1、2023-5-291第七章第七章电力电缆载流量计算电力电缆载流量计算2023-5-292载流量问题载流量问题2023-5-293目标目标 学习学习1.电缆载流量计算的意义2.电缆工作原理3.国际标准 理解理解1.不同计算类型之间有什么差别？2.国际标准的作用2023-5-294电缆载流量？电缆载流量？电缆载流量研究通常是在给定导体最大运行温度的条件下，计算导体允许通过的最大电流。电流引起了电缆的发热，电流容量的限制取决于可以接受的导体温度。有时候可以给定电流值，研究电缆内部和电缆周围环境的温度分布。2023-5-295载流量定义载流量定义l稳态或连续态载流量稳态或连续态载流量电缆长期运行期间，
2、不超过正常额定温度条件下，所能承载的电流。l应急时期载流量 较长一段时间内（一般在2到300小时），电缆暂时超过正常额定温度时能够承载的电流。l瞬态载流量瞬态载流量 短期内（一般在2小时以下），电缆产生的大部分热量储存在电缆本身内部，温度暂时超过额定温度情况下的电流。l故障电流容量故障电流容量在故障检修时，电缆护套/屏蔽或导体允许通过的电流(一般小于1秒)，在这种情况下，通常假设电缆处于绝热状态。传统的载流量研究的对象是前三种情况之一。2023-5-296基本的载流量问题基本的载流量问题l给定电缆的尺寸、结构、工作电压和敷设条件，电缆最大承载多大电给定电缆的尺寸、结构、工作电压和敷设条件，电缆
3、最大承载多大电流才不至于超过允许的最大温度？流才不至于超过允许的最大温度？l通常考虑导体最大温度，但事实上所关注的是和导体紧密相邻的绝缘层的温度。纸:85（常态），100110（应急状态）XLPE：90（常态），105130（应急状态）LDPE：75（常态），95（应急状态）EPR：90（常态），130（应急状态）有时候热传递和分布的数值与金属屏蔽/护套的构造相关（特别是对于 X LPE电缆）。在外部热环境未知的情况下，AEIC推荐把上述数值减少10。2023-5-297载流量计算工具载流量计算工具l通常要重复多次冗长的计算。各种工具可以帮助用户计算载流量，而不用重复费时的手工计算。已出版的载
4、流量表 IEEE标准电缆载流量表，Std 835-1994 生产商提供的数据表，产品手册，或者技术支持服务 CymeCAP 程序(Cyme 国际)PCAmp(PDC)程序 UTWorkstation 和 DTCR(EPRI)程序 USAmp+（USi）工程人员开发的多种程序表，如：MathCAD软件或者MAPLE软件工作表。2023-5-298基本原理基本原理 每种电力电缆至少由两部分组成：把电流运载到延伸端设备的金属导体；把导体隔离并防止电流泄漏的电绝缘（电介质）。2023-5-299基本原理基本原理 包围导体的绝缘层产生了一个电压分压器，这个分压器由从导体到绝缘层外表面的阻抗和从绝缘层外表
5、面到大地表面之间的阻抗串联组成。2023-5-2910基本原理基本原理当一个绝缘导体靠近地表时，电场线必须弯曲更多来保证电场线以所需的角度在接地表面终结。由于等位线垂直于电场线，因而电场线的弯曲引起了绝缘表面电位的改变。2023-5-2911基本原理基本原理l为了避免表面放电，在绝缘层外包覆半导电屏蔽层。l尽管如此，一个问题的解决产生了另一个问题。即，要考虑两个电容的影响。2023-5-2912l半导电层的充电电流由与半导电层紧密接触的金属层控制。l绝缘屏蔽接地后，使得电压应力完全限制在绝缘层内。基本原理基本原理2023-5-2913l为了让不规则表面的电场变得平滑，导体外面添加了一层半导电层
6、。基本原理基本原理2023-5-2914影响电缆载流量的因素影响电缆载流量的因素l电力电缆的载流量取决于电缆的结构和安装方式。l目前世界上有多种电缆的结构形式。l安装方式也变化多样。2023-5-2915电缆型式和结构电缆型式和结构2023-5-2916目标目标 学习学习 理解理解 电缆的不同部分在载流量计算中的作用最常用电缆的结构2023-5-2917电缆类型电缆类型 三芯电缆最高电压可达132kV 绝缘：油纸 或者 XLPE 主要用于配电2023-5-2918电缆类型电缆类型LPFF低压液体填充低压液体填充 单芯电缆(a)到(d)三芯电缆(e)到(g)2023-5-2919管型管型比同等的
7、LPFF电缆载流量低，但是更容易敷设。2023-5-2920挤包绝缘电缆挤包绝缘电缆l起初大部分用在低压电缆。目前能够生产高达500kV的XLPE电缆。在加拿大多伦多，首根230kV电缆于10年前敷设。l与充油电缆相比，挤包电缆的优点 连接较简单 易于管理 没有油和昂贵的辅助设备 更好的热性能l与油纸电缆相比，挤包电缆的缺点 价格较昂贵 高电压下的可靠性未得到证实。2023-5-2921电缆的组成部分电缆的组成部分l电力电缆至少由两部分组成：1.导电体2.导体绝缘2023-5-2922l更复杂的电缆构造包含多个同心层电缆的组成部分电缆的组成部分2023-5-2923电缆结构导体电缆结构导体l导
8、体可以是圆的或者其他成形状。l可以绞合或者紧压成型。l可以被分成几块扇形。l组成导体的单线可以是裸线或者有绝缘2023-5-2924l导体由铜或者铝制成l载流量计算中一个重要的参数是导体的截面积。l导体的设计遵循逐级划分的一个标称截面积范围。实践中，使用下面两种范围：在北美和部分南美国家，电缆截面积是基于美国线规（AWG），最大到4/0，即107mm，更大的截面用千圆密耳(kcmil)表示。密耳等于千分之一英寸，一个圆密耳相当于周长为一个密耳的实心圆棒的面积。密耳与毫米的转换公式为1mil=0.0254mm。在所有其他国家，导体截面积是用公制体系定义(mm),并采用IEC 60228(1978
9、,1982,2004)规定的尺寸。电缆结构导体电缆结构导体2023-5-2925l通常，电缆的截面积越大，承载电流的能力也越大。对于自然冷却的传统电缆，我们可以认为，若要载流量加倍，近似地需要把导体面积变为原来的四倍。例如，要把230kV电缆的容量从300增加到600MVA，需要把电缆的截面积从铜芯800 mm增加到3200 mm 或者铝芯4800 mm。因为目前的技术水平，实际上不可能生产导体截面积大于3000 mm的电缆，所以大容量电力传输需要特殊的冷却措施，或者每相采用几根电缆输运。电缆结构导体电缆结构导体2023-5-2926l电绝缘的作用是阻止电荷从带电导体流向大地或者临近的导体。l
10、能够用于地下或者封闭环境以把导体与地或者其他导体隔离的绝缘材料只有几种。这些材料是：油浸纸带，固体绝缘，如聚乙烯，乙丙橡胶，以及 最近开发的聚丙烯(PPL)，以及压力气体绝缘(如六氟化硫SF6)。电缆结构绝缘电缆结构绝缘2023-5-2927电缆结构绝缘电缆结构绝缘l纸绝缘和固体绝缘在交流电压作用下，它们像一些大的电容器，内部有充电电流流动。电压方向的每一次改变(即每秒50或60次)，引起绝缘体内电子重新取向所需要的能量产生了热量，并导致电能损耗，它应该与导体损耗区分开来。l充电电流的大小是绝缘介电常数，电缆长度，电缆尺寸，以及运行电压的函数2023-5-2928l电力系统用到的各种电缆类型通
11、常用它们采用的基本绝缘体类型来区分。电缆结构绝缘电缆结构绝缘2023-5-2929l用矿物油或者合成油浸渍的绝缘纸。电缆需要有金属防护套。l合成绝缘材料 不需要沉重而又昂贵的金属防护套 连接简单 没有液体流动产生的问题l 总的来说，与油浸纸相比，合成绝缘材料具有较小的介质损耗和较低的热阻系数。电缆结构绝缘电缆结构绝缘2023-5-2930l绝缘类型对电缆载流量计算有很大影响。从热学角度来看，一种好的绝缘材料应该具有低的热阻系数，以及产生低的介质损耗。一个典型的例子就是交联聚乙烯(XLPE).l所有现代的电力电缆结构中，导体和绝缘外部都包裹有半导电屏蔽层。对于热计算，这些屏蔽层都考虑为绝缘的一部
12、分。电缆结构绝缘电缆结构绝缘2023-5-2931导体工作温度导体工作温度l纸绝缘电缆 65 -80l热塑性材料(PVC，PE)在75 以上机械强度变低(分子长链之间的自由移动更容易)。l热固性绝缘材料(XLPE，EPR)通过分子之间的交联，具有更好得多的机械性能。2023-5-2932半导电和金属屏蔽半导电和金属屏蔽l耐压超过5kV的所有电缆周围都要用导体屏蔽l来减轻成束导体周围的电场应力。l绝缘屏蔽用来把电场限制在电缆内部，以获得电力线的径向分布，防止电缆通过感应电势和架空线连通，同时限制射频干扰。l金属屏蔽作为绝缘屏蔽，通常由薄的铜带或铝带制成。金属屏蔽最好接地。2023-5-2933l
13、金属套具有两个作用保护绝缘发生故障时传输回流l同心中性线由铜或铝制成，主要担任上面第二种角色。l当电缆结构有实体金属套时，通常由铅或者铝制成。铅套，特别是对于大电缆，需要用金属带来增加强度。l铝套可以是平滑状或者波纹状的。电缆结构电缆结构金属套金属套/同心中性线同心中性线2023-5-2934l出于安全考虑，金属屏蔽层总是至少在一处接地。l金属屏蔽层的接地对电缆载流量的计算有着重要影响l带护套和同心中性线的单芯电缆组成的三相系统，金属套互连方式和电缆沟填埋物质的热阻系数是影响电缆载流量计算的最重要因素，这些都可以由线路的业主加以控制。电缆结构电缆结构金属套金属套/同心中性线同心中性线2023-
14、5-2935同心中性线同心中性线相导体相绝缘中性接地导体组合，裸铜线PVC护套同心线（通常是铜线）用作中性线，通常沿线路多点接地。2023-5-2936l铠装保护层，通常由钢丝或者钢带制成。l钢制铠装应用于单芯电缆时，可以产生很大的磁滞效应以及环流损耗，降低了电缆的载流量。l为了减少磁损耗，对于这种电缆，最好用非磁性材料如铝或者铜来制作。电缆结构铠装电缆结构铠装2023-5-2937l大多数电力电缆都有外部保护层。通常，外护套挤包在金属套或者铠装层上面；聚乙烯PE或者聚氯乙烯PVC是最常用的材料；铠装的电缆外面，有时用复合黄麻或者纤维材料作为铠装外被层。通常在铠装电缆的金属套和铠装层之间添加一
15、层非导电层。这层材料称为铠装内衬层，通常由和铠装外被层一样的材料制成。电缆结构外保护层电缆结构外保护层2023-5-2938电缆安装敷设电缆安装敷设2023-5-2939目的目的 学习学习 理解理解 安装条件对电缆载流量的影响。电缆是怎样敷设的 特殊回填土的作用是什么2023-5-2940电缆的敷设电缆的敷设l绝缘电力电缆敷设在地下或者空气中。重要的是要注意：电缆载流量计算中用到的环境温度是指气候条件；电缆敷设方式是指：在地下，空气中，敞开空间，或者在建筑物内，或者水下。2023-5-2941l电缆最常见的敷设方式是直埋在深度约为1m(3-4英尺)的土壤中，l对于由单芯电缆组成的三相线路，典型
16、的直埋方式如右图所示。电缆的敷设电缆的敷设(a)三角形敷设(b)平行接触敷设(c)平行非接触敷设2023-5-2942l在市区，经常需要把大量的电缆回路敷设在一个电缆沟（trench）内。在这种情况下，采用一种特殊的混凝土结构，它带有分布间隔均匀的孔来容纳电缆。每个孔内通常衬有塑料管，大都用PE或者PVC制成。这种构筑物通常叫做电缆排管（duct bank）。电缆的敷设电缆的敷设2023-5-2943l在美国，高压输电的主要方式是采用钢管电缆。这种形式电缆是将三根油浸纸绝缘电缆装在一根带有保护涂层的钢管内，然后填充绝缘油，或者绝缘气体。电缆的敷设电缆的敷设2023-5-2944l有时候，为了使
17、载流量最大化，地下电缆的周围用比本地土壤具有更好导热性能的材料填充。这种附加的材料称作回填土（thermal backfill）。电缆的敷设电缆的敷设2023-5-2945电力电缆中的热源电力电缆中的热源2023-5-2946目标目标 学习学习 理解理解 为什么对不同的应用环境选择合适的电缆类型很重要？为什么互联方式对载流量的研究非常重要？电缆中在哪里产生热量；电缆的交流电阻如何计算；介质损耗如何计算 电缆线路的金属屏蔽如何互联和接地。2023-5-2947电力电缆中的热源电力电缆中的热源l电缆中的以下组成部分会产生热量：导体 绝缘（介质损耗）金属套/同轴中性线 铠装 管道2023-5-294
18、8导体损耗导体损耗l基本上，这些能量损耗也称作焦耳损耗，可以用一个标准公式 Wc=I2R 来计算，这里 I 是电流有效值（rms），R是工作温度下的导体交流电阻。2023-5-2949导体电阻导体电阻2023-5-2950节距节距2023-5-2951lys 和yp分别是集肤效应系数和邻近效应系数。导体电阻导体电阻2023-5-2952集肤效应集肤效应2023-5-2953交流电阻交流电阻l分割导体和非分割导体的交直流电阻比的比较:(a)圆形导体，(b)分割导体的测量值，(c)分割导体计算值2023-5-2954集肤效应和邻近效应集肤效应和邻近效应2023-5-2955交流电阻值交流电阻值IE
19、C2023-5-2956交流电阻值交流电阻值AEIC2023-5-2957导体类型对载流量影响导体类型对载流量影响 例：三导体电缆，截面为750兆圆密耳(381mm2)，埋设深度为1m，土壤热阻系数为1m/W，环境温度为 20 铜导体 干燥浸渍实心铜 598A 未干燥浸渍实心铜 593A 紧压 597A实心铝导体 481A2023-5-2958介质损耗介质损耗2023-5-2959介质损耗介质损耗2023-5-2960必须考虑计算介质损耗的最低相对地电压必须考虑计算介质损耗的最低相对地电压介质损耗介质损耗2023-5-2961介质损耗介质损耗85下电阻率是0.0126 ohm/kml 假设工作
20、频率为60Hz，并且忽略半导电屏蔽层的影响。l 比较介质损耗和1365安培电流的导体焦耳损耗。2023-5-2962计算结果计算结果2023-5-2963金属套，同心中性导体损耗金属套，同心中性导体损耗l金属屏蔽中有两种类型的损耗：环流损耗 涡流损耗l实体金属套中产生涡流。l环流损耗是由金属套或者屏蔽的互联，以及多点接地引起的。2023-5-2964金属套互连设计金属套互连设计2023-5-2965电缆敷设和金属套接地电缆敷设和金属套接地2023-5-2966金属套互联与载流量金属套互联与载流量l金属套互联方式是影响电缆载流量的第二重要的因素(仅次于外部热阻的影响)。两点互联系统引起金属套内的
21、环流；单点互联系统的实体金属套内存在涡流。2023-5-2967金属套互联与载流量金属套互联与载流量l 环流损耗具有重要的影响，它随着金属套电阻的增加、以及使三根电缆的位置更加靠近而减小。2023-5-2968相间距和载流量相间距和载流量l涡流损耗当电缆尽可能互相紧邻敷设时最大。l当每段互联电缆长度相等时，交叉互联电缆只存在涡流损耗。2023-5-2969金属套损耗系数金属套损耗系数2023-5-2970本节习题本节习题1.叙述电力电缆载流量监测的意义。2.解释什么是稳态载流量、应急载流量和瞬态载流量。3.为什么要在电缆的导体和绝缘体上分别包覆半导电层？4.说明电缆的金属护套的作用，金属护套为什么要接地？5.实际的电力电缆是怎样敷设的？6.电力电缆哪部分容易产生热量？7.为什么对不同的应用环境选择合适的电缆类型很重要？
