单芯钢丝铠装电缆问题探讨

单芯钢丝铠装电缆问题探讨

    通过试验和现场资料的分析以及搜集到的资料表明,单芯钢丝铠装电缆结构设计、选材和运行合理性等诸多问题逐渐引起人们的关注。单芯钢丝铠装电缆的铠装损耗越来越引起人们的关注，国内采用单芯钢丝铠装电缆给多处工程带来麻烦和经济损失。用户关注的敏感性及重视程度远大于电缆制造厂对这一问题的思考。资料[1]中对这一问题进行了论述并列举了国内敷设单芯钢丝铠装电缆线路情况。并提出国内单芯电缆钢丝铠装采用隔磁结构是与世不同的“怪”产品。应该与国外接轨，取消铜丝隔磁结构。

    60年代中期敷设了上海过黄浦江电缆，选用意大利比瑞利的220kV充油铅套PE护套铝合金丝铠装,厂方采用非磁性铠装，消除钢丝的磁损耗.能提高输送容量。国外也有采用硬铜合金丝铠装（原文作者认为采用非磁性铠装是一种误导）。60年代后期南京和安庆110KV充油单芯海缆工程曾设想生产非磁性铠装，因国内没有铝合金丝产品，就改用铜丝隔磁设计。在钢丝铠装中间均匀分布3到4根铜丝是单芯电缆外不形成闭合磁路。自从那时起至今国产超高压单芯海缆全部采用隔磁结构铠装。（这是否起源于我国有待于考证-摘录者自言）。

    文章又列举几个引进工程，1987年广东虎门220KV充油铅套PE护套钢丝铠装PLP外护层海缆。由日本住友供货。采用φ8 mm镀锌钢丝45根。为了提高输送容量，在铅套与PE护套间有24根扁平导线共240mm2。回流导体的作用是降低金属套阻抗，以降低护套损耗提高输送容量。1989年厦门集美至高崎跨海峡海缆，220Kv1×630mm2铜芯充油铅套HDPE护层钢丝铠装PLP外护层海缆。由法国阿尔卡特供货。采用Φ7.6mm镀锌钢丝41根。1998年北京供电局敷设在湖里的水底电缆，15kV 1×300mm2铜芯XLPE铅套钢丝铠装PE外护层电缆。由法国阿尔卡特供货。铠装采用φ7 mm镀锌钢丝23根。厂商认为钢丝表面镀锌，其排列不是十分紧密，钢丝间被外护层的防腐剂（如沥青）所填充，不会形成闭合的磁回路，不会产生额外的护套损耗。

    文章说国产单芯交流海底电缆钢丝铠装的结构自60年代开始至今一直采用隔磁钢丝结构设计。而所有国外进口的单芯交流海底电缆的钢丝全采用镀锌钢丝设计，制造厂认为从理论和实际运行记录上看没有必要采取隔磁设计。为了使我国海缆的结构与国外产品相似，文章作者的观点是取消隔磁结构。不仅是海缆，110kV XLPE电缆等都应该作相应的修改。

    以上是国内外高压和超高压电缆用于水下敷设时单芯钢丝铠装结构方面的情况。对于35kV及以下电缆由于国家标准中规定采用铜丝隔磁结构，所以各个制造厂基本都是按标准制造。设计部门和使用部门也选用此类电缆。出问题的大有其在。

    镇海炼化第二热电站1＃发电机组至变压器采用的是8.7/10kV1×500mm2 YJV32 φ3.15镀锌钢丝铠装，并用4根铜丝隔磁。电缆烧毁的除了成束敷设方面的原因外，钢丝是造成电缆烧毁的原因之一。

    某电站采用1×400mm2 YJV32 交联聚乙烯绝缘电缆15根，每相5跟并联。（先不分析其选择电缆型号是否合理。）试运行后发现载流能力远小于设计的载流能力。用户提出是否是钢丝铠装损耗太大的缘故。故提出要做试验进行验证。本文就是针对该工程对单芯钢丝铠装电缆进行了载流量试验。用试验数据和现场测试数据来说话。重点从铠装材质和运行方面来探讨为今后电缆结构合理设计提供资料。

2．试验和现场测试资料 

    2．1 试验与计算资料 

    模拟某电缆线路工程进行试验。8.7/15 kV 1×400 mm2 YJV32 交联聚乙烯绝缘单芯钢丝铠装电缆。其试样结构尺寸列于表2-1。

    注: 导体屏蔽层厚度为0.8 mm.绝缘屏蔽层厚度为0.6 mm.铜带厚度0.2mm。包带厚度0.2mm。

    钢丝直径φ2.5mm 4根等直径的铜丝均匀分开作为隔磁。

    空气中敷设，不同的排列方式下载流量试验数据及相关参数列于表2-2中。

    注：* 根据测量表面的部位不同，温度相差较大。 

    ** s – 相邻电缆轴心之间距。 De – 电缆外径 

    按照IEC 60287标准根据试样尺寸对单芯钢丝铠装电缆进行了载流量计算，计算结果列于表2-3。 　

    注：* 工作温度下的导体的交流电阻（Ω/m） .

    ** 铠装钢丝损耗（根据试验时铠装损耗推算值计算而得）。 

    平面排列，电缆中心间距为2根电缆外径(De)。 

2．2 现场资料

    某工程现场电缆排列如图2-1所示。测试资料经过整理汇总如下。根据＃1～＃2机组电流分配数据计算出电缆线芯和表面的温度列于表2-4和表2-5。计算线芯温度和表面温度所采用的参数如下：

    根据测量电流而推算出线芯温度和表面温度。采用的参数是YJV32电缆的计算参数值(如交流电阻和热阻)和试验参数(如钢丝损耗等)。 

    图 2-1 电缆排列示意图

    表 2-4 ＃1机组 31 MW 1800 A 

    * 每一线路由三根单芯电缆呈三角形排列，彼此之间有一间隙。

    * 由于阻抗引起电流分配不均。

    * 每一线路由三根单芯电缆呈三角形排列，彼此之间有一间隙。

    * 由于阻抗引起电流分配不均。

    3.1 载流量下降

    首先探讨单芯钢丝铠装电缆在相同工作温度和相同环境条件下为什么载流量要比非铠装电缆载流量要小得多？其中主要原因是铠装钢丝损耗太大。在三角形排列情况下钢丝的磁滞和涡流损耗是线芯损耗的3倍多。平面排列是线芯损耗的2倍多。即使是分离敷设（电缆中心之间距大于2倍的电缆外径），钢丝损耗也是线芯损耗的2倍多。载流量是非钢丝铠装单芯电缆载流量的57%（相互接触三角形排列）和64%（间隙为1个电缆外径平面排列）。从热阻方面考虑，有于钢丝电缆比同截面的非钢丝铠装电缆外径大得多（大约1.2倍）。空气中敷设时其外部热阻要比非钢丝铠装电缆小（大约是0.80%）。虽然钢丝铠装多了内衬层热阻，其增加绝对值与外部热阻的减小几乎相抵消。所以说铠装损耗在这里起着绝对作用。这是载流量降低的主要原因。

    3.2 铠装损耗

    单芯电缆钢丝铠装损耗为什么这么大？其损耗原因主要是磁滞和涡流损耗起决定性作用。这些损耗都与磁场强度有关，而磁场强度又与线芯电流有关。当钢丝单点互连时，铠装不存在环流损耗。电缆是相当于无限长直导线，其线芯电流在本电缆钢丝中的电场远大于其它相邻电缆电流在该钢丝中的电场，认为钢丝损耗主要是本电缆线芯电流引起的。三根单芯呈三角形排列运行于三相系统和三根单芯呈三角形排列串联运行于单相系统中，根据表2-2 试验资料（单相）和现场的测量资料（三相）反映到载流能力和温度两个参数来分析在三角形排列时两者的钢丝铠装损耗是接近的。这仅仅是就该组数据而言。因试验条件限制无法进行三相系统试验。通过表3-1的计算温度参数至少可以说明电缆呈三角形排列时单相的试验数据（载流量）与三相系统下在现场排列方式下的测量电流是相近的。

    注：① 试验与现场电缆都呈三角形排列，但现场的三角形中有一胶木条隔开。

    ② 计算值（根据电流和热阻计算）。

    ③ 为便于比较已将表2-2的试验数据已换算到环境温度38.5℃时的等效值。

    ④ 三角形电缆组的表面温度随部位的不同相差很大，表中数据仅供参考。

    3.3 隔磁是伪概念

    通过实验和现场资料表明，单芯钢丝铠装其隔磁结构是不起作用的。钢丝是磁性材料，铜丝是非磁性材料，在导体中有交变电流通过时，在钢丝部位由于有铜丝插入可能引起磁力线崎变，但不能中断。交变电磁场在钢丝中由于磁化强度总是要落后于磁场强度的变化(磁滞现象)，铁磁体反复磁化时磁体分子的位相不断地改变，分子振荡加剧，要发热，温度增高。使分子振动加剧的能量是由维持磁化场电流的电源所供给的。在交变磁场中钢丝中也产生应电流，这种应电流在钢丝体内自己闭合形成涡流。由于电阻很小，涡流强度可以很大，是钢丝放出大量热量。其热能也是源于维持磁化场电流的电源所供给的。通过实验和现场测量表明这种隔磁结构是个伪概念。从定量计算比较复杂，IEC 60287 标准中仅对电缆间隔10m的海底敷设单芯钢丝铠装电缆提出铠装损耗与线芯损耗相等的计算方法。在没有计算方法之前最好通过试验解决单芯钢丝铠装电缆载流能力。对于正在考虑的问题，采用试验方法解决是符合IEC标准的解决问题的原则的。幸好上海电缆研究所在60年代就建造了电缆载流量试验基地，现在已改建成符合国家级要求的试验室。有一整套载流量测试设备。除了一般性电缆外，还为特殊电缆热性能试验服务。

    结论

    通过上述分析至少可以取得两点收获：

    1 单芯钢丝铠装电缆载流量远远小于同截面非铠装单芯电缆，千万不能按非铠装电缆选择载流量（可以说100%厂家提供的载流量都是错误的）。

    2 钢丝铠装损耗远远大于线芯损耗，隔磁结构实际上是虚设的，不起作用。隔磁是一个伪概念。

    综上所述，对单芯钢丝铠装电缆而言由于铠装磁损耗造成了载流量减小。这是单芯钢丝铠装电缆致命的缺点。但是单芯钢丝铠装电缆又有其能承受拉力和强大的外来机械力的作用，实际上也是不可缺少的产品。如江河湖海敷设的海底电缆。因此，建议采用：

    1单芯电缆非磁性铠装（如不锈钢丝、铜合金或铝合金丝），这绝不是误导。

    2 一定要选择钢丝者采用镀锌钢丝，并涂以防腐层，钢丝之间彼此隔开。资料[1]说国外厂家认为可以到隔磁作用。但笔者认为这与采用铜丝隔磁作用没有多大区别。可以做个试验来验证一下。不在这里加以评论。

    3 除江河湖海水底及承受巨大拉力特殊情况外，通常情况下不易选用单芯钢丝铠装电缆，如隧道、托架等不承受拉力和或可以预料的外来机械力不是很大时。

    另外，建议修改电缆标准其中的单芯钢丝铠装电缆采用铜丝隔磁结构改为采用非磁性材质作为铠装丝。