行，為了方便加工，我們采用木板制作工具，用高精度測距儀測量弦高a，用等距離孔位表示弦長b，通過調節支撐條在不同孔位的固定來調節弦長b，其中支點腿的長度為c，孔位間距為5 cm，弦長b的調節范圍為20~60 cm，測距儀測量數據為x，圓弧內側測量時（模擬電纜沿墻角內側敷設情形）a=x-c，圓弧外側測量時（模擬電纜沿墻角外側敷設情形）a=c-x。制作成品。

2.3 效果驗證

1）測量標準圓弧驗證

用直徑88 cm標準圓的呼啦圈為對象驗證測量尺的功能性及準確性。

已知：弦長b=60 cm，支點腿長c=20 cm，測距儀讀數x=31.7 cm，a=x-c=11.7 cm，

代 入 公 式R=(a2+b2/4)/2a=（11.72+602/4）/（2*11.7）=44.3 cm

則：直徑D=2R=88.6 cm，誤差=88.6-88.0 =0.6 cm

2）測量現場電纜驗證

已知：110 kV松呈線電纜外徑D=85 mm，電纜運行時最小彎曲半徑為15D=127.5 cm，電纜彎曲半徑測量尺b=60 cm，c=20c m，測距儀讀數x=22.7 cm，則：

a=x-c=2.7 cm

R=(a2+b2/4)/2a=168.0 cm>15D=127.5 cm，該處電纜彎曲半徑符合要求。

3）測量誤差與基于圓弧的辯證關系

半徑R較大時，為了避免a值太小，測量誤差太大，b值應選擇較大值，同時所測的電纜段近似圓弧；半徑R較小時，為了保證所測的電纜段近似圓弧，b值應選擇稍小值，a值測量誤差也不會過大。

3 結束語

總的來說，該電纜彎曲半徑測量工具能基本準確測量電纜彎曲半徑，能夠從電纜內側、外側測量，且操作簡單，容易上手，但由于材質及測距儀精度原因，準確度還有待提高，且工具略顯笨重，現場測量不太方便。

我們針對該測量工具的優缺點，將進行以下探索與改進：①10~500 kV電壓等級各種截面的電纜彎曲半徑均可測量，測量范圍廣；②采用激光測距，測量精度毫米級，測量準確；③計算過程引入智能芯片，直接屏顯測量結果，方便快捷；④可推動測量尺在電纜上行進，實時測量該點彎曲半徑，配合聲光顯示，直接報警彎曲半徑不足的點；⑤測量尺采用伸縮、折疊的結構，小巧易攜帶。

電纜彎曲半徑的控制及測量是電纜工程施工及竣工驗收時的重要環節，尤其是敷設階段，文明施工、科學敷設是最基本也是最有效的措施，應該嚴格把控。更好的施工方案及驗收方法保證電纜彎曲半徑滿足要求，可以避免因電纜敷設、安裝彎曲半徑不足導致的絕緣缺陷，降低故障跳閘的幾率，提高電網運行的穩定、可靠性。