大截面高压电缆导体结构设计选型

李 磊

（苏州特雷卡电缆有限公司，江苏 苏州215131）

0 引 言

随着国民经济的发展，城市用电负荷逐年攀升，大量高压电缆投入使用，根据国家标准要求［1-3］，800 mm2以上大截面高压电缆导体需要采用分割结构，以降低导体的集肤效应，从而降低导体交流电阻和损耗，提高高压电缆输送容量。

目前，国内企业对于高压电缆分割导体主要采用5分割或6分割结构［4-5］，导体一般采用裸铜线或铝线，并通过反向绞合进行分割导体制造。国内同时对大截面高压电缆导体交流电阻优化进行了研究［6-7］，包括不同的导体类型、导体表面处理和不同的绞合方式对导体交流电阻的影响，以及集肤效应因数的验证等。但是，目前国内对于大截面高压电缆导体交流电阻及载流量的计算多依据JB／T 10181.11—2014，该 标 准 等 同 于IEC 60287-1-1：2006，由于IEC 60287-1-1在2014年进行了修订［8］，从而造成JB／T 10181.11滞后于IEC 60287-1-1。同时，绝缘单丝分割导体电缆已经在国外工程中得到了很多应用，其中我公司生产的绝缘单丝铜分割导体的230 kV 2 500 mm2和138 kV 2 500 mm2高压电缆已经成功应用于菲律宾输电项目。

本工作根据IEC 60287-1-1：2014修订版标准，分别对220 kV 800 mm2和2 500 mm2不同导体类型的高压电缆进行导体交流电阻和载流量的计算，从而助力于国内大截面高压电缆导体的优化。

1 导体交流电阻

根据IEC 60287-1-1，导体交流电阻计算如下：

式中：R为导体在最高工作温度时的交流电阻；R′为导体在最高工作温度时的直流电阻；ys为集肤效应因数；yp为邻近效应因数。

式中：R0为导体20℃时的直流电阻；α20为20℃时的铜电阻率温度系数，为0.003 93 K－1；θ为导体最高工作温度，由于国内高压电缆多采用交联聚乙烯绝缘，因此θ值取90℃。

式中：xs为计算集肤效应时所用贝塞尔函数的自变量；ks为计算xs时所用的因数，对于不同类型的电缆铜导体，其值见表1。

式中：xp为计算邻近效应时所用贝塞尔函数的自变量；dc为导体直径；S为导体轴线之间的距离，本工作统一取值300 mm。同时，式（5）适用于三芯

或三根单芯圆形导体电缆邻近效应的计算，即适用于常用的高压电缆。

式中：kp为计算xp时所用的因数，对于不同形状的电缆导体，其值见表1。

根据IEC 60287-1-1，对于不同形状的铜导体，其ks和kp见表1。另外，由于目前国内高压电缆主要采用交联聚乙烯绝缘，因此表1仅引用与之相关的ks和kp数值。

表1 不同类型铜导体的k s和k p值

1.1 800 mm2导体交流电阻

800 mm2导体通常采用紧压圆形或者分割圆形结构，同时采用反向绞合工艺制造，即采用表2中1号或4号类型。根据IEC 60287-1-1，800 mm2铜导体交流电阻的计算值见表2。对于导体直径dc，根据公司经验，1号导体外径为34.0 mm，2号导体外径为35.7 mm，3号导体外径为35.1 mm，4号导体外径外为34.8 mm。

表2 不同类型800 mm2铜导体的交流电阻

由表2可知：对于800 mm2截面导体，2号导体交流电阻最小，1号最大，其中2号、3号、4号分别比1号降低8.06%，5.48%，3.23%；2号、3号比4号降低5.00%，2.33%。

1.2 2 500 mm2导体交流电阻

2 500 mm2导体通常采用分割圆形结构，根据IEC 60287-1-1，2 500 mm2铜导体的交流电阻计算值见表3。对于导体直径dc，根据公司经验，5号导体外径为62.5 mm，6号导体外径为61.6 mm，7号导体外径为61.0 mm。

表3 不同类型2 500 mm2铜导体的交流电阻

由表3可知：对于2 500 mm2截面导体，5号导 体交流电阻最小，7号最大，其中5号、6号比7号分别降低22.73%，9.09%。

综合以上可知，对于800 mm2导体，采用绝缘单丝和圆形分割导体的交流电阻比紧压圆形导体降低8.06%；对于2 500 mm2分割导体，采用绝缘单丝和同向绞合导体的交流电阻分别比反向绞合裸单丝导体降低22.73%和9.09%。因此，对于大截面分割导体来说，采用绝缘单丝（导体表面绝缘处理，包括氧化、漆包线等）和同向绞合工艺，可有效降低导体的交流电阻。

2 高压电缆载流量计算

为了考察铜导体类型对电缆载流量的影响，电缆结构设计按照国家标准GB／T 18890.2要求［2］，采用交联聚乙烯绝缘、皱纹铝护套和聚乙烯外护套，只有导体类型有区别。

按照IEC 60287要求，分别计算空气中和直埋情况下高压电缆的载流量。对于空气中敷设，设定空气温度为40℃、电缆平行敷设、电缆轴向间距为300 mm；直埋时，设定土壤温度为25℃、电缆平行敷设、电缆轴向间距为300 mm、电缆埋深为1.2 m、土壤热阻系数为1.2 K·m／W。

2.1 800 mm2高压电缆的载流量

本工作计算了220 kV 800 mm2电缆不同类型铜导体的载流量，其中电缆仅导体类型有所差别，载流量计算结果见表4。

表4 220 kV 800 mm2电缆不同类型铜导体的载流量

由表4可知：对于220 kV 800 mm2的高压电缆，在相同的敷设环境下，2号的载流量比1号提高了5.17%和4.38%，3号、4号的载流量也有所提高，但是不明显。

2.2 2 500 mm2高压电缆的载流量

本工作计算了220 kV 2 500 mm2电缆不同类型铜导体的载流量，其中电缆仅在导体类型有所差别，载流量计算结果见表5。

表5 220 kV 2 500 mm2电缆不同类型铜导体的载流量

由表5可知：对于220 kV 2 500 mm2的高压电缆，在相同的敷设环境下，在空气和土壤中敷设，5号导体的电缆载流量比7号提高了12.33%和11.11%，6号导体的电缆载流量比7号提高了4.56%和4.13%。

综合以上，对于220 kV 800 mm2高压电缆，绝缘单丝、分割导体的载流量相对于紧压圆形导体载流量提高了4%～5%；对于更大截面的2 500 mm2分割导体高压电缆，绝缘单丝绞合导体的载流量提高更加明显，而同向绞合裸单丝导体相对于反向绞合裸单丝导体，载流量同样有所提高，超过4%。因此，对于大截面高压电缆来说，绝缘单丝即导体单丝表面绝缘处理，包括氧化、漆包线等，以及同向绞合工艺是高压电缆导体的优化方向，可有效提高高压电缆的输送容量。

3 结 论

（1）对于800 mm2导体，采用绝缘单丝和圆形分割导体的交流电阻比紧压圆形导体降低8.06%；对于2 500 mm2分割导体，采用绝缘单丝和同向绞合裸单丝导体的交流电阻分别比反向绞合裸单丝导体降低22.73%和9.09%。

（2）对于220 kV 800 mm2高压电缆，绝缘单丝、分割导体的载流量相对于紧压圆形导体的载流量提高了4%～5%；对于220 kV 2 500 mm2分割导体高压电缆，绝缘单丝的载流量提高更加明显，而同向绞合裸单丝导体相对于反向绞合裸单丝导体，载流量也有所提高。

（3）对于大截面高压电缆，绝缘导体即单丝表面绝缘处理以及同向绞合工艺是高压电缆导体的优化方向，可有效降低导体交流电阻，提高高压电缆的输送容量。