断续负载条件下中低压电力电缆载流特性研究.pdf

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1、2 0 0 8年第 3期 No 3 20 0 8 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca bl e 2 0 0 8年 6月 断续负载条件下 中低压 电力 电缆载流特性研究 徐 晓峰 ， 孙 建生 ， 曲文波 ( 上海 电缆研 究所 ， 上海 2 0 0 0 9 3 ) 摘要 ： 在某些断 续负载 、 大传输容量的应 用中， 为确保供给 电能 的中低压 电力 电缆安 全可 靠地 工作 ， 需要预 测 其栽流特性 。本文主要 针对断续 负载条件 下中低压 电缆的非稳 态发 热过程及 相关 问题 ， 一 方面从理论 角度 解决 电缆在特 定负载条件下的发热特性 问题 ；

2、另一方 面， 结合 具体载流试验 ， 分析 电缆 的发 热过程及规律 。 关键词 ： 断续 负载 ； 中低 压电力电缆 ； 热特性 ； 栽流量 中图分类号 ： T M 2 4 7 1 ； T M 2 0 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 6 9 0 1 ( 2 0 0 8 ) 0 3 0 0 2 0 0 3 I n v e s t i g a t i o n o f t he Ampa c i t y Cha r a c t e r i s t i c s o f LV M V Powe r Cab l e s unde r I n t e r mi t t e n t L

3、oa d s XU Xi a o f e n ge t a l ( S h a n g h a i El e c t r i c C a b l e Re s e a r c h I n s t i t u t e ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3，Ch i n a ) Abs t r a c t：Fo r s ome c a b l e a pp l i c a t i o n s wi t h i n t e r mi t t e n t l o a ds an d l a r g e t r a n s mi s s i o n c a p a c i t y，

4、i t i s n e c e s s a r y t o p r e d i c t t h e c a b l e a mp a c i t y c h a r a c t e r i s t i c s i n o r de r t o en s ur e s a f e an d r e l i a b l e o pe r a t i o n o f t h e I , VMV p o we r c a b l e s whi c h t r a ns mi t e l e c t r i c po we r I n t e r ms o f t h e un s t e a dy

5、t h e r ma l p r o c e s s o f LVMV c a b l e s u nd e r i nt e r mi t t en t l o a ds a n d r e l a t e d pr o bl e ms，t h e a u t h o r s o f t h i s p a p e r a t t e mp t e d t o s o l v e t h e t he r ma l p r oc e s s p r o bl e m u n d e r s p e c i f i c l o a d t h e o r e t i c a l l y o n

6、 o n e ha n d an d a na l y z e t h e t h e r ma l p r o c e s s a n d i t s l a w i n c o mb i na t i on wi t h t he p r a c t i c a l l o a d t e s t i n g on t h e o t h e r Ke y wo r ds：i n t er mi t t e nt l o a d；L VMV P o we r c a bl e s；t h e r mal c h a r a c t e r i s t i c s；a mp a e i t

7、y 0 引 言 1 理论分析及计 算 在某些 特定 应用 ( 如大 型 机 电装 备 、 轨 道 机 车 ) 场合 ， 需要中低压电缆供给电能 ， 且传输容量往往很 大， 为了确保输 电的中低压 电力 电缆安全可靠地运 行 ， 需 要预 测其 载流 特性 。 电缆 暂 态运 行 特 性 除 了 与 电缆 本 体 、 敷设 状 况 等 因素有关 以外 ， 还 与施 加 负 载 的 方 式 和 负载 持 续 时 间相关 。不 同于 一 般 的运 行 条 件 ， 工作 在 断 续 负 载 条件 下 的这些 电缆 既 存 在 长期 的最 高 温 度 分 布 ， 又 有暂态 温度 响应 的问题 。为 确

8、保 它们 安全 可靠 地 工 作 ， 采 用理 论分 析 和模拟 试 验 的方法 ， 预测 其热 特 性 是很 有必 要 的。 电缆 的导 体 温 度 对 负载 电流 的 变化 响 应很 快 ， 一般 不允 许其 峰值 大 于稳态 值 。 当负载 为短 时工作 或断续工作时， 应使电缆在短 时负载或断续负载下 的 载流量 不小 于 负载 的短 时工作 电流或 额定 负载 持 续率下的额定 电流 。 收 稿 日期 ： 2 0 0 7 1 0 2 2 作者简介 ： 徐 晓峰 ( 1 9 7 9一) ， 男 ， 工程师 作者地址： 上海市军工路 1 0 0 0号 2 0 0 0 9 3 1 1 电缆

9、 的暂 态发 热 简化 方程 电缆绝 缘层 的温度 在暂 态过 程 中不仅 是 时 间的 函数 ， 而且 是空 间坐 标 的 函数 ， 应 采 用分 布等 值热 路 来 表示 。但 对 于绝 缘 层 较 薄 的小 截 面 电缆 ， 作 为 近 似 ， 其热 容在 计算 时可 以忽 略 ， 因此空 气 中敷设 的这 类 电缆 可用 与架 空线 相 同 的等值 热 路来表 示 。 ( 1 )若 电缆 导体 的 初始 温度 不 等于周 围媒 质 的 温度 ， 则 发热 过 程可 表示 为 ： 00 = 0 ( 1一e )+( 0 00 ) e ( 1 ) 式 中 ， 0为 电缆温 度 ； 0 为周

10、围空 气 温 度 ； 0 为 电缆 最 终 能够 达 到 的长 期 允许 最 高 温 度 ； 0 。 为 电缆 初 始 温 度 ； t 为加 载 时 间 ； 为时 间 常 数 ， 为单 位 长度 电缆 热 容 与热 阻 的乘积 。 ( 2 )若 电缆 的导 体初 始温 度等 于周 围媒 质 的温 度 ， 即 0 。 =0 ， 则 发热 过 程可 表 示为 ： 00 = 0 ( 1一e ”) ( 2) 1 2 电缆 短时运 行 的载 流计 算 对 于 3 5 k V及 以 下 的 中低 压 电缆 ， 介 质 损耗 一 般可忽略不计。根据经验 ， 对于敷设于空气 中的大 截 面 中低压 电缆 ，

11、绝 缘 层 和护 套 的温 度 与 导 体 温 度 不一致 ， 应 考虑各部分的热容因素。这时可用等效 维普资讯 http:/ 2 0 0 8年第 3期 N0 3 2 0 08 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e & Ca b l e 2 0 0 8年 6月 J u n ， 2 0 08 热 容 K 米 代 替 各 部 分 热 容 之 和 ， 而 电 缆 等 效 热 阻 等 F电缆 各部 分 的 热 阻 与 电 缆 周 围媒 质 热 阻 之 和 ， 可 以表 示 为 ： K7=Kn+0 5( Kn+ n) ( 3 ) T = T + ( 4) 式 中 ， K K 和

12、分 别 表 示 单 位 长 度 电缆 导 电线 芯 、 绝缘 层 和 护套 的热 容 ； 和 分 别 表 示单 位 长 度 电缆 绝缘 层 和周 围媒 质 的热 阻 。类 似 暂 态发 热简 化 方程 的分 析方 法 ， 可 以得 到此 类 电缆 的 发热公 式 。 ( 1 )若 电缆 导体 初 始温 度 不等 于周 围媒 质 的温 度 ， 则有 ： 0 一0 =0 ( 1一e 一 )+( 0 。一0 ) e 一 ( 5 ) ( 2 )若 电 缆 导 体 初 始 温 度 等 于 周 围 媒 质 的温 度 ， 则有 ： 00 =0 ( 1一e 一 ) ( 6) 0 = 7 1 r 7 - Kr

13、T7 式 中 ， 0 为 电缆 导体 的 温 度 ； 为 单 位 长 度 电 缆 的 有 功损耗 。 利 用式 ( 5 ) 和式 ( 6 ) ， 即 可求 得敷 没在 空 气 中 的 电缆短 时运 行 的载 流量 。温 升 是与 负载 电流 的平方 成 正 比。若 电缆 导体 初始 温度 不 等 于周 围媒 质 的温 度 ， 则 0 。 相 当于 通过 ， 。 所能 达到 的稳 态 温 升 。若 不 考 虑导体 电阻随 温度 的改变 ， 根 据式 ( 6 ) 有 ： ， = 1一e )+ e ( 7 ) 式 中 ， ， 为 电缆 长 期 允 许 负 载 电流 ； 1 0为 电缆 长 期 通 以

14、该 电 流 时 ， 电缆 最 终 能 达 到 的 温 升 为 0 一0 。 于是 电缆 在 t 时 间 内允许 通过 的电流 ， 为 ： I P： 。N ， I l 式 中 ， 为 电缆 预 加 载 系 数 。若 电缆 导 体 初 始 温 度 等 于周 围媒 质温 度 ， 则式 ( 8 ) 可写 成 ： 厂 一 1 _ 9 ) 1 3断 续负 载下 的 电缆 载流 计算 若 电缆 的负载是 周期性断续变化的 ， 可 以利用 上 述关 系 ， 在不 超 过温 升 的条 件下 ， 求 得 电缆 的允许 通 过 电流 。假 定 电缆 的负 载 变 化 周 期 为 P ， 接 通 率 为 O l (

15、即在 a p时 间 内负 载 电 流 为 ， 。 ， 在 ( 1一O ) P时 问内负 载 电流 为 零 ) ， 并 设 负 载 电 流施 加 之 前 电缆 导 电线 芯温 度为 0 。 于是 在 第 一 个 负 载 周 期 内 ， 电 缆导电线芯的最高温升 0 为 ： 0 l 一0 = ( 0 一0 。 ) ( 1一e )+ ( 0 。0 ) e ( 1 0 ) 以此类推 ， 在 第 q+1个 负 载 周期 内 ， 电缆 的最 高温 升 0 为 ： 0 + 一0 = ( 0 0 ) ( 1一e ) f 1 +e +e 一 ， +e 一 卵 ) + ( 0 n一0 ) e = ( 0 一0 )

16、 ( 1一e 一 ) ( 1 8 一 ) 1 一 e 一一一 一 十 ( 0 。一0 ) e ( 1 1 ) 于 是有 ： + ， i e 一 “ ( 1 2 ) 从 式 ( 1 2 ) 即可得 到 允许 周期性 负 载 电流 ， 为 ： I p = I 当负载 周期 数 很人 ( 即 q 一 ) 时 ： i p = l 2载流试 验及验证 ( 1 3) ( 1 4) 某 中压级 橡 皮 绝 缘 铝 导 体单 芯 电力 电 缆 ， 其特 性 参 数如 下 ： 等效 热 容 K 为 1 6 0 5 3 J ； 等效 热 阻 为 1 0 m - k W ； 2 0 o c时 长 期 允许 载 流

17、量 为 7 2 0 A。 该 电缆 工 作 在 周 期性 断续 负 载 下 ， 工 作 周期 为 1 5 mi n ， 接 通 率 为 1 1 5 ( 1 rai n内 负 载 电流 为 ， ， 1 4 mi n内负载电流为零 ) 。假设 电缆初始温度等于空 气温度 ， 根据式 ( 1 4) ， 可计算得 出允许 的负载 电流 l p=2 4 6 3 A 周 期性 断 续负 载 试验 在室 温 2 7 的环境 进行 ， 参 考理 论计 算值 ， 取 试 验 电 流为 2 2 0 0 A。前 9个 周 期 导体 温度 峰值 如表 1 所 示 。考 虑试验 后 期室 温 略 微 升高 ， 导体 峰

18、值 温 度 的理论 值 与试 验值 基本 吻合 。 图 1为 前 9个 周 期 导 体 和 护 套 表 面 的 温 升 曲 线 。由 图 1 可 见 ， 电缆 导体 温度 呈 波浪形 渐进 增 加 ， 第 1 、 2周期 的峰值 间差 值 最 大 达 到 1 3 。但 随 着 加载时间的推移 ， 各峰值 问的变化逐步减小。至第 9个周期 ， 导体 温度最高为 8 5 ， 其后 峰值 逐步稳 定 。护 套表 面温 度 也 呈 同样 的 走 势 ， 由于 其表 面 的 热 流 密度 比导体 处 小 ， 因 而 温度 的变 化 较 导 体 滞 后 且趋 势较 缓 。 维普资讯 http:/ 2 0

19、0 8年第 3期 No 3 20 08 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e Ca b l e 2 0 0 8年 6月 J u n ， 2 0 0 8 表 1 前 9个 周 期 的 导 体 温 度 峰 值 ( 单位 ： 0 C) 周期数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 试验值 4 9 6 2 7 0 7 5 7 9 8 1 8 3 8 4 8 5 理论值 4 9 0 6 2 5 7 0 7 7 5 8 7 8 9 8 0 8 8 1 9 8 2 6 8 3 1 3 结束语 图 1 导体和护套表 面的温升 曲线 利用导热数值分析的方法 ， 可以预测中低压 电 缆 在

20、确定 断续 负 载 ( 周 期 和 非 周 期 ) 条 件 下 的 暂 态 温升和长期最高温升 ， 并可 以反推出一定温升条件 下的断续负载参数。 需 要 指 出 的是 ， 以上 试 验 分析 均 对 空 气 中敷 设 的中低压电力电缆 。在实际应用 中， 需要充分考虑 多维 导热 条 件 下 电缆 的结 构 和材 料 特 性 ， 参 考 I E C 6 0 8 5 3 1提供 的信息 ， 结合 现场布 置形式 、 接地 问题 和敷设 环 境 ( 如 管 、 槽 敷设 等 ) ， 对 其 理 论 值 进 行修 正 ， 并保 证 一定 的裕 度 ， 从 而得 到 安全 合理 的指 导参 量 ，

21、必要 时还 需进 行 模拟 试验 验证 。 参考文献 1 马国栋 电线 电缆载流量 M 北京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 3 2 刘 子玉 电气绝缘结构 设计原 理( 上册 ) M 北京 ： 机械工 业 出版 社 ， 1 9 8 1 3 杨世铭 ， 陶文铨 传热学 M 北京 ： 高等教育 出版社 ， 1 9 9 8 4 I E C 6 0 8 5 3 1( 1 9 9 4) ， C a l c u l a t i o n o f t h e C y c l i c a n d E me r g e n c y Cu r r e n t Ra t i n g o f C a ble s

22、 - P a r t 1： C y c l i c Ra t i n g F a c t o r f o r C a b l e s a n d u p t o i n c l u d i n g 1 8 3 0 ( 3 6 ) k V S ( 上接第 1 9页 ) 5 0 0 N的抗 拉 力 。 从 上 述 可 知 ， 双 层 钢 丝 铠 装 层 与 中心钢管两者共 同作 用， 可 以提供 8 0 0 0 N的抗拉 力 。 4光缆 的性能 根据用户要求 ， 我们设计制作了一根耐高温测 井光缆 ， 根据 G B T 7 4 2 4 2 光缆总规范 第 2部分 ： 基本试验方法 的试验方法对该

23、光缆进行 了拉伸 、 压扁 、 扭转 、 曲挠 、 温度循环 、 高温等试验 ， 其性能达 到用户要求： 工作拉力可达 8 0 0 0 N， 破断张力达到 4 0 k N， 耐压 2 0 M P a ， 耐 温 3 0 0 C， 最 小弯 曲半 径仅 为 光缆外径的 5倍 ， 内应力 小， 扭矩平衡 ， 光缆 自由放 松后无旋转打扭现象 ， 光纤损耗满足用户需求。本 产 品 已成 功应 用 于辽河 油 田某测 井 系统 。 22 5 应用前 景 由于 目前稠 油井 在 国 内石 油 开采 中的 比重 越来 越大， 采用注汽方式开采又在稠油井 中占到绝 大多 数 ， 以 辽河 油 田为例 ， 热

24、 采稠 油 已经 占到其 稠 油采量 的 8 0 以上 ， 因此 ， 应用于热采 稠油井 中的耐高温 测井 光 缆也 必将 具 有更 多 的用武 之地 。 参 考文献： 1 董俊 宏， 王瑛剑 ， 赵四新 ， 等 双层铠 装海底光缆 拉伸强度 的计 算 J 光纤 与电缆及其应用技术 ， 2 0 0 4， ( 1 ) ： 2 8 3 1 2 A n g e b r n J A， e t a 1 高数 据传输 率光纤 测井 电缆 J 测井 技 术 ， 1 9 8 7 ， 1 1 ( 3 ) ： 6 8 - 7 3 3 朱宝宗 油矿用的承荷探测电缆的应用和生产 J 电线 电缆 ， 2 0 01 ( 1)： 9 1 3 维普资讯 http:/