浅析高压电缆缓冲层的设计

总之，对于电缆缓冲层，在设计时除了应考虑缓冲作用、均匀电 场作用以及对于阻水要求的电缆，要有良好的阻水作用外，还应考
令 T4=T1+T3，代表电缆本体热阻，则可以得到电缆本体热阻变化 虑缓冲层的热阻效应。
对电缆载流量的影响关系的表达式：
3 结束语
I
TI
2(T T )
本文讨论了高压电力电缆缓冲层的绕包带及缓冲层与金属套 下气隙对电缆散热条件的影响，导出了缓冲层热阻变化对电缆载流
数，实际上是聚酯纤维、空气的混合热阻系数。阻水带中含有大量静 这个厚度范围内，空气隙的热阻取决于空气隙的厚度。厚度增加，热
ÂÁÃÂÁÁÂÃÁÄÅ 止空气，静止空气的热阻系数约为40K·m/W，比聚酯纤维约高一个 阻变大，厚度减小，热阻也相应变小。
数量级，因此，阻水带的热阻系数很大程度上取决于纤维层中所含
表 3 电缆温升试验结果
由表 2 可以看出，两种电缆本体结构上主要的差别有：(1)2# 电
缆缓冲层采用的是一层金布绕包带，一层半导电阻水带的结构，其
缓冲层的厚度仅 1.0mm；而 1# 电缆则由于生产工艺、阻水功能以及
绕包带选材的不同，采用了 2 层半导电阻水带绕包，单层厚度
1.5mm，两层厚 3mm。这是两种电缆最大的差别。(2)1# 电缆金属套外
科技创新与应用 2012 年 4 月（中）
电力科技
浅析高压电缆缓冲层的设计 朱远标
（中山电力设计院有限公司，广东 中山 528403）
摘 要：本文主要通过两种国产 YJLW03-64/110kV 电力电缆的对比温升试验，对电缆缓冲层的特性进行分析，并对电缆缓冲层 的设计以及工艺的不同对电缆载流量的影响进行讨论和研究。 关 键 词 ：高压电缆；缓冲层；设计；载流量
Á ÁÂ 上述的问题，在国内外都已经得到了广泛的应用。但是因电缆的工
艺不同对电缆的载流量有很大影响，笔者通过试验与理论相结合的
(1)式中，Grg 为热传递作用的表征值；g 为重力常数(m/s2)；α 为体
方式，分析了高压电力电缆缓冲层的结构对电力电缆载流量的影 积膨胀系数(I/K)；△t 为夹层两壁的温度差(℃)；δ 为夹层厚度；为运动



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式中，△θ 为高于环境温度的导体温升(℃)；R 为最高温度下导体
均厚度在 1．0～2．5mm。电缆缆芯与铝套之间的气隙厚度并不均匀。 单位长度的交流电阻(Ω/m)；Wd 为绝缘介质损耗(W/m)；n 为电缆芯
空气隙的厚度不同，空气隙的传热机理也将发生变化，其热传 数；λ1、λ2：分别为电缆金属护套与铠装的损耗系数；T1 为电缆导体与
+, -./
2
JJ4
J*43
110kV XLPE 单芯电缆金属套外无铠装，所以为 0；T3 为电缆外护套
热阻(K·m/W)；T4 为电缆外部热阻(K·m/W)。 对于 110kV XLPE 单芯电缆，可以将式(2)简化为：
△θ=I20R(T1+T3+T4)
(3)
这里假设 T1 发生变化 △T2 时，在电缆导体与金属套之间的温
由表 1 可以看出，阻水带材料的热阻系数在 11.0K·m/W 左右， 大空气隙也是不合理的，因此，想要降低空气隙热阻，应尽量使电缆
远高于所用聚酯纤维编织带的热阻系数 3～7K·m/W，分析其原因主 结构紧凑，但也需考虑运行中可能出现因过紧而导致铝套对绝缘的
要在于阻水带的结构特性。表 1 中的半导电阻水带材料的热阻系 挤压。而当空气隙厚度小到一定程度时，纯热传导将起主要作用。在
3 变压器的经济运行实例 近年来,随着企业内部动能成本考核的不断深入,企业内的一些 生产单位逐步对变压器的运行损耗引起重视,开始对变压器进行经 济运行分析实践,从而取得了一定的经济效益。 某生产车间的 6 台容量为 1000kV·A 的 SJ1000/10 型高耗能配
电变压器,原来全部处于运行状态,在暂不能更新高耗能变压器的情 况下,通过调整变压器之间的负载,合理选择变压器的运行台数,将 变压器的运行台数由原来的 6 台全部投入运行调整到正常时 3 台 运行 1 台备用,减少了变压器的运行损耗,每年因此节约电能 17 万 多 kW·h，按目前电度电费单价 0.52 元/kW·h 计算,每年节约电费 9 万多元。
采用金布绕包带和半导电阻水带配合，作为电缆缓冲层，同时 对半导电阻水带工艺进行控制，尽量减小其中密封静止空气的数 量，保证电缆结构的紧凑，能有效地提升电缆载流量。在无纵向阻水 性能要求时，可以采用挤塑工艺挤制，还可以采用半导电橡胶缓冲 带，而不采用聚酯纤维无纺布制成的半导电带绕包作为缓冲层，这 样也能有效地提高电缆载流量。
可以将电缆的气隙等效为两种情况：一种是水平夹层，厚度
3.0mm；一种为竖直夹层，厚度 1.5mm。以此计算出电缆夹层气隙的
Grg 值。 根据计算与实际测量结果，电缆铝套温度约为 40℃，电缆绕包
带外表面温度约为 50℃。
取两壁平均温度 Tm 约为 45℃(即 318K)，空气特性参数：密度 ρ= 1.128kg/m3，运动粘度 v=l6．96×10-6m2/s，导热系数 λ=0.0276W／(m·K)，
m/W，由于 T3、T4 的变化相对 T1 而言极小，因此△T1≈-0．25，这时根
据式(4)，有： I
T
I
0.25 I 0.102I
2(T T T )
2 1.23
由上式可知，不同厂家同样型号的电缆，2# 电缆的载流能力比 1# 电缆的载流量能力要大 10．2％。
结合本文第 2．1 点的分析，充分说明了缓冲层对于电缆的载流 能力具有显著的影响。
2 电缆缓冲层对电缆载流量的影响
空气的状态和数量。在空气不流动时，纤维层中所保持的空气越多，
当电缆中通过某一电流 I0 时，电缆导体高于环境温度的温升
材料的热阻系数越大。
计算公式为:
1．2 空气隙特性分析
(I R 0.5W )T I (1 ) W nT I R(1
) W n(T T ) (2)
在电缆的绕包带与金属护套之间，留有一定的的气隙，气隙平
度差 θ1 也将随之改变，变化的温度为 △θ1=I20R△T1
将式(3)两边同时微分，可以得到载流量的变化量 △I，与导体和
金属护套之间热阻变化量 △T1 之间的关系式为：
．I ． ． ．T
．I
ÁÃÂÄ2(T．T．T)
(4)
2012 年 4 月（中） 科技创新与应用
表 4 电缆热阻试验推算结果
A T /(K m/W) T /(K m/W) T /(K m/W)
前言
果，从而大大加强空气隙的热传递作用。表征空气的这种热传递作
随着我国社会的发展和进步，城市化进程的加快，传统的架空 用的是 Grg 值。
电力线路由于占有大量的土地资源、影响城市的景观和地块使用，
在极小的有限空间内，这些气隙内空气的流动主要取决于以夹
与城市规划的矛盾越来越突出，而地埋电力电缆由于有效的避免了 层厚度为特征长度的 Grg 值： G g t
ÁÂÁ 面半导电阻水带和双面半导电阻水带。对几种典型的绕包带材料进 ÂÃ 行了热阻系数测试，结果见表l。
水平夹层的 Grg 为:
G 9.8 3.14 10 10 (3.0 10 ) (16.96 10 )
28.88
表 1 常用缓冲材料的热阻
竖直夹层的 Grg 为：
Á ：：：：
：：：：：：：：： ：：：：：：：：： ：：：：：：：：： ：：：：：：：：：
2．1 试验
量影响的表达式，并通过试验证明了电缆缓冲层结构的差异对电缆
选择了两个不同厂家生产的同一种型号 YJLW64/1101×630 电 载流量的影响。
缆，两者结构的不同点主要在于电缆缓冲层的差异。电缆结构参数
通过对两种不同缓冲层的电缆温升试验以及结构对比分析，发
见表 2。
现缓冲层的结构以及缓冲层与金属护套之间配合的紧密程度对电
图 1 典型的 110kV 电缆纵向剖面示意图 1．1 绕包带材料特性分析 对于电缆的不同功能要求，绕包带材料可以采用金属化布、无
相对饱和蒸气压 ρr=0.699。
则空气的体积膨胀系数 α 为：
1 1 3.14 10 (I / K ) T 318
纺布，还可以采用半导电橡胶。带有阻水功能的阻水带可以分为单
递作用也将产生明显差异。间隙大到一定程度时，将会产生对流效 金属护套之间的热阻 (K·m/W)；T2 为金属护套与铠装之间热阻，因
于经济运行状态；(2)有备用变压器的变电所,选择技术特性好的变 压器运行,技术特性差的变压器作为备用；(3)并列运行的变压器应 选择最优组合经济运行；(4)调整变压器之间的负载,合理再分配达 到经济运行；(5)调整变电所之间的变压器,改善损耗特性达到经济 运行；(6)设计选配、淘汰更新变压器时,要分析确定变压器的经济运 行区间和方式。
响。
粘度(m2/s)。
1 电缆缓冲层结构的热阻特性分析 典型的 110kV 电缆的纵向剖面见图 1。图中，金属护套与电缆 绝缘屏蔽之间由两层构成。一层为绕包带，另外一层为绕包带与金 属铝套之间的气隙。缓冲层由绕包层和气隙共同组成。
一般情况下，竖直夹层 Grg≤2860；水平夹层 Grg≤2430，这时夹 层中的热量传递方式为纯热传导。当 Grg 超过上述数值时，夹层内开 始形成对流传热，并且随着 Grg 值的增加，对流越来越剧烈。
径为 88．5mm，2# 电缆为 84.8mm，金属套其他参数相同，这说明 2#