110kV单芯海缆铠装损耗试验研究

张 磊，郑新龙，宣耀伟，章正国，何旭涛

(国网舟山供电公司，浙江 舟山316000)

0 引言

随着沿海城市和岛屿经济的发展，海底电缆已成为海岛电力输送的重要途径。为便于敷设和机械保护，铠装是海底电缆至关重要的结构元件，这也是区别于陆地电缆的主要特征之一。

为保证足够大的导电线芯面积和机械抗拉力，许多海缆线路采用单芯的结构方式［1］。然而当单芯海缆导体通过大电流时，会在铠装和金属护套(铅包)产生感应电压，而线芯电流交变产生变化的磁场，会在金属护套及铠装上形成涡流，产生涡流损耗［2-3］。由于海缆运行环境的特殊性，铠装及金属护套只能在海缆线路的两端各自互联接地，由此产生的环流会引起很大的损耗［4-6］。金属护套损耗和铠装层损耗是单芯铠装电缆频发故障的主要原因。

文献［7］利用2.5维有限元分析建模方法，对三芯海缆铠装损耗进行了仿真计算，并与IEC标准计算方法进行对比。同时对245 kV和12 kV两条海缆进行了试验测试，验证了2.5维有限元分析建模方法的可靠性，但是未涉及单芯海缆的铠装损耗。国内关于海缆铠装损耗的试验研究及文献资料较少。文献［8］对磁性不锈钢丝编织铠装的损耗进行了实验研究，然而其试验数据包含变压器部分，误差较大，且对铅包及铠装的感应电压未有涉及。

本文对钢丝铠装海缆进行了通流试验，在不同工况下研究铅包及铠装的开路感应电压、短路感应电流以及海缆损耗。

1 试验条件

试验场设备包括:电缆热循环试验加热测控系统;功率测试仪;钳形电流表;低电阻测试仪。

现场试验系统示意图如图1所示。

图1 试验系统示意图

水槽长30 m，宽3.6 m，注入水深1.2 m。试验环境空气温度9.8℃，水温8.0℃。

试验样品:

(1)样品描述。HYJQF41-64/110-1×500光电复合单芯海底电力电缆，长约195 m。经测试，线芯导体电阻7.6 mΩ。

(2)样品处理。海缆首尾连接、修复处理。为消除穿心变对铠装及铅护套的影响，穿心变两侧海缆断开其铠装和铅护套，保持纤芯导体连接。考虑到铅护套及铠装的短路及开路试验，将两者引出接线。经测试，铠装电阻28.9 mΩ，铅包电阻69.4 mΩ。

2 试验内容

若将穿心变与海缆看作一台变压器，则原边为穿心变，副边即为海缆，图1中的AB两端即为副边端口。本试验内容有:

(1)使用穿心变对海缆施加大电流，当海缆导体电流达到设定值后，分别测试铅包、铠装的开路感应电压以及两者并联后的开路感应电压;

(2)使用穿心变对海缆施加大电流，当海缆导体电流达到100 A及200 A时，分别在铠装及铅护套开路以及短路的不同工况下，使用功率测试仪在副边AB端口测取海缆损耗;

(3)在铅包铠装回路串入电阻后，测试海缆损耗，并与未串电阻时的情况进行比较。

3 测试结果与分析

3.1 开路感应电压测试

由单芯电缆构成的交流传输系统中，电缆导体和金属护套间的关系可以看作一个空心变压器。电缆导体相当于一次绕组，而金属护套相当于二次绕组。单芯电缆金属护套处于导体电流的交变磁场中，因而在金属护套中产生一定的感应电动势［9］。

金属护套的感应电压为:

式中，M为导体电流对金属护套的互感;I为线芯导体电流。

控制穿心变，当线芯电流在100～600 A时，测试铅包、铠装以及两者并联后两端感应电压，结果见表1。

根据式(1)，对表1数据进行拟合，可以得到:U铅=0.0688I导;U铠=0.0668I导;U并联=0.0513I导。

继而得到:M铅=0.2191mH;M铠=0.2126mH;M并联=0.1633mH。

以上参数的下标中，导表示导体回路，铅表示铅包回路，铠表示铠装回路，并联表示铅包和铠装AB端并联后的回路，在下文中的用法意义相同。其中M铅表示线芯回路与铅包回路的互感，M铠表示线芯回路与铠装回路的互感，M并联表示线芯回路与铅包铠装两端并联后回路的互感。

以上试验验证了铅包、铠装受线芯导体电流的影响产生了感应电压，并根据实验数据推算出铅包、铠装与线芯导体之间的互感大小。

3.2 不同工况下海缆损耗测试

在穿心变中穿入钢丝铠装海缆，穿心变线圈作为一次侧，穿心变内的海缆导体作为二次侧，分别测试海缆在铠装及铅护套开路以及短路时的二次侧有功功率，即为该工况下的海缆损耗。

保持导体电流100A时，四种情况的测试数据如表2。

表2 导体电流100A时的感应电流及损耗测试数据

此时导体的损耗根据P导=导，式中R导=7.6 mΩ，因此导体损耗的有功功率P导约为76W。

保持导体电流200A，四种情况的测试数据如表3。

此时导体损耗的有功功率约为304 W。

铠装电阻28.9 mΩ，铅包电阻69.4 mΩ，铅包为非导磁材料，忽略其涡流损耗。则在铅包、铠装均短路的情况下:

导体电流100 A时，P导=76 W，P铅=93.47 W，P铠环流=76.35 W，P铠涡流=10.18 W;

表3 导体电流200A时的感应电流及损耗测试数据

导体电流200 A时，P导=304 W，P铅=371.86 W，P铠环流=298.32 W，P铠涡流=59.82 W。

其中，P铠环流表示铠装回路的环流损耗，P铠涡流表示铠装回路的涡流损耗。从表1、表2及计算数据可知，当铠装或者铅护套短接时，二次侧有功消耗大幅度增长。在三种短接方式中，铅包铠装均短路所产生的损耗最小;铅包短路、铠装开路所产生的损耗最大。另外，铠装、铅包单独短接时产生的感应电流均大于两者并联后短接时分别产生的感应电流大小。由此可以判断，铅包铠装并联短接后，两者产生的环流有相互抵消的作用。

当金属护层(铅包)中存在感应电流通过时，作用在铠装层上的电流就不仅仅是线芯电流，而是上述两个电流的相量和，图2是两电流的相量关系。

图2 线芯电流与金属护层感应电流的相量图

3.3 铅包铠装回路串联电阻后的损耗测试

通过变频信号发生器对实验电阻测试，得出所串电阻器的参数:电阻R=1.32Ω，电感L=400 mH，阻抗Z=1.35Ω，将两个电阻器并联后串入铅包铠装回路。试验数据如表4。

表4 海缆损耗测试数据对比

表4中，I为导体电流;P为AB端，即海缆有功功率;S为AB端视在功率;Q为AB端无功功率;U为AB端口电压;PF为功率因数，即为P/S。

根据试验数据，有以下分析:

(1)在同种运行模式下，线芯导体电流越大则海缆的损耗也越大。在导体电流相同的情况下，铅包铠装回路串联电阻后，海缆的有功损耗下降明显。同时，线芯电流较小时串联电阻后海缆损耗下降幅度较大，反之则下降幅度较小。例如线芯电流50 A时，铅包铠装回路串入0.5 R电阻，总损耗下降32.8%;而线芯电流300 A时，铅包铠装回路串入0.5 R电阻，总损耗下降18.4%。如图3所示。

图3 串联电阻后海缆损耗下降曲线

另一方面，在线芯电流相同情况下，铅包铠装回路串入电阻对于铅包感应电流影响较大，该电流下降明显。

(2)铅包铠装回路串入电阻，直接改变了海缆的电气特性，由于P=Scosφ，则无电阻时功率因数为0.652，串入0.5R电阻后，海缆的功率因数为0.23左右，而且随着线芯电流增大而小幅增大。

(3)铅包铠装回路串入电阻，使铅包铠装干路上的电流大幅下降，例如串联0.5R电阻后，铅包铠装回路电流下降幅度达到88%，这是损耗下降的主要原因(如图4)。

图4 串联电阻后铅包铠装干路电流下降曲线

(4)铅包铠装回路串入电阻后，铅包、铠装电流大幅度下降，对应的铅包损耗也大幅下降，以致于相对导体损耗来说可以忽略;然而由于铅包电流的下降，铠装层失去了铅包层的屏蔽，直接受导体电流的电磁感应，其涡流损耗大幅增加，因此铠装层的整体损耗与导体损耗相当。

4 结论

本文借助海洋实验基地，以生产中应用较多的HYJQF41-64/110-1×500光电复合单芯海底电力电缆为例，对海缆进行了通流试验，发现了铅包及铠装上存在感应电动势，并伴随着较大的损耗。本文对生产运行中的突出问题——铠装损耗进行了初步的试验研究，得出了一些重要的信息和结论，为进一步的研究与工程应用奠定了基础。

(1)验证了铅包、铠装上的感应电动势由线芯电流而产生，并根据测试数据推算出被试海缆中铅包、铠装与线芯导体之间的互感值。

(2)通过铅包、铠装分别在开路、短路不同运行方式下的海缆损耗试验，认为铅包电流对导体电流有屏蔽作用，可减少导体电流对铠装的影响。

(3)在铅包铠装回路串入电阻后会减小铅包铠装干路上的电流，其中铅包电流下降幅度较大，这也是海缆损耗减小的主要原因。

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