天大自动化学院绝缘技术课件.ppt

第七章电力电缆载流量计算*1载流量问题Date2目标• 学习1. 电缆载流量计算的意义2. 电缆工作原理3. 国际标准• 理解1. 不同计算类型之间有什么差别？2. 国际标准的作用Date3电缆载流量？电缆载流量研究通常是在给定导体最大运行温度的条件下，计算导体允许通过的最大电流电流引起了电缆的发热，电流容量的限制取决于可以接受的导体温度有时候可以给定电流值，研究电缆内部和电缆周围环境的温度分布Date4载流量定义l稳态或连续态载流量 －电缆长期运行期间，不超过正常额定温度条件下，所能承载的电流l应急时期载流量 － 较长一段时间内（一般在2到300小时），电缆暂时超过正常额定温 度时能够承载的电流l瞬态载流量 － 短期内（一般在2小时以下），电缆产生的大部分热量储存在电缆本 身内部，温度暂时超过额定温度情况下的电流l故障电流容量 －在故障检修时 ，电缆护套/屏蔽或导体允许通过的电流(一般小于1秒) ，在这种情况下，通常假设电缆处于绝热状态传统的载流量研究的对象是前三种情况之一Date5基本的载流量问题l给定电缆的尺寸、结构、工作电压和敷设条件，电缆最大承载多大 电流才不至于超过允许的最大温度？l通常考虑导体最大温度，但事实上所关注的是和导体紧密相邻的绝 缘层的温度。

－ 纸:85℃（常态），100－110℃（应急状态） －XLPE： 90℃（常态），105－130℃（应急状态） －LDPE： 75℃（常态），95℃（应急状态） －EPR：90℃（常态），130℃（应急状态） － 有时候热传递和分布的数值与金属屏蔽/护套的构造相关（特别 是对于 X LPE电缆） － 在外部热环境未知的情况下，AEIC推荐把上述数值减少10℃Date6载流量计算工具l通常要重复多次冗长的计算各种工具可以帮助用户计算载流量， 而不用重复费时的手工计算 －已出版的载流量表IEEE标准电缆载流量表，Std 835-1994 － 生产商提供的数据表，产品手册，或者技术支持服务 － CymeCAP 程序(Cyme 国际) － PCAmp (PDC)程序 － UTWorkstation 和 DTCR (EPRI)程序 － USAmp+ （USi） － 工程人员开发的多种程序表，如：MathCAD软件或者MAPLE软 件工作表Date7基本原理每种电力电缆至少由两部分组成：— 把电流运载到延伸端设备的金属导体；—把导体隔离并防止电流泄漏的电绝缘（电介质） Date8基本原理包围导体的绝缘层产生了一个电压分压器，这个分压器由从导体到绝缘层外表面的阻抗和从绝缘层外表面到大地表面之间的阻抗串联组成。

Date9基本原理•当一个绝缘导体靠近地表时，电场线必须弯曲更多来保证电场线以所需的角度在接地表面终结•由于等位线垂直于电场线，因而电场线的弯曲引起了绝缘表面电位的改变Date10基本原理l为了避免表面放电 ，在绝缘层外包覆 半导电屏蔽层l尽管如此，一个问 题的解决产生了另 一个问题即，要 考虑两个电容的影 响Date11l半导电层的充电电流由与半导电层紧密接触的金属层控制l绝缘屏蔽接地后，使得电压应力完全限制在绝缘层内基本原理Date12l为了让不规则表面的电场变得平滑，导体外面添加了一层半导电层基本原理Date13影响电缆载流量的因素l电力电缆的载流量取决于电缆的结构和安装方式l目前世界上有多种电缆的结构形式l安装方式也变化多样Date14电缆型式和结构Date15目标• 学习• 理解电缆的不同部分在载流量计算中的作用最常用电缆的结构Date16电缆类型• 三芯电缆最高电压可达132kV－ 绝缘：油纸 或者 XLPE－ 主要用于配电Date17电缆类型LPFF 低压液体填充• 单芯电缆 (a) 到 (d) • 三芯电缆 (e) 到 (g)Date18管型比同等的LPFF电缆载流量低，但是更容易敷设。

Date19挤包绝缘电缆l起初大部分用在低压电缆目前能够生 产高达500kV的XLPE电缆在加拿大 多伦多，首根230kV电缆于10年前敷设 l与充油电缆相比，挤包电缆的优点 － 连接较简单－ 易于管理－ 没有油和昂贵的辅助设备－ 更好的热性能l与油纸电缆相比，挤包电缆的缺点 － 价格较昂贵－ 高电压下的可靠性未得到证实Date20电缆的组成部分l电力电缆至少 由两部分组成 ：l导电体l导体绝缘Date21l更复杂的电缆 构造包含多个 同心层电缆的组成部分Date22电缆结构－导体l导体可以是圆的或者 其他成形状l可以绞合或者紧压成 型l可以被分成几块扇形 l组成导体的单线可以 是裸线或者有绝缘Date23l导体由铜或者铝制成l载流量计算中一个重要的参数是导体的截面积l导体的设计遵循逐级划分的一个标称截面积范围实践中 ，使用下面两种范围： － 在北美和部分南美国家，电缆截面积是基于美国线规 （AWG），最大到4/0，即107mm２，更大的截面用千圆 密耳 (kcmil)表示１密耳等于千分之一英寸，一个圆密 耳相当于周长为一个密耳的实心圆棒的面积密耳与毫米 的转换公式为1mil=0.0254mm。

－ 在所有其他国家，导体截面积是用公制体系定义 (mm ２),并采用IEC 60228 (1978, 1982, 2004) 规定的尺寸电缆结构－导体Date24l通常，电缆的截面积越大，承载电流的能力也越大－对于自然冷却的传统电缆，我们可以认为，若要载流量加倍，近似地需要把导体面积变为原来的四倍例如，要把230kV电缆的容量从300增加到600MVA，需要把电缆的截面积从铜芯800 mm２增加到3200 mm２ 或者铝芯4800 mm２ －因为目前的技术水平，实际上不可能生产导体截面积大于3000 mm２的电缆，所以大容量电力传输需要特殊的冷却措施，或者每相采用几根电缆输运电缆结构－导体Date25l电绝缘的作用是阻止电荷从带电导体流向大地 或者临近的导体l能够用于地下或者封闭环境以把导体与地或者 其他导体隔离的绝缘材料只有几种这些材料 是： － 油浸纸带， － 固体绝缘，如聚乙烯，乙丙橡胶，以及 － 最近开发的聚丙烯(PPL)，以及压力气体绝 缘(如六氟化硫SF6)电缆结构－绝缘Date26电缆结构－绝缘l纸绝缘和固体绝缘在交流电压作用下，它们像 一些大的电容器，内部有充电电流流动。

电压 方向的每一次改变(即每秒50或60次)，引起绝 缘体内电子重新取向所需要的能量产生了热量 ，并导致电能损耗，它应该与导体损耗区分开 来l充电电流的大小是绝缘介电常数，电缆长度， 电缆尺寸，以及运行电压的函数Date27l电力系统用到的各种 电缆类型通常用它们 采用的基本绝缘体类 型来区分电缆结构－绝缘Date28l用矿物油或者合成油浸渍的绝缘纸电缆需 要有金属防护套l合成绝缘材料 － 不需要沉重而又昂贵的金属防护套 － 连接简单 － 没有液体流动产生的问题l 总的来说，与油浸纸相比，合成绝缘材料具 有较小的介质损耗和较低的热阻系数电缆结构－绝缘Date29l绝缘类型对电缆载流量计算有很大影响从 热学角度来看，一种好的绝缘材料应该具有 低的热阻系数，以及产生低的介质损耗一 个典型的例子就是交联聚乙烯(XLPE).l所有现代的电力电缆结构中，导体和绝缘外 部都包裹有半导电屏蔽层对于热计算，这 些屏蔽层都考虑为绝缘的一部分电缆结构－绝缘Date30导体工作温度l纸绝缘电缆— 65 ℃ - 80℃l热塑性材料(PVC，PE)在75 ℃以上机械强度变低(分子 长链之间的自由移动更容易)l热固性绝缘材料(XLPE，EPR)通过分子之间的交联，具 有更好得多的机械性能。

Date31半导电和金属屏蔽l耐压超过5kV的所有电缆周围都要用导体屏 蔽l来减轻成束导体周围的电场应力l绝缘屏蔽用来把电场限制在电缆内部，以获 得电力线的径向分布，防止电缆通过感应电 势和架空线连通，同时限制射频干扰l金属屏蔽作为绝缘屏蔽，通常由薄的铜带或 铝带制成金属屏蔽最好接地Date32l金属套具有两个作用 －保护绝缘 －发生故障时传输回流l同心中性线由铜或铝制成，主要担任上面第二种 角色l当电缆结构有实体金属套时，通常由铅或者铝制 成铅套，特别是对于大电缆，需要用金属带来 增加强度l铝套可以是平滑状或者波纹状的电缆结构 －金属套/同心中性线Date33l出于安全考虑，金属屏蔽层总是至少在一处接地l金属屏蔽层的接地对电缆载流量的计算有着重要影 响l带护套和同心中性线的单芯电缆组成的三相系统， 金属套互连方式和电缆沟填埋物质的热阻系数是影 响电缆载流量计算的最重要因素，这些都可以由线 路的业主加以控制电缆结构 －金属套/同心中性线Date34同心中性线相导体 相绝缘 中性接地导体组合，裸铜线 PVC护套同心线（通常是铜线）用作中性线，通常沿线路多点接地Date35l铠装保护层，通常由钢丝或者钢带制成。

l钢制铠装应用于单芯电缆时，可以产生很大 的磁滞效应以及环流损耗，降低了电缆的载 流量l为了减少磁损耗，对于这种电缆，最好用非 磁性材料如铝或者铜来制作电缆结构－铠装Date36l大多数电力电缆都有外部保护层 －通常，外护套挤包在金属套或者铠装层上面； －聚乙烯PE或者聚氯乙烯PVC是最常用的材料 ； －铠装的电缆外面，有时用复合黄麻或者纤维材 料作为铠装外被层通常在铠装电缆的金属套 和铠装层之间添加一层非导电层这层材料称 为铠装内衬层，通常由和铠装外被层一样的材 料制成电缆结构－外保护层Date37电缆安装敷设Date38目的• 学习• 理解－ 安装条件对电缆载流量的影响－ 电缆是怎样敷设的－ 特殊回填土的作用是什么Date39电缆的敷设l绝缘电力电缆敷设在地下或者空气中重要 的是要注意：－ 电缆载流量计算中用到的环境温度是指气 候条件；－ 电缆敷设方式是指：在地下，空气中，敞 开空间，或者在建筑物内，或者水下Date40l电缆最常见的敷设方式是直埋在深度约为1m(3-4英尺)的土壤中，l对于由单芯电缆组成的三相线路，典型的直埋方式如右图所示电缆的敷设(a) 三角形敷设(b) 平行接触敷设(c) 平行非接触敷设Date41l在市区，经常需要把大量的电缆回路敷设在一个电缆沟（trench）内。

－ 在这种情况下，采用一种特殊的混凝土结构，它带有分布间隔均匀的孔来容纳电缆每个孔内通常衬有塑料管，大都用PE或者PVC制成这种构筑物通常叫做电缆排管（duct bank）电缆的敷设Date42l在美国，高压输 电的主要方式是 采用钢管电缆 这种形式电缆是 将三根油浸纸绝 缘电缆装在一根 带有保护涂层的 钢管内，然后填 充绝缘油，或者 绝缘气体电缆的敷设Date43l有时候，为了使载流 量最大化，地下电缆 的周围用比本地土壤 具有更好导热性能的 材料填充这种附加 的材料称作回填土 （thermal backfill）电缆的敷设Date44电力电缆中的热源Date45目标• 学习• 理解－ 为什么对不同的应用环境选择合适的电缆类型很重要？－ 为什么互联方式对载流量的研究非常重要？－ 电缆中在哪里产生热量；－ 电缆的交流电阻如何计算；－ 介质损耗如何计算－ 电缆线路的金属屏蔽如何互联和接地Date46电力电缆中的热源l电缆中的以下组成部分会产生热量 ：－ 导体－ 绝缘（介质损耗）－ 金属套/同轴中性线－ 铠装－ 管道Date47导体损耗l基本上，这些能量损耗也称作焦耳损耗，可 以用一个标准公式 Wc=I2R 来计算，这里－ I 是电流有效值（rms），－ R是工作温度下的导体交流电阻。

Date48导体电阻Date49节距Date50lys 和yp分别是 集肤效应系数 和邻近效应系 数导体电阻Date51集肤效应Date52交流电阻l分割导体和非分割导体的交直流电阻比的比 较: (a)圆形导体， (b)分割导体的测量 值，(c)分割导体计算值Date53。