110 kV平滑铝套电缆缓冲层特性及其电气性能研究

黄肖为 张玉成 洪晓东 毛炜 王成珠 岳振国 钟祥钊

摘  要：皱纹铝套高压电缆多次发生缓冲层烧蚀导致故障跳闸，而平滑铝套新型结构是解决高压电缆缓冲烧蚀问题的有效途径之一。该文通过缓冲层电阻试验和有限元仿真，分析平滑铝套与皱纹铝套缓冲层特性。通过测试和计算不同铝套结构电缆的电气性能，对比分析皱纹铝套改用平滑铝套后的性能影响。结果表明，平滑铝套电缆在不同敷设环境下的载流量比皱纹铝套电缆至少提升7.7%，同时线路的无功功率损耗呈现一定的降低，环流和感应电压均与皱纹铝套电缆相差不大。

关键词：高压电缆；平滑铝套；仿真模型；载流量；电阻试验

中图分类号：TM247      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0051-05

Abstract： The fault trip caused by buffer layer ablation of wrinkled aluminum sheathed high voltage cable occurs many times， and the new structure of smooth aluminum sleeve is one of the effective ways to solve the problem of buffer ablation of high voltage cable. In this paper， through buffer layer resistance test and finite element simulation， the characteristics of buffer layer of smooth aluminum sleeve and wrinkled aluminum sleeve are analyzed. By testing and calculating the electrical properties of cables with different aluminum sheath structures， this paper compares and analyzes the performance influence of corrugated aluminum sleeves with smooth aluminum sleeves. The results show that under different laying conditions， the carrying capacity of smooth aluminum sheathed cable is at least 7.7% higher than that of wrinkled aluminum sheathed cable， at the same time， the reactive power loss of the line is reduced to a certain extent， and the circulating current and induced voltage are not much different from that of wrinkled aluminum sheathed cable.

Keywords： high voltage cable; smooth aluminum sleeve; simulation model; current carrying capacity; resistance test

为了进一步实现“双碳”目标，2021年《中国电线电缆行业“十四五”发展指导意见》正式发布，电力电缆及其附件领域进入了向着绿色化、数字化、智能化转型的新发展阶段[1]。高压电缆因其土地资源利用率高、节省走廊面积、受天气影响小等优点，在推进低碳、低能耗的电力系统建设中发挥着重要作用。高压电缆从内到外的组成部分包括：导体层、内半导电层、绝缘层、外半导电层、缓冲层、铠装层和外绝缘等。其中，国内高压电缆的铠装层主要有铅套、皱纹铝套、皱纹铜套等。铅套因其机械强度低、抗拉伸能力弱，同时相对密度大，使得电缆重量大，给运输和安装带来极大的不便，故很少使用。铜套由于造价高，也很少使用。

我国正在运行的高压电缆中90%以上用的均为皱纹铝套。然而，由于皱纹铝套主要与缓冲层呈线性接触，随着运行年限的增加，高压电缆曾多次发生缓冲层与皱纹铝套间的放电烧蚀问题，从而引发电缆本体故障[2-4]。严有祥等[5]通过设计灼烧模拟实验，认为缓冲层与护套间的间隙不利于电缆内部散热，使得正常运行电压下电缆本体产生的泄漏电流会对缓冲层造成灼烧。刘英等[6]通过电-热场耦合仿真，发现缓冲层与皱纹铝套的接触位置易发生电流集中，导致局部温升从而发生烧蚀现象。为了改善这一问题，通常在缓冲层外再缠绕一层金布，使得缓冲层与铝套接触面积最大化，具有更好的电气接触。然而，当金布中的铜丝数量较少而不足以承受工作电压下的充电电流时，同样会对半导电屏蔽层造成损伤[7]。此外，也有学者认为皱纹铝套内部过大的空气热阻会降低电缆的载流量， 且皱纹铝套存在的感应电压会对绝缘线芯产生放电烧蚀[8]。

西方国家主要采用平滑铝套屏蔽结构的高压电缆，该电缆结构使用热熔胶涂覆工艺将铝套和缓冲层紧密连接，阻水性好，弯曲性能优良[9-10]。在缩小电缆半径的同时降低了铝套表面的感应电流，为避免电缆内部的放电烧蚀提供了新的思路。李磊[11]通过对110 kV高压电缆的导体、绝缘层、铝套等进行结构优化，发现其电缆材料消耗明显降低，同时在空气和土壤中的载流量分别提高了17.5%和11.8%；夏云海等[12]对比分析了平滑铝套和皱纹铝套的抗外力机械冲击性能，认为其耐机械冲击基本一致，可以为电缆的施工和运行提供足够的机械保护；冯尧等[13]通过有限元仿真和模拟烧蚀实验对比2种铝套结构，发现平滑铝套能更好地分散因接触不良导致的电流集中，因此，具备更好地抑制缓冲层烧蚀效果；焦宏所等[14]研究发现平滑铝套电缆的感应电压和短路电流较皱纹铝套相比有一定劣势，但不影响其实际运行，同时其载流能力有效提升，放电烧蚀现象减少，提高了线路的安全可靠性。

自我国2010年第一次使用进口500 kV平滑铝套电缆以来，目前，国内已有多家电缆制造商成功研发110、220、330 kV平滑铝套屏蔽结构高压电缆，通过型式试验，开展工程示范应用。但目前平滑铝套高压电缆的应用仍然较少，其结构设计、工艺实现、性能参数等还没有统一的标准。为了进一步改善平滑铝套高压电缆的电气性能，本文通过分析载流量计算、阻抗计算、环流和感应电压测算等电气参数，对比研究了将皱纹铝套改用平滑铝套后的电气性能的影响。

1  平滑铝套与皱纹铝套缓冲层特性对比

1.1  缓冲层电阻试验

1.1.1  试验目的

电缆缓冲层烧蚀很大一部分原因是因为缓冲层接触电阻过大导致，本试验通过对比测试平滑铝套电缆和皱纹铝套电缆接触电阻，评估其平滑铝套电缆缓冲层接触电阻性能。

1.1.2  试验设备

试验设备为电阻测试仪。

1.1.3  试验材料

平滑铝套样品：YJLP03-64/110 kV-1×800 mm2，共5段，编号为1—5，每段长度约1.2 m。

皱纹铝套样品：YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2，共5段，编号为6—10，每段长度约1.2 m。电缆试样外观如图1所示。

1）YJLP03-110 kV-1×800 mm2；

电缆外径96 mm；

绝缘线芯外径74.8 mm；

1#样品金属套长度0.998 m；

2#样品金属套长度0.990 m；

3#样品金属套长度0.994 m；

4#样品金属套长度0.997 m；

5#样品金属套长度1.003 m。

2）YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2；

电缆外径104 mm；

绝缘线芯外径74 mm；

6#样品金属套长度0.985 m；

7#样品金属套长度0.989 m；

8#样品金属套长度0.977 m；

9#样品金属套长度1.000 m；

10#样品金属套长度0.990 m。

1.1.4  试验步骤

将每段电缆两侧铝护套截断10 cm，露出缓冲带，预留靠近铝套3 cm的缓冲层宽度，电缆中间部位把外护套拨开去除，再将沥青或热熔胶擦拭干净，用窄铜带分别绑扎在绝缘外屏蔽和预留的缓冲带上，两端均采用同样绑扎方式，中间铝护套上也绑扎铜带，将高压电缆缓冲层测试设备端口分别接在对应的电极上（图2），分别测试其缓冲层接触电阻，并折算至单位长度和单位面积的接触电阻。

1）测量金属护套和金属丝布带导通性，用万用表测通断，要求有良好的连通性（针对有金属丝布带的高压电缆）。

2）翻起金属丝布带，用绝缘带绕包金属丝布带和金属护套部分，露出缓冲层（针对有金属丝布带的高压电缆）。

3）用铜带绕包缓冲层，要求不能接触半导电层，绕包引出测量端后，用绝缘带包住绕包导线部分。

4）用铜带绕包半导电层，绕包引出测量端后，用绝缘带包住绕包导线部分。

5）样品中间金属护套打磨后，用铜带绕包金属护套，绕包引出测量端后，用绝缘带包住绕包导线部分。

6）取一端金属线芯打入钢钉。

7）接线，P，T，N3个端子，P端接两端半导电及一端线芯引出测量端，T端接中间金属引出测量端，N端接两端缓冲层引出测量端。

8）使用高压电缆缓冲层测试系统，输入温度、湿度、电压等级、线芯截面规格、金属套长度和绝缘线芯外径等，进行测量。

1.1.5  测试结果

由测试结果（表1）可知，平滑铝套电缆缓冲层电阻率为1.0～3.0 Ω·m2，远低于皱纹铝套电缆13.0～19.0 Ω·m2，由于平滑铝套电缆缓冲层电阻的减小，平滑铝套电缆将大幅减少高压电缆缓冲层烧蚀的问题。

1.2  缓冲层电流密度

采用有限元仿真软件对截面积800 mm2，绝缘厚度16 mm的110 kV XLPE绝缘平滑铝套电缆和皱纹铝套电缆缓冲层电流密度进行计算，缓冲层的电导率和介电常数分别设置为受潮后的1×10-5 S/m和1 000，皱纹铝套电缆设置缓冲层与铝套过盈配合0.1 mm。得到的缓冲层电流分布如图3所示。

即使皱纹铝套电缆缓冲层已经与铝套进行了一定程度的过盈配合，理论上缓冲层的电流密度较铝套与缓冲层接触不良情况下有所降低，但是皱纹铝套电缆缓冲层的电流密度较平滑铝套仍分布得极不均匀。皱纹铝套电缆缓冲层电流密度呈现双峰形式轴向分布，电流密度最大值分布在缓冲层、铝套与空气三者接触处，电流密度最大值的数值能够达到平滑铝套电缆的100倍左右，会导致缓冲层发热严重。

平滑铝套电缆缓冲层电流密度较小，且分布均匀，一方面电流密度小导致局部产热功率减小，另一方面电流密度分布均匀，有利于缓冲层散热。因此，平滑铝套电缆较皱纹铝套电缆相比，减小了发生缓冲层烧蚀的可能性。

2  电气性能对比分析

2.1  载流量计算

根据IEC 60287—2006标准，载流量计算公式如式（1）所示[15]

式中：I为单根导体通过的电流，A；Δθ为高于环境温度的导体温升，℃；R为最高工作温度，90 ℃下导体单位长度的交流电阻，Ω/m；Wd为导体绝缘单位长度的介质损耗，W/m；T1为单根导体与金属套之间单位长度热阻（绝缘热阻），K·m/W；T2为金属护套与铠装层之间内衬层单位长度热阻，K·m/W；T3为电缆外护层单位长度热阻，K·m/W；T4为电缆表面和周围介质之间单位长度热阻，K·m/W；n为电缆中符合的导体数（导体截面相等，负载相同）；λ1为护套和屏蔽损耗因数；λ2为金属铠装损耗因数。

选取800 mm2的110 kV电缆作为研究对象，对比分析皱纹铝套和平滑铝套电缆在不同敷设环境下的载流量变化。其中，敷设方式采用平行敷设，辐射环境分别为空气、直埋、管道敷设。空气中温度选取为30 ℃；土壤中选取温度为20 ℃，埋深1 m，土壤热阻系数为1.2 K·m/W；管道中选取PE管道热阻系数为3.5 K·m/W，管道外径为260 mm，管道内径为250 mm。计算结果如图4所示。

由图4可知，当导体运行温度为90 ℃时，110 kV皱纹铝套电缆在空气、管道、直埋敷设环境下的载流量分别为1 219、922、965 A，而平滑铝套在3种敷设方式下的载流量分别为1 469、993、1 053 A，相较于皱纹铝套分别提升了20.51%、7.70%、9.12%。由此可见，平滑铝套结构能够显著提升电缆运行的载流量。

为了进一步验证2种护套结构对电缆运行载流量的影响，同样选取2种800 mm2的110 kV电缆，送往电力工业电气设备质量检验测试中心进行空气敷设条件下的载流量测试。试验回路的布置按产品标准规定，电缆的有效长度不少于10 m，弯曲直径不小于弯曲试验项目中规定的要求值。电缆样品离地面、墙面等不小于200 mm。调整电流值使导体温度稳定在90 ℃，测试过程不少于5 h，结束前30 min保持温度和电流稳定，其测试结果见表2。

根据表2中的结果，皱纹铝套的载流量为1 500 A，平滑铝套的载流量为1 760 A，同比提高了17.33%，计算结果与理论计算值基本一致。

2.2  阻抗计算

选取国网浙江省电力有限公司杭州供电公司白洋变电站到新港变电站之间的两回线路白新1003线和新港1004线作为试验线路。白新1003线和新港1004线全长3 497 m，采用型号为YJW03-64/110 kV的皱纹铝套电缆，截面积为1×630 mm2。2020年在每回线路上额外敷设了长为555 m的平滑铝套电缆，在运行1年后，测量其正序阻抗和零序阻抗，并将数据和皱纹铝套电缆进行对比。工频下待测电缆的阻抗及阻抗角如式（2）和式（3）所示

式中：Z为阻抗值；R为电阻值；X为电抗值；?为阻抗角。经计算，工频工作状态下白新1003线和新港1004线换装平滑铝套电缆前后，每公里的正序阻抗值和零序阻抗值见表3和表4。

从测试结果可以看出，在换装平滑铝套电缆后，每公里电缆的零序电阻和正序电阻略微增大，零序电抗和正序电抗略微减小，零序阻抗和正序阻抗略微减小，零序阻抗角和正序阻抗角略微减小。由于阻抗角减小，线路无功功率损耗会进一步降低，维持电压保持在正常水平，缓解电力系统调压压力，从而保证电压质量。

2.3  接地箱环流和感应电压

同样选取白新1003线和新港1004线作为试验线路。使用MG3-2型钳形电表测试平滑铝套电缆段的接地箱环流和感应电压，并和皱纹铝套电缆段的数据进行对比。接地箱环流和感应电压测试结果见表5和表6。

若环流过大，则会造成电缆损耗发热，导致电缆局部发热影响载流量，加速绝缘老化，危及电缆线路的安全运行。由表5可知，将皱纹铝套电缆更换为平滑铝套电缆后，环流结果相差不大，进一步说明了平滑铝套电缆的可行性。

由表6可知，在更换为平滑铝套电缆后，接地箱感应电压同样相差不大，可见平滑铝套电缆可以代替皱纹铝套电缆正常使用。

3  结论

本文介绍了平滑铝套电缆缓冲层特性，以及电气性能和机械性能评估。通过试验测试、模拟仿真、理论数据计算、第三方检测和工程数据测算等方法，对比分析了平滑铝套电缆和皱纹铝套电缆的性能差异，得到主要结论如下。

1）通过对比平滑铝套与皱纹铝套电缆缓冲层电阻试验，相比皱纹铝套电缆，平滑铝套电缆拥有更低的缓冲层电阻，对解决高压电缆缓冲层烧蚀有积极的作用，相比皱纹铝套电缆更不容易发生电腐蚀。

2）根据有限元仿真结果表明，平滑铝套电缆缓冲层电流密度更小，分布均匀，局部产热功率也随之减小，电流密度分布均匀，有利于缓冲层散热。因此，平滑铝套电缆与皱纹铝套电缆相比，减小了发生缓冲层烧蚀的可能性。

3）载流量计算结果表明，平滑铝套电缆在空气、管道、直埋敷设环境下的载流量比皱纹铝套电缆分别提升了20.51%、7.70%、9.12%，实际测算与理论结果基本一致。工程测算结果表明，换装平滑铝套电缆后阻抗角减小，线路无功功率损耗会进一步降低。环流和感应电压结果相差不大，平滑铝套综合性能的提升，可以更好地保护电缆线路的安全运行。

4）弯曲性能测试及仿真结果表明，当外护套厚度不小于4 mm时，平滑铝套电缆最低能通过13.8倍电缆直径的弯曲测试，解决了平滑铝套电缆相较于皱纹铝套电缆弯曲性能较差的问题。侧压力测试同样证明了平滑铝套电缆良好的机械特性。

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