1 問(wèn)題的提出
通過(guò)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析和收集的數(shù)據(jù)表明，單芯鋼絲鎧裝電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、運(yùn)行合理性等諸多問(wèn)題已逐漸引起人們的重視。單芯鋼絲鎧裝電纜的鎧裝損耗越來(lái)越受到人們的關(guān)注。單芯鋼絲鎧裝電纜在我國(guó)的采用給許多工程帶來(lái)了麻煩和經(jīng)濟(jì)損失。用戶的敏感度和關(guān)注度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線纜廠商。參考文獻(xiàn)[1]討論了這個(gè)問(wèn)題，并列出了我國(guó)敷設(shè)單芯鋼絲鎧裝電纜線路的情況。指出我國(guó)單芯電纜鋼絲鎧裝采用隔磁結(jié)構(gòu)是一種奇怪的產(chǎn)品。應(yīng)該和國(guó)外接軌，取消銅線的隔磁結(jié)構(gòu)。
60年代中期敷設(shè)了中國(guó)上海過(guò)黃浦江電纜，選用一個(gè)意大利比瑞利的220kV充油鉛套PE護(hù)套鋁合金絲鎧裝,廠方技術(shù)采用非磁性鎧裝，消除由于鋼絲的磁損耗.能提高企業(yè)輸送系統(tǒng)容量。國(guó)外研究也有可以采用硬銅合金絲鎧裝（原文理解作者自己認(rèn)為我們采用非磁性鎧裝是一種具有誤導(dǎo)）。60年代后期發(fā)展南京和安慶110KV充油單芯海纜工程曾設(shè)想進(jìn)行生產(chǎn)非磁性鎧裝，因國(guó)內(nèi)市場(chǎng)沒(méi)有鋁合金絲產(chǎn)品，就改用銅絲隔磁設(shè)計(jì)。在鋼絲鎧裝中間部分均勻程度分布3到4根銅絲是單芯電纜外不形成有效閉合磁路。自從他們那時(shí)起至今都是國(guó)產(chǎn)超高壓?jiǎn)涡竞＠|全部通過(guò)采用隔磁結(jié)構(gòu)鎧裝。（這是否科學(xué)起源于對(duì)于我國(guó)教育有待于進(jìn)一步考證-摘錄者自言）。
文章還列舉了幾個(gè)引進(jìn)項(xiàng)目，1987年 Humen Guangdong 引進(jìn)的220kV 鉛包聚乙烯護(hù)套鋼絲鎧裝 PLP 外護(hù)套電纜。由日本住友公司提供。采用45φ8mm 鍍鋅鋼絲。為了提高輸送能力，在鉛護(hù)套和 PE 護(hù)套之間有24根扁線，平均240mm2。回流導(dǎo)體的作用是降低金屬護(hù)套的阻抗，減少護(hù)套的損失，提高輸送能力。1989年廈門集美-高崎海峽電纜，220Kv1 × 630mm2銅芯油包鉛護(hù)套 HDPE 護(hù)套鋼絲鎧裝 PLP 外護(hù)套電纜。由法國(guó)阿爾卡特提供。使用了41根 φ7.6 mm 的鍍鋅鋼絲。1998年，北京供電局在湖中安裝了15kV 1 × 300mm2銅芯交聯(lián)聚乙烯(XLPE)鉛護(hù)套鋼絲鎧裝聚乙烯護(hù)套電纜。由法國(guó)阿爾卡特提供。23φ7mm 鍍鋅鋼絲用于裝甲。據(jù)認(rèn)為，鋼絲表面涂有鋅，但是鋅的排列并不緊密，鋼絲表面涂有防腐劑(如瀝青) ，不會(huì)形成封閉的磁路，也不會(huì)造成額外的護(hù)套損失。
據(jù)說(shuō)國(guó)產(chǎn)單芯交流海底電纜的鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)從上世紀(jì)60年代就開(kāi)始采用隔磁鋼絲設(shè)計(jì)。而國(guó)外進(jìn)口的單芯交流海底電纜的鋼絲全部采用鍍鋅鋼絲設(shè)計(jì)，廠家從理論和實(shí)際運(yùn)行記錄上認(rèn)為沒(méi)有必要采用隔磁設(shè)計(jì)。為了使我國(guó)海底電纜的結(jié)構(gòu)與國(guó)外產(chǎn)品相似，作者的觀點(diǎn)是取消隔磁結(jié)構(gòu)。不僅是海底電纜，110kV XLPE電纜也要相應(yīng)改造。
這些都是國(guó)內(nèi)外高壓、超高壓電纜用于水下敷設(shè)單芯鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)方面的情況。對(duì)于35kV 及以下電纜由于采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的銅線絕緣結(jié)構(gòu)，所以基本廠家都按照標(biāo)準(zhǔn)制造。設(shè)計(jì)和使用部門也選用這種類型的電纜。很多事情都會(huì)出錯(cuò)。
鎮(zhèn)海煉化第二熱電站1號(hào)發(fā)電機(jī)組至變壓器采用8.7\u002F10kV1× 500m2YJV 32φ 3.15鍍鋅鋼絲鎧裝，四根銅線用于隔磁。除了電纜燃燒的原因，鋼絲也是電纜燃燒的原因之一。
某電站可以采用1×400mm2 YJV32 交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜15根，每相5跟并聯(lián)。（先不分析其選擇電纜型號(hào)是否能夠合理。）試運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)載流能力遠(yuǎn)小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載流能力。用戶管理提出自己是否是鋼絲鎧裝損耗太大的緣故。故提出我們要做試驗(yàn)方法進(jìn)行研究驗(yàn)證。本文主要就是企業(yè)針對(duì)該工程對(duì)單芯鋼絲鎧裝電纜進(jìn)行了載流量試驗(yàn)。用試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)安全測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話。重點(diǎn)從鎧裝材質(zhì)和運(yùn)行環(huán)境方面來(lái)探討為今后電纜產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)更加合理規(guī)劃設(shè)計(jì)發(fā)展提供信息資料。
2. 試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)
2．1 試驗(yàn)與計(jì)算資料
模擬電纜線路項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。8.7\u002F15 kV 1×400 mm2 YJV32 XLPE絕緣單芯鋼絲鎧裝電纜。樣品的結(jié)構(gòu)尺寸列于表2-1。
注: 導(dǎo)體屏蔽層厚度為0.8毫米。絕緣屏蔽層厚度為0.6 mm。銅帶厚度0.2毫米。膠帶厚度0.2毫米。
鋼絲直徑φ 2.5 mm四根直徑相同的銅線均勻分開(kāi)作為隔磁。
空氣中敷設(shè)，不同的排列組合方式進(jìn)行下載流量試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)及相關(guān)技術(shù)參數(shù)列于表2-2中。
注: * 溫度根據(jù)被測(cè)表面的位置變化很大。
* * s–相鄰電纜軸之間的距離。de–電纜外徑
根據(jù) IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)，按樣本容量計(jì)算了單芯鋼絲鎧裝電纜的載流能力。計(jì)算結(jié)果列于表2-3。
注:*導(dǎo)體在工作溫度下的交流電阻(ω\u002Fm)。
** 鎧裝鋼絲材料損耗（根據(jù)不同試驗(yàn)時(shí)鎧裝損耗進(jìn)行推算值計(jì)算而得）。
平面布置，電纜中心距為2根電纜直徑(德)。
2．2 現(xiàn)場(chǎng)資料
項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的電纜布置如圖2-1所示。測(cè)試數(shù)據(jù)總結(jié)如下。根據(jù)# 1 ~ # 2機(jī)組的電流分布數(shù)據(jù)，電纜芯線和表面溫度見(jiàn)表2-4和表2-5。用于計(jì)算核心溫度和表面溫度的參數(shù)如下:
根據(jù)測(cè)得的電流計(jì)算了芯溫和表面溫度。所用參數(shù)為 YJV32電纜參數(shù)(如交流電阻、熱阻)和試驗(yàn)參數(shù)(如鋼絲損耗等)的計(jì)算值。
圖2-1電纜布置示意圖
表2-4 # 131MW 1800A 機(jī)組
*每條線路將三根單芯電纜布置成三角形，中間留有間隙。
* 阻抗造成的電流分布不均勻。
*每條線路將三根單芯電纜布置成三角形，中間留有間隙。
* 阻抗造成的電流分布不均勻。
3.1 載流量下降
本文首先討論了在相同的工作溫度和相同的環(huán)境條件下，單芯鋼絲鎧裝電纜的載流能力為什么遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無(wú)鎧裝電纜的載流能力？其主要原因是鎧裝鋼絲損失過(guò)大。在三角形排列的情況下，導(dǎo)線的磁滯和渦流損耗是鐵心損耗的3倍以上。平面布置是堆芯損耗的2倍以上。即使電纜單獨(dú)敷設(shè)(電纜中心距離是電纜直徑的2倍以上) ，鋼絲損失也是電纜芯損失的2倍以上。無(wú)鋼絲鎧裝單芯電纜的載流能力分別為57% (相互接觸三角形布置)和64% (間隙為1根電纜直徑平面布置)。在熱阻方面，鋼絲鎧裝電纜的外徑比同截面非鋼絲鎧裝電纜的外徑大得多(約1.2倍)?？諝夥笤O(shè)電纜的外部熱阻小于非鋼絲鎧裝電纜(約0.80%)。雖然鋼絲鎧裝具有較大的內(nèi)襯熱阻，但其絕對(duì)值的增加幾乎被外部熱阻的降低所抵消。所以盔甲的損失在這里起到了決定性的作用。這是電流承載能力下降的主要原因。
3.2 鎧裝損耗
為什么單芯電纜鋼絲的鎧裝損耗這么大？其損耗的主要原因是磁滯和渦流損耗起決定性作用。這些損耗與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，而磁場(chǎng)強(qiáng)度又與鐵芯電流有關(guān)。當(dāng)鋼絲在單點(diǎn)互連時(shí)，鎧裝中沒(méi)有循環(huán)損耗。電纜相當(dāng)于一個(gè)無(wú)限大的直導(dǎo)體，它的芯電流在這根電纜的鋼絲中的電場(chǎng)遠(yuǎn)大于其他相鄰電纜電流在這根鋼絲中的電場(chǎng)。認(rèn)為鋼絲的損耗主要是由這種電纜的芯線電流引起的。三個(gè)單芯以三角形排列在三相系統(tǒng)中運(yùn)行，三個(gè)單芯以三角形排列串聯(lián)在單相系統(tǒng)中運(yùn)行。根據(jù)表2-2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)(單相)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)(三相)反映的載流量和溫度兩個(gè)參數(shù)，分析兩者呈三角形布置時(shí)鋼絲鎧裝損耗接近。這只針對(duì)這組數(shù)據(jù)。受測(cè)試條件限制，無(wú)法進(jìn)行三相系統(tǒng)測(cè)試。表3-1中計(jì)算的溫度參數(shù)至少可以說(shuō)明電纜三角形布置時(shí)的單相試驗(yàn)數(shù)據(jù)(載流量)與三相系統(tǒng)下現(xiàn)場(chǎng)布置方式下的實(shí)測(cè)電流相近。
注: 1測(cè)試電纜與現(xiàn)場(chǎng)電纜排成三角形，但三角形的現(xiàn)場(chǎng)用電木條隔開(kāi)。
②計(jì)算值(根據(jù)電流和熱阻計(jì)算)。
③ 為便于進(jìn)行比較研究已將表2-2的試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)已換算到環(huán)境不同溫度38.5℃時(shí)的等效值。
三角形電纜組的表面溫度隨位置變化很大，表中數(shù)據(jù)僅供參考。
3.3 隔磁是偽概念
實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，單芯鋼絲鎧裝的隔磁結(jié)構(gòu)是無(wú)效的。鋼絲是磁性材料，銅線是非磁性材料。當(dāng)交流電通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于銅線插入鋼絲處，磁力線可能會(huì)發(fā)生變化，但不能中斷。由于鋼絲中交變電磁場(chǎng)的磁化總是滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化(磁滯現(xiàn)象)，鐵磁體反復(fù)磁化時(shí)磁體分子的相態(tài)不斷變化，分子振蕩加劇，引起發(fā)熱和溫度升高。增強(qiáng)分子振動(dòng)的能量由維持磁化場(chǎng)電流的電源提供。在交變磁場(chǎng)中，鋼絲中也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力電流，這種應(yīng)力電流在鋼絲體內(nèi)自行閉合，形成渦流。因?yàn)殡娮韬苄。瑴u流強(qiáng)度可以很大，鋼絲釋放出大量熱量。它的熱能也由維持磁化場(chǎng)電流的電源提供。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，這種隔磁結(jié)構(gòu)是一個(gè)偽概念。定量計(jì)算復(fù)雜。IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)中只在海底鋪設(shè)單芯鋼絲鎧裝電纜，電纜間距為10m，并提出了鎧裝損耗等于鐵損的計(jì)算方法。在沒(méi)有計(jì)算方法之前，最好通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)求解單芯鋼絲鎧裝電纜的載流量。對(duì)于正在考慮的問(wèn)題，采用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)解決，符合IEC標(biāo)準(zhǔn)中解決問(wèn)題的原則。好在上海電纜研究所在上世紀(jì)60年代就建了電纜承載能力試驗(yàn)基地，現(xiàn)在已經(jīng)改造成了國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室。有一整套載流測(cè)試設(shè)備。除一般電纜外，還可用于特殊電纜的熱性能測(cè)試。
結(jié)論
從這個(gè)分析中至少可以得出兩個(gè)結(jié)論:
1單芯鋼絲鎧裝電纜的載流量遠(yuǎn)小于同截面非鎧裝單芯電纜。千萬(wàn)不要按照非鎧裝電纜來(lái)選擇載流量(可以說(shuō)廠家提供的載流量100%是錯(cuò)誤的)。
2 鋼絲鎧裝損耗成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能大于線芯損耗，隔磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際上是虛設(shè)的，不起作用。隔磁是一個(gè)偽概念。
綜上所述，由于鎧裝磁損耗的影響，單芯鋼絲鎧裝電纜的載流能力有所降低。這是單芯鋼絲鎧裝電纜的致命缺點(diǎn)。但單芯鋼絲鎧裝電纜具有耐拉力和較強(qiáng)的外部機(jī)械力的能力，實(shí)際上也是不可或缺的產(chǎn)品。如江河、湖泊、海底敷設(shè)海底電纜。因此，建議:
單芯電纜非磁性鎧裝(如不銹鋼線、銅合金線或鋁合金線)絕不是誤導(dǎo)。
鋼絲必須選用鍍鋅鋼絲，并涂有防腐層，鋼絲彼此分離。數(shù)據(jù)[1]表示，國(guó)外廠家認(rèn)為它可以起到磁絕緣的效果。但筆者認(rèn)為，它與銅線的磁絕緣效果沒(méi)有太大區(qū)別。我們可以做個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。無(wú)可奉告。
除了江河湖海、張力大的特殊情況外，在不承受張力、可預(yù)見(jiàn)的機(jī)械外力不大的情況下，通常很難選擇單芯鋼絲鎧裝電纜，如隧道、支架等。

另外，建議進(jìn)行修改電纜行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)就是其中的單芯鋼絲鎧裝電纜可以采用銅絲隔磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改為采用非磁性材質(zhì)作為鎧裝絲。

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