晋江110KV清晋Ⅱ回\罗沟线电缆载流量分析

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简介：本文介绍通过运用光纤测温系统提高电缆允许运行载流量的工程实例。

关键词：电缆、光纤测温、载流量

一. 线路概况

1、线路概况

本线路为110kv双回路电缆，回路长度2.17公里。罗沟线和清晋Ⅱ回两回110KV电缆均沿同路径敷设，电缆敷设方式主要是排管、工井、隧道三种方式，另有部分10KV电缆线路沿同路径敷设，原设计载流量为420A。

本电缆线路的一端为沟头变电站，另一端为罗沟线54＃（清晋Ⅱ回21＃）架空线铁塔。从沟头变至电缆排管有75m长的隧道；在架空线的一端也有110米长的隧道。线路的中间部分约1985米为排管和工井。线路全程共有电缆工井39个，其中接头井4个。

电缆敷设情况：

电缆线路

名称 电缆型号 电缆长度(米) 电缆供货商

罗沟线

YJLW03 64/110

1*800 约2170 沈阳古河电缆有限公司

清晋线Ⅱ回 YJQ03 64/110

1*800 约2170 郑州电缆厂

2、光纤测温及载流量分析系统

为保证上述110KV电缆系统的安全稳定运行，我们在罗沟线和清晋Ⅱ回两路110KV电缆上安装了“分布式光纤电缆温度监测与实时载流量分析系统”。 2007年12月至2008年4月完成与沟头变综自系统接口软件的开发、调试，载流量分析软件的安装调试及载流量软件计算结果的实验和验证。目前测温系统的所有项目已安装调试完毕，通过了验收并投入正式运行。

本系统的测温主机安装在沟头变，感温光缆采用外敷设方式，按每相电缆布置一条光缆的方式敷设。感温光缆为62.5/125μm多模光纤，光缆外护套为高性能的低烟无卤素阻燃热塑型材料，感温光缆具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性。感温光缆采用双环形缠绕方式固定在电缆中间接头处，保证测温光缆与电缆中间接头紧密接触，双环形缠绕光缆展开长度为5至10米。在电缆终端及每个工井处的感温光缆上都挂设标牌，标识感温光缆起止点变电站站名，感温光缆距起点长度等信息。

二、电缆技术参数

线路名称 清晋线Ⅱ回 罗沟线

型号 YJQ03 64/110

1×800 YJLW03 64/110

1×800

导体

材料 铜 铜

直径, mm 35.2 35.2

分割数 5 5

导体屏蔽厚度, mm 3．6 3．4

绝缘层

材料 XLPE XLPE

厚度, mm 16 16

绝缘屏蔽层

厚度, mm 2．5 6．0

金属护套材料 材料 铅 铝

厚度, mm 3．6 1．6

波峰波谷厚度, mm － 5．6

内切圆直径, mm － 86．0

外切圆直径, mm 86．6 97．2

外护层 材料 HDPE HDPE

厚度, mm 5 5

三．导体温度监测和实时载流量计算依据

利用测温系统进行载流量分析的基本原理及其模型：

电缆的载流量是由电缆导体的最高允许温度决定的。而导体的温升则由电缆各元件的发热、散热条件及周围环境的状态(土壤条件、空气流动状况、环境温度等等)决定。

电缆额定载流量的计算公式是国际电工委员会(IEC)于1982年制定的电缆额定载流量(100%负荷系统)计算标准IEC60287。在标准中，与电缆结构材料有关的参数(例绝缘、护套材料的热阻系数等)给出了代表性数值。由于环境条件取决于电缆敷设现场的条件和状况，其可能变化的范围较大，所以在标准中对与环境条件有关的参数及制造厂与用户之间需协商的参数等的取值未作规定。

在实际载流量计算中，难度在于各种不同敷设条件下的各参数的确定。下图为在载流量计算时所用的热学模型，以及根据此热学模型所得出的计算公式：

图4：电缆载流量计算的热力学模型

导体温升可用下式计算：

式中：

I：单根导体中流过的电流，A

Δθ：高于环境温度的导体温升，K

R：最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω/m

Wd：导体绝缘单位长度的介质损耗，W/m

T1：一根导体与金属套之间单位长度热阻，K•m/W

T2：金属套与铠装之间内衬层单位长度热阻，K•m/W

T3：电缆外护套单位长度热阻，K•m/W

T4：电缆表面和周围介质之间单位长度热阻，K•m/W

n：电缆(等截面并有相同负荷的导体)中载有负荷的导体数

λ1：电缆金属套损耗相对于所有导体总损耗的比率

λ2：电缆铠装损耗相对于所有导体总损耗的比率

得出载流量计算公式：

根据本工程所采用的电缆：单芯电缆，n=1,

无金属铠装层，T2=0，λ2=0

电缆的最高工作温度为90℃

则：Δθ=90-Te Te：为环境温度

公式可以进行相应的简化为：

I=｛[90-Te-Wd(0.5T1+T3+T4)]/[RT1+R(1+λ1 )（T3+T4）]｝0.5

（公式二）

四．载流量计算软件的实验和验证

4．1载流量计算软件项目的验证包括以下三个方面

 测量表面温度结果的验证

 计算导体温度的验证

 载流量计算结果的验证

4．2验证试验方法简介

 系统测温结果的验证

系统测温结果可直接用比对方法进行验证。在电缆测温系统运行时，用传统的测温方法在光纤敷设位置进行温度测量，与测温系统所测相应位置的温度进行比对。

 导体计算温度的验证

导体计算温度验证的关键是所采用的计算方法是否适用，软件编写有无问题。由于在采用的计算方法中，不涉及外界因素的影响，因此在进行验证时只需在实验室进行即可。

根据光纤测温特性要求，验证时电缆长度要求较长(大于10米)，否则易受接头温度的影响而产生误差。

 载流量计算结果的验证

载流量计算结果可用如下方法进行验证：

a) 在实验室条件下，对电缆载流量进行实验室检测，得到实验结果，与同等条件下软件计算结果进行比较。

b) 在实际运行过程中，对电缆施加软件计算的载流量电流，通过对电缆表面温度的测量，计算到导体温度应为90℃。

本项目的验证试验接线图如下：

试验场景如下：

4.3载流量试验验证结果和结论

（1）清晋线Ⅱ回电缆（YJQ03 1*800）试验

单根电缆在自由空气中敷设，环境温度为：16.7 ℃，计算稳态载流量1820 A(导体允许温度为90 ℃)。实际测量结果见表3。

YJQ03电缆的单芯载流量预测比对数据

加热电流 武高院实测数据 CTM4000系统计算数据

1820 环境温度, ℃ 16.7 －

导体温度, ℃ 91.0 89.33

表面温度, ℃ 45.0 40.43

(2) 罗沟线电缆（YJLW03 1*800）试验

单根电缆在自由空气敷设，环境温度：17.3 ℃，计算稳态载流量1500 A(导体允许温度为90 ℃)。实际测量结果见表6。

YJLW03电缆的单芯载流量预测比对数据

加热电流, A 武高院实测数据 CTM4000计算数据

1500 环境温度, ℃ 17.3 －

导体温度, ℃ 91.4 90.99

表面温度, ℃ 37.6 35.80

（3）由上述武高院的试验报告可以看出铅护套电缆（YJQ03）的载流能力明显优于铝护套电缆（YJLW03）,因此我们只需分析罗沟线的YJLW03电缆载流量即可。

（4） CTM4000系统的导体温度计算软件，在使用针对YJQ03和YJLW03电缆建立的数学模型进行恒定电流的稳态温度计算时，计算值与热电偶直接测量数据在90 ℃以下范围内最大偏差不超过±2 ℃；

（5） 试验电缆在自由空气的敷设条件下，CTM4000系统的载流量计算软

件，针对YJQ03和YJLW03电缆建立的数学模型计算出导体温度为90 ℃时的单芯稳态载流量，在该电流下，实测导体稳态运行温度与目标90 ℃之差小于±2 ℃；

（6）通过上述验证试验，我们对计算软件中电缆结构参数和性能参数进了验证和标定，同样可以准确地其它敷设条件下的电缆导体温度和载流量。

五、在实际使用环境下的载流量计算和分析

（1）线路载流量瓶颈点及载流量的确定

根据光纤测温系统CTM4000随机采集到的稳态电流：A相371A，B相376A，C相371A情况下的测温曲线分析，罗沟线A、B、C三相电缆的最高表面温度和最高导体温度出现在距离罗沟变电站380至400米的排管敷设处。因此此处可以被确定为罗沟线载流量的瓶颈点。

按照此时的电缆环境状态，计算电缆最大额定载流量为：

A相 718A；B相704A；C相718A

按B相的取值，额定载流量确定为704A；

此时的土壤的环境温度为20℃ ，计算电缆表面温度为 81.8℃ （B相），计算的电缆导体温度为90℃（B相）。

（2）载流量（B相）计算的依据

电缆环境热阻的计算：

电缆的环境热阻 T4=(Ts-Te)/｛[I2*R*(1+λ1)+Wd]｝ （公式三）

Ts为电缆在376A时测得的表面温度40.9℃

Te为电缆周围土壤的环境温度20℃

I为稳态电流=376A

B相电缆的热阻及损耗参数如下，这些参数经过了武高所得试验验证：

R Wd λ1 T1 T3

2.87×10－5 1.57 0.1068 0.523 0.087

通过计算可以得到T4=3.49（TΩ/m）

（3）不同环境温度下载流量的推算

利用以上参数，可以利用公式二进行载流量的计算，计算结果如下：

在不同的土壤环境温度下的罗沟线电缆的最大载流量为：

土壤环境温度（℃） 电缆导体温度（℃） 电缆最大载流量(A)

25 90 676

30 90 647

35 90 616

（4）在系统电流494A下的电缆状态分析

如果按最大494A的电流运行，考虑到特别极端的情况，土壤环境温度达到35℃或40℃ ，此时的电缆表面温度和电缆导体温度如下表：

电缆中的运行电流(A) 极端的土壤环境温度（℃） 电缆导体温度（℃） 电缆的表面温度（℃）

494 35 72.5 67

494 40 77.5 72

如果按最大494A的电流运行,假定电缆的导体温度可以达到90℃，此时的电缆表面温度和环境温度见下表：

电缆中的运行电流(A) 极端的土壤环境温度（℃） 电缆导体温度（℃） 电缆的表面温度（℃）

494 52 90 85

六、结论

沿罗沟线、清晋线Ⅱ回110kV电缆线路敷设测温光纤光缆，搭建光纤测温系统，可以进行安全运行温度下（电缆导体温度为90℃）的电缆表面温度测试和计算，通过积累和分析记录数据，确定电缆线路运行瓶颈；通过数学模型分析计算电缆的导体温度、电缆运行状态下的实时额定载流量，以及电缆表面温度、电缆导体温度和电缆最大载流量之间变化的关系，可以有效利用电缆设计允许载流量达到经济运行目的。

通过武高所和现场的实验和运行数据进行分析可得出以下结论：

（1）由于电缆的结构不同，清晋线Ⅱ回的载流能力在相同的敷设条件下要优于罗沟线；

（2）罗沟线的载流量瓶颈点为距离罗沟变电站380至400米处的排管处；

（3）罗沟线在土壤温度为20℃时的长期额定最大载流量为704A；

（4）即使考虑最极端的环境因素，罗沟线在额定电流494A下长期运行是安全的。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。