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电缆的过载能力指的是什么? - 无图版
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电力电缆短时容许过载能力及其标准算法
李熙谋
西南电力设计院，四川 成都 610061
摘要：概述了电缆短时容许最高温度限值的有关试验分析、国外标准和短时应急过载能力的IEC、日本标准算法及其应用意义.
关键词：电缆；应急过载能力；短时容许最高温度；短时容许过载电流
0 前言
电缆具有短时超出容许持续载流量的应急过载能力，美、苏、日等早有论述涉及[1～3]，国际大电网会议（CIGRE）技术刊物于70年代陆续刊有相关论述[4]，导致国际电工委员会（IEC）1989年公布了电缆应急额定电流IE（Emergency Current Rating）或称短时容许过载电流的算法标准，即IEC853—2（1989）《电缆周期性和应急额定电流计算第2部分：18/30（36）kV以上电缆的周期性和所有电压的电缆应急额定电流计算》，但该标准对计算所需过载短时容许最高温度θEM及其作用时间t的限制值却未示明，IEC其他标准也无规定。θEM及其t的择取，需依赖于电缆构造特性并满足安全可靠运行为前提，其许可界限在有些先进工业国家标准中被载明。日本JCS第168号E（1995）《电力电缆的容许电流》算法标准中含有IE算式，且给出θEM及其t界限的推荐值。
下面，将对下列项目：常用电缆IE的求算、IEC与JCS两种标准算法、国内外对界定θEM所作有关试验分析、运用IE的实际意义、国外标准中关于θEM和t的规定及其要求等进行逐一介绍。
1 电缆短时容许最高温度值θEM的试验分析
电缆短时应急过载能力取决于θEM及其t，θEM与t的限值显然需满足安全可靠运行，且又不致影响电缆使用寿命。
1.1 满足安全可靠运行
迄今，对常用中压电缆θEM值的探究，通过试验分析已获一定认识，其主要部分简要介绍如下。
（1）美、加曾对15、35kV交联聚乙烯（XLPL）、乙丙橡胶（EPR）电缆7.6m长计12根分别穿入管中进行通电8 h、断电16 h的热循环试验（含101、202、303个周期）；同时以短段（0.2～0.25m）电缆置入烘箱作32～322次热循环试验（8 h加热有2 h保持最高温度），其θEM分别达130℃、145℃、175℃。
此外，又于地中排管（3×3孔）8个孔分穿电缆，以θM为85℃起施加30%～50%过负荷作测试。试验结果主要有： ①130℃及其以上，工频、冲击击穿强度比室温时降低20%～50%，但130～150℃间并未显示与温度的明显依存性，在145℃时仍具有可使用的绝缘性，绝缘的耐张等机械性仅稍有变化；②130℃热循环101次后，绝缘外半导电层出现熔融，但未破坏；③145℃热循环101次后，聚脂薄膜带变脆，PVC外护层变脆出现热裂伤。但130℃时则无变异；④145℃热循环后，屏蔽铜带呈现明显起伏状，屏蔽铜丝有小的压印，但未影响电气性；⑤地下排管内电缆缆芯由85℃始，过载50%达到130℃，历时需15 h。
由此得出中压XLPE、EPR电缆过载达130℃时，运行200～250h是安全的。[5]
（2）德国对中压XLPE电缆的短时过载试验，采用2组10m长的新电缆（150mm2），最高温度达105～150℃，热循环（8h加热、16h冷却）最多有48次。结果主要有：①120℃时XLPE电缆冲击电压强度较90℃时降低明显，105℃以上工频电压下tanδ急剧增大，有热击穿可能，分析其损坏机率将增大；②120℃时外护层用聚乙烯（PE）由于强度比XLPE绝缘层高，加在屏蔽铜丝的压力较大，当电缆为石墨外半导电层时，铜丝压入XLPE绝缘，使电缆场强增大，而当电缆为“三层共挤”时，铜丝只压入厚度充裕的挤出半导电层，就不会使场强增大；③105～150℃时PVC外护层在夹具下产生明显变形；④120℃以内热循环试验的预制式硅橡胶终端、接头均通过符合VDE0278标准要求且完好，只是绕包式、预制式EPR接头虽通过试验但出现变形。
分析认为，XLPR电缆θEM受外护层耐热性制约，当电缆外护层为PVC时，θEM宜取105℃，当电缆具有“三层共挤”构造且为PE外护层时，可取120℃。[7]
（3）国内曾对10 kV、240 mm2铝芯XLPE电缆进行短时过载试验分析，依其额定电流提高约48%即561 A，通电几个周期（加热5 h、冷却3 h）热循环后，检查电缆，见其内半导电层有被挤入缆芯、外半导电层呈起伏状变形（该电缆构造是否“三层共挤”未明示！），绝缘层有1mm左右厚度变化，分析影响电场畸变、发生电树的可能性增加，认为θEM按130℃欠妥、宜不超过105℃。
综上述，XLPE电缆θEM至少为105℃无异议，在明确中压XLPE电缆实现“三层共挤”工艺、PE外护层和改善金属屏蔽层隔离带构造基础上，还有提高θEM达120～130℃的可能。
1.2 按热老化考虑使用寿命不受影响
挤包绝缘电缆在安全可靠运行容许限度内、超过持续长期容许最高温度（θM）工作时，一般规律是温度超出θM越多，其绝缘热老化寿命就越短。
然而，就宏观的长期寿命而论，若将电缆每次过载经历时限给予制约，即过载时高温按照不超过热老化寿命的1/1000，且使在电缆总使用期内出现的高温次数累积被制约，就可认为不致明显地影响电缆使用寿命。持这一观点的意大利比瑞利（Pirelli）公司提出的“热塑性（PVC）绝缘材料和XLPL绝缘材料的寿命曲线和过载曲线”见图1，当XLPE电缆θEM分别为105℃、130℃时，由图中过载曲线D可查得，对应每次容许过载的时间为2天半、6 h，将几乎不影响电缆使用寿命。该曲线确切性虽待核正，但可了解大致定量特征。
|
| 图1 热塑性绝缘材料T11和交联绝缘材料G9的寿命曲线（A和B）与过载曲线（C和D） |
2 国外有关标准中对θEM、t的规定（见表1）
表1 国外有关标准中对θEM、t的规定 |
| 国别 | 标准 | 电压/kV | 电缆绝缘 | θEM/℃ | 相应θEM的容许时间、次数 | 文献 | ||||||||||||||||||||||
| /h•[次(年)]-1 | /h•(使用寿命期)-1 | |||||||||||||||||||||||||||
| 美国 |
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| 瑞典 | SS424 14 24(1980) | 1～24 | XLPE | 130 | 50 | [10] | ||||||||||||||||||||||
| 俄罗斯 | 110 | XLPE | 130 | (100) | (1000) | [11] | ||||||||||||||||||||||
| 日本 |
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| 加拿大 | 安大略电力公司 | 230 | XLPE | 100 | [11] | |||||||||||||||||||||||
| 法国 | HN33-S-4(1986) |
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| [11] | ||||||||||||||||||||||
注：①需注意半导电绝缘屏敝的热变形特性。
②取θEM最大值130℃时，必须注意电缆及其附件经受热机械性等影响的适应能力，应征得制造厂同意。
③需注意金属套的应变、电缆支持钢构的发热影响、充油电缆的油量和油压变化、过负荷的频繁程度。
④OF为自容式充油电缆、θM为85℃。
3 IE计算用IEC853-2方法
挤包绝缘单芯电缆表达式(适于IE≤2.5IR1):
(A)
, 
,
，
,
式中IR1、I1—电缆100%持续额定电流、应急过载前恒定工作电流 (A)
RR、R1、RE—在IR1、I1、IE对应缆芯温度作用下导体交流电阻 (Ω/m)
T1、T2、T3、T4—绝缘层、内衬层、外护层、电缆表面与周围媒质间单位长度热阻 (k·m/W)
Wd—绝缘层的单位长度介质损耗 (W/m)
θR(t)—忽略导体电阻变化按IR作用t时间的缆芯温升 (℃)
θR(t)＝θ(t)/｛1+α[θ(∞)-θ(t)]｝，α＝１／(β＋θi)
β—在0℃时电阻温度系数的倒数，对铜取234.5、铝取228 (℃)
θi、θ0—应急过载前起始的导体温度、环境温度 (℃)
θ(t)—导体对电缆表面的暂态温升
3.1 空气中敷设(适于t>1h)
(℃)
(k·m/W)
(1/s)
(s)
(s2)
(J/m·k)
(s)
式中t—IE作用时间
Wc—导体功率损耗 (W/m)
Qg、Qi、Qs、Qj—导体、绝缘层、金属套、外护层的热容 (J/m·k)
dc、Di和De、Ds—导体、绝缘层的外径和外护层的外径、内径 (m)
λ1—金属套(屏蔽)损耗占导体损耗之比
注：热计算时,半导电层归于绝缘层部分,金属带归于导体或护套部分计。
3.2 直理敷设(适于t>1h)
式中θe(t)表示相等负荷电缆组中最热电缆的表面在环境温度上的暂态温升 (℃)
W1—电缆组中每根电缆单位长度的功率损耗总和 (W/m)
L—最热电缆轴线埋深(m), N—电缆根数
dpK或d′PK—最热电缆P与电缆K的中心间距或K的镜象中心距 (m)
ρT—土壤热阻系数 (k·m/W)
δ—散热系数(若ρT不详δ取0.5×10-6) (m2/s)
土壤热阻系数与散热系数的对应关系见表2。
表2 土壤热阻系数与散热系数对应关系 |
ρT/k·m·w-1 | 0.7～0.8 | 0.9～0.10 | 1.2～1.5 | 2 | 2.5～3.0 |
δ/10-6m2·s-1 | 0.6 | 0.5 | 0.4 | 0.3 | 0.2 |
-Ei(-x)表示指数积分函数，有下列算式：
当0≤x≤1，
，式中a0=-0.5772；a1=1.0；a2=-0.2499；a3=0.0552；a4=-0.0098；a5=0.0011
当1＜x＜8，
，式中a1=2.3347；b1=3.3307;a2=0.2506；b2=1.6815
当X＞8时，-Ei(-x)=0
也可查标准所附“指数积分比例图”(本文略)，或运用计算机求解时采取
其余符号意义则与3.1同。
3.3 电缆穿管埋地敷设(适于t＞1h)
除下列表达式外，均同3.2；但无P′项。
式中T′、T″—管道内空隙、管壁的热阻(k·m/W)，QD—管道的热容(J/m·k)
以上交流电阻、功率损耗、损耗系数、热阻等符号与IEC287同、且表达式已载明，故不赘列。
常用材料的物理常数见表3。
表3 常用材料的物理常数 |
材 料 | 铜 | 铝 | 铅 | 不锈钢 | XLPE | PVC | PE | OF纸 | OF油 | FRP管 |
体积比热/106×J·(m3·k)-1 | 3.45 | 2.5 | 1.45 | 3.8 | 2.4 | 1.7 | 2.4 | 2.0 | 1.7 | 2.0 |
热阻系数/k·m·W-1 |
|
|
|
| 3.5 | 6 | 3.5 | 5.0 | 7.0 | 4.8 |
4 IE计算用JCS第168号E标准方法
该标准载明IE表达式外，标准的解说中还示出按I′E计算对应于各t值的缆芯温度θE(t)算式。
4.1 空气中敷设
(A)
(℃)
式中n—电缆芯数
θ1—应急过载前缆芯工作温度 (℃)
t0—过载电流IE明确特定作用时间(与任意作用时间t区别) (h)
I′E—过载电流(与特定t0算出的IE区别) (A)
α1—电缆的温升时间常数之倒数 (1/h)
α1与电缆型式、截面等构造特征相关，通常对高压XLPE电缆多取α1＝0.6；或α1＝602/QintTint，Qint＝ΣAkCk(J/k·m)
式中Ak—电缆构成各部分(导体、绝缘、屏蔽、金属套、外护层等)横截面 (m2)
Ck-电缆各构成材料的体积比热 (J/m3·k)
其余符号含意同上述第3节。
4.2 直埋或穿管埋地敷设
(A)
(℃)
(k·m/W)
式中α2—土壤、管道部位的温升时间常数之倒数，通常取α2＝0.03 (1/h)
其余符号含意同上述3和4.1。
4.3 α1的更精确算法(适合运用计算机)
标准的解说示出α1有两种算法，即按热等价回路为“1个分支”(简称A法)或“多分支”(简称B法)，上述4.1中α1表达式属A法，而B法的特点是：把电缆绝缘划成内、外层两部分，构成π形集中常数回路，且把涉及因素项顺次按热流构成多分支回路。现以电缆穿管埋地方式为例示出其热等价回路如图2。
设θa、θb、θc、θd为导体、绝缘层、屏蔽或金属套、电缆外表面的温度； (℃)
Qa、Qb、Qc、Qd为导体，绝缘层、金属套(屏蔽层)的近傍与电缆外表面间、土壤或管道部位的热容； (J/m·k)
Ta、Tb、Tc、Td为绝缘内层、绝缘外层、金属套与电缆外表面间、土壤或管道部位的热阻； (k·m/W)
qa、qb、qc、qd和ia、ib、ic、id为对应于Qa～θd的热量和热流。
按热等价回路物理意义成立下列方程组：
由方程式(1)～(8)变换得下列方程组
采取差分法变换，可求出t到t＋Δt时的温度，有
由(13)～(16)式求算qa(t＋Δt)、qb(t＋Δt)、qc(t＋Δt)、qd(t＋Δt)后，再由(1)～(4)式可求得θa～θd。
因而，由过载前工作状态初始温度起，分作反复计算，可对各个t的相应温度值算出。显然实用上宜运用计算机来完成计算。
依这种算法得到
关系曲线、可按θEM对应确定t0，再把t0代入IE表达式算出的α1，就比按“1个分支热等价回路”计算的α1较切合实际，且在大多情况下前者α1较大、意味着导体温度上升较快而偏于安全。
上述符号其含意和关系式补述如下：
Ta＝Tb＝0.5T1， Tc＝T2＋T3， Td＝T4， (k·m/W)
Qa＝Qg＋P1CiV1，Qb＝(1-P1)CiV1＋P1CiV2， (J/m·k)
Qc＝(1-P1)CiV2＋Qs＋Qj，Qd＝[602/α2T4]×102 (α2取0.03) (J/m·k)
V1＝π(Di-dc)dc，V2＝π(Di-dc)Di(m2)，
式中Ci—绝缘层的体积比热 (J/m3·k)
其余符号意义同前。
5 关于两标准算法运用的简述
上述两标准算法的立论有基本共性，如过载的温升依赖时间常数项，同时计入了电缆部位与相关外部因素，即都按电缆在自由空气中与埋地敷设的两类情况分别显示其含有各自热容、热阻的构成要素；且对绝缘层划为两部分，热容、热阻以π形集中参数表征等。
IEC853－2与JCS第168号的主要不同是，把过载时间以TQ/3值为界区分为短时与长时间两类分别考虑，本文只介绍了在工程设计中用得较多的需求电缆允许长时间(t>1h)过载的情况，如果运行中电缆应急过载需考虑短时间(10min～1h)过载的情况，则可查IEC853－2原文以获算法。
IEC853－2与JCS第168号E的精确算法(B法)对暂态过程的数学处理方法上，有其各自特点。后者的实用算法(A)法含有α1、α2经验数据，利于工程计算的简化。现归纳有：
(1)空气中敷设电缆求算IE，两标准算法繁易程度相差不大，JCS第168号E的A法更简。
(2)直埋或穿管埋地敷设的电缆求算IE，IEC853－2与JCS第168号E的B法都很繁复，然而前者可勿需借助计算机来完成，若对精确性不很苛求时，后者A法应用则较简便。
6 电缆应急过载能力运用意义
6.1 按IEC853－2附录F实例，1回400 kV自容式充油电缆1×2000 mm2的IR为1580 A(θm为85℃)，且I1为1195 A运行，按6 h应急过载仍依θm为85℃时，算出IE为2247 A，可较I1增加1.88倍；若θEM按95℃，则较I1可增加2.26倍，或IE达I1的1.993倍时，其t可为24 h。
6.2 按JCS第168号E附录15算例，1回66 kV3×400 mm2 XLPE电缆，正常运行按θM为90℃时的满负荷IR，应急过载125%IR时需确定允许时间to，可通过算出t的导体温度θa，按θEM确定to值，
由式
所算对应值如下表所示(℃)。如取θEM=105℃，则t0为0.85 h(空气中)或2.5 h(穿管埋地)。
表4 应急过载125%IR时，θEM与t的对应关系 |
敷设方式 | IR/A | IE/A | 算法 | 时间t/h | |||||||||
0.5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||||
空气中 | 736 | 920 | A | 95.8 | 100.5 | 107.4 | 112.1 | 115.1 | 117.2 | 118.5 | 119.4 | 120 | 120.4 |
B | 100.6 | 106.6 | 113.8 | 117.5 | 119.3 | 120.3 | 120.8 | 121 | 121.1 | 121.2 | |||
穿管埋地 | 561 | 701 | A | 93.7 | 96.8 | 101.4 | 104.8 | 107.1 | 108.9 | 110.3 | 111.3 | 112.2 | 112.9 |
B | 95.9 | 99.3 | 103.5 | 106 | 107.5 | 108.5 | 109.3 | 110.0 | 110.6 | 111.1 | |||
6.3 前苏联对直埋敷设110kV自容式充油电缆过载能力及其持续时间也曾有其计算，计算结果如下表5〔2〕。
表5 110kV直埋敷设自容式充油电缆过载能力及其持续时间 |
过载时间t/h | 100 | 60 | 55 | 40 | 6.5 | 6.0 | 3.5 |
I1/IR比值% | 80 | 0 | 50 | 801 | 0 | 50 | 80 |
允许IE/IR倍数 | 1.1 | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.4 | 1.4 | 1.4 |
6.4 工程中选择电缆截面或考虑其载流能力时，引入应急短时容许过载IE(IE＞IR)和θEM，可使电缆截面不致选择过大，在充分满足负荷供电需求的同时，减少投资，他有着显著经济效益。现不妨就应急过载的情况例举如下：
(1)有的重要供电方式设置备用电源回路，正常运行方式下长期不带负荷(如发电厂、变电所的备用变压器自用电回路)，仅短时投入备用回路；
(2)不少重要负荷或公用负荷以双回路或环网供电，正常运行时每回(侧)各承担约50%总负荷，当1回(侧)线路故障检修时，另1回(侧)需承担近100%负荷(如城网等供电系统)；
(3)有的电缆正常运行时虽按满负荷IR，但在系统运行方式改变时需短时应急过载。
若只考虑IR，在(1)、(2)情况下依其选择缆芯截面将偏于保守欠经济，(3)情况则不能适应。
而考虑过载能力时，上述3种情况有不同程度的大于IR的IE。就第2种情况以表4中所示空气中敷设电缆的数据为例，若是双回电缆总负荷816 A、正常运行时每回各半，当1回短时停运而另1回需承担总负荷时，依I1=408A算出IE为816 A(θEM=105℃)、且t0可达24 h以上(72 h或稍长)；如果未考虑IE只按IR，则为适应每回短时承担816 A，就将电缆选择增大一挡截面，将造成不必要的浪费。故运用电缆IE的积极意义明显。建议《电力电缆运行规程》、《电力工程电缆设计规范(GB 50217)》修订时考虑纳入，也体现与国际接轨。
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收稿日期：
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