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[中高压力缆] 高压交联聚乙烯绝缘电缆的选择
P:2007-04-05 10:54:22
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高压交联聚乙烯绝缘电缆的选择
□ 陈光高 焦仲福 刘建春/文
选择本文对高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的有关问题进行了讨论，对电缆导体、金属屏蔽层或金属护套、外护套等选择进行了比较，也对金属屏蔽层的接地和敷设方式进行了分析和讨论。
1 引 言
交联聚乙烯绝缘电力电缆由于具有良好的电气性能等一系列优点，被广泛得到使用。其制造技术从低压到高压，从小截面到大截面，从普通结构到阻燃，从过氧化物交联、硅烷交联到辐照交联均已日趋成熟，１１０ｋＶ和２２０ｋＶ高压交联电缆也得到蓬勃发展。８０年代末，沉阳电缆厂用２＋２悬链工艺制造出我国第一根１１０ｋＶ交联电缆，９０年代初上海电缆厂开始用立式交联工艺生产１１０ｋＶ交联电缆，郑州电缆（集团）股份有限公司在试制成功１１０ｋＶ交联电缆后，１９９６年首次用立式全干法工艺生产的２２０ｋＶ交联电缆通过两部鉴定，填补国内空白，相继已有十多条生产线具备高压交联电缆的生产条件。实际上国内高压交联电缆的应用还要超前于电缆的制造。可以说高压交联电缆的批量使用促进了制造行业的技术进步，而制造技术和工艺装备的发展又不断满足了电力工业的需要。目前，国产１１０ｋＶ和２２０ｋＶ高压交联电缆的制造技术已基本接近当代世界先进水平。在进一步加强企业内部管理，稳定产品质量，合理选择电缆种类和参数，提高与整个线路相关的技术水平的前提下，高压交联电缆线路的安全性、可靠性、经济性就会不断提高。本文就选择高压交联电缆的有关问题作初浅的探讨。
2 高压交联电缆的导体
高压交联电缆的导体与其他电力电缆一样，分为铜导体和铝导体，选择导体截面和导体材料主要考虑两个因素，其一是载流量，其二是允许通过的短路电流。影响载流量的因素分别为损耗即导体损耗、绝缘损耗、金属屏蔽层损耗和铠装层损耗，热阻以及电缆敷设方式和环境条件。在电缆敷设方式、环境条件和护层结构一定的前提下，电缆的载流量和短路电流的大小取决于导体直流电阻，也就是取决于导体的材料和导体的截面积。显然，铜的电阻率比铝的电阻率小得多，而且铜导体还具有接触电阻小、机械强度高、弯曲性能好等优点，紧压圆型绞合导体的表面质量明显优于铝导体。但是铝的密度小，对于相同直流电阻的铜、铝导体来说，铝导体的重量不到铜导体重量的５０％，价格也比铜导体便宜，铝导体电缆与铜导体电缆相比具有明显的经济性。表１列出了铜、铝导体电缆的载流量和短路电流。
从表１可以看出，相同截面积铜芯电缆的载流量是铝芯电缆的１．３倍，短路电流是铝芯电缆的１．５倍。由此可以认为，只要铝芯电缆价格低于铜芯电缆的１．５倍，从经济角度考虑应选择铝芯电缆。从表１还可以看出，铝芯电缆的载流量和短路电流均高于截面与之小两档的铜芯电缆。只要铝芯电缆的价格低于与之小两档的铜芯电缆的价格，选择铝芯电缆的工程费用就低。需要说明的是，铝导体焊接必须采用氩弧焊。其技术国内尚不成熟，缺乏施工和运行经验。
表 1 电缆的短路电流 | |||||||
标称载面/mm2 | 240 | 300 | 400 | 500 | 600 | 800 | |
载流量/A | Cu | 551 | 622 | 710 | 541 | 918 | 1031 |
Al | 428 | 484 | 555 | 635 | 726 | 828 | |
Cu/Al | 1.287 | 1.285 | 1.279 | 1.324 | 1.264 | 1.253 | |
短路电流/kA | Cu | 34.8 | 43.4 | 57.8 | 72.2 | 90.9 | 115.3 |
Al | 23.0 | 28.7 | 38.2 | 48.8 | 60.0 | 76.1 | |
(l s) | Cu/Al | 1.513 | 1.512 | 1.513 | 1.514 | 1.515 | 1.515 |
注：电缆YJQ02，110kV，敷设条件为：直埋、平行敷设、土壤热阻系数1.2K*m/W,环境温度，敷设深度 |
3 金属屏蔽层和金属护套
高压交联电缆的金属屏蔽或金属护套种类较多，有铅套、皱纹铝套、皱纹铜套、皱纹不锈铜套和铝塑综合护套。除皱纹不锈钢套外，国内能生产各种金属护套的高压交联电缆。
铅套电缆的优点是柔软，弯曲性能、密封性和耐腐蚀性好，便于敷设、也便于电缆附件的安装，适合用于防水、防潮以及防腐蚀性要求较高的场合。缺点是机械强度低，抗蠕变性差，不适合用在振动或正压力较大的情况下。另外铅的密度大、直流电阻率高，允许通过的短路电流小。皱纹铝套的优点是机械强度高，直流电阻小，允许通过的短路电流大，见表２。由于铝的密度小，使得电缆的重量明显小于铅套，见表３。与铅套相比铝套电缆的缺点是电缆外径大，装盘长度短，耐腐蚀性差，不易弯曲，在电缆附件安装过程中封焊比较困难。
铝塑综合护套电缆除其外径小，重量略轻于皱纹铝套电缆外，没有其他优点，缺点是密封性差。因为铝塑复合带本身厚度薄，一般在０．１５～０．２０ｍｍ左右，而且接缝处不可避免地存在缺陷；另外由于铝塑复合层与外护套之间的摩擦系数较小，电缆在敷设过程中容易起皱，甚至会产生破裂。这种结构的电缆不适用于直接埋地或湿度较大的环境条件。
皱纹铜套电缆与铅套电缆相比重量轻，允许通过的短路电流大，与皱纹铝套电缆相比几乎不存在优点。而且在焊接过程中焊弧对焊缝的自动跟踪性差，一旦焊弧飘移，轻则出现缝隙，重则当焊缝两侧熔融状态的铜不能接合在一起时，必然向铜套内侧滴淌，并在内壁形成铜柱。可见皱纹铜套的焊接工艺不易控制，焊缝质量也不易保证。铝套与铜套不同，其焊接过程中，焊弧的自动跟踪性能良好，不会出现焊弧飘移，焊缝质量能够得到保证。
4 金属屏蔽层的接地及电缆敷设方式
电缆金属屏蔽层或金属套接地分为单端接地、双端接地和交叉互联接地。单端接地是在电缆的一端将金属屏蔽层直接接地，另一端不接地或通过保护接地。在这种情况下，金属屏蔽层对地之间有感应电压存在，感应电压与电缆的长度成正比，但无环流通过。这种接地方式仅适合长度较短的线路，也就是说电缆长度所对应的感应电压不能超过安全电压。双端接地是将金属屏蔽层的两端均直接接地，在这种情况下，金属屏蔽层中有环流通过，会降低电缆的载流量，见表４。
从表４可以看出，双端接地时电缆的载流量比单端接地或交叉互联接地小的多，不仅造成资源浪费也造成能源损失。这种方式只是在特殊情况下采用，如电缆需要过江、海底以及受条件所限无法采用交叉互联的场合。
交叉互联接地是将金属屏蔽层的一端直接接地，采用中间绝缘接头和交叉互联箱将三相电缆的金属屏蔽层进行换位连接，另一端通过保护接地或直接接地。在完全换位的情况下，金属屏蔽层中无环流通过，两端对地之间也无感应电压，每段电缆中间有感应电压，且换位处感应电压最高。交叉互联接地与单点接地电缆的载流量相同。这种接地方式虽然适应长线路，但应根据最高允许感应电压确定相邻两个换位点之间的距离。
电缆敷设排列方式分为平行排列和三角形排列。由于两种方式的电感和热阻不同，它们之间的载流量有较大的差别。表５列出了平行排列和三角形排列以及金属屏蔽层不同接地方式的载流量。
从表５可以看出，在上述敷设条件下，同一结构的电缆当金属屏蔽采用单端或交叉互联接地时，平行敷设排列的载流量高于三角形排列，金属屏蔽层采用双端接地时，三角形排列的载流量高于平行排列。将金属屏蔽层的两种不同接地方式和电缆的两种敷设排列方式进行组合，其载流量由高到低的顺序为：单端接地平行排列→单端接地三角形排列→双端接地三角形排列→双端接地平行排列。
5 电缆附件的热性能
电缆附件是电缆线路中的一个重要组成部分，我们可以从电缆附件生产厂商提供的资料和试验报告中了解到电缆附件的电气性能和机械性能，以电场强度作为电缆附件绝缘结构设计的依据也很经典，而且ＩＥＣ２８７以及各种教课书对电缆本体的热性能均有规定和论述，但都尚未涉及到电缆附件的热能性。实际上，电缆附件的结构尺寸和材料都不同于电缆本体，其热性能也必然不同。所以电缆附件制造厂商应该向使用者提供电缆附件的结构、尺寸和材料及其特性，以便计算整个线路的载流量，或者由电缆的允许载流量推算电缆附件的温升。
6 结束语
综上所述，我们在选择高压交联电缆或设计高压线路时有必要关注这样几个问题：（１）从经济角度考虑，应尽量采用铝导体代替铜导体；（２）在选择电缆的金属护套时应优先采用铅护套或皱纹铝护套；（３）对阻燃要求较高的场合选用聚氯乙烯外护套，对防湿、防潮、防腐要求严格以及护套对地绝缘电阻要求较高的场合应选用聚乙烯炉套；（４）从载流量的角度考虑，金属屏蔽单端接地及平行排列敷设为最佳方案；（５）在高压交联电缆线路中应考虑电缆附件的热性能。
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