關(guān)于單芯鋼絲鎧裝電纜諸問題的探討
1問題的提出
通過試驗(yàn)和現(xiàn)場資料的分析以及搜集到的資料表明,單芯鋼絲鎧裝電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材和運(yùn)行合理性等諸多問題逐漸引起人們的關(guān)注。單芯鋼絲鎧裝電纜的鎧裝損耗越來越引起人們的關(guān)注，國內(nèi)采用單芯鋼絲鎧裝電纜給多處工程帶來麻煩和經(jīng)濟(jì)損失。用戶關(guān)注的敏感性及重視程度遠(yuǎn)大于電纜制造廠對這一問題的思考。資料[1]中對這一問題進(jìn)行了論述并列舉了國內(nèi)敷設(shè)單芯鋼絲鎧裝電纜線路情況。并提出國內(nèi)單芯電纜鋼絲鎧裝采用隔磁結(jié)構(gòu)是與世不同的“怪”產(chǎn)品。應(yīng)該與國外接軌，取消銅絲隔磁結(jié)構(gòu)。
60年代中期敷設(shè)了上海過黃浦江電纜，選用意大利比瑞利的220kV充油鉛套PE護(hù)套鋁合金絲鎧裝,廠方采用非磁性鎧裝，消除鋼絲的磁損耗.能提高輸送容量。國外也有采用硬銅合金絲鎧裝（原文作者認(rèn)為采用非磁性鎧裝是一種誤導(dǎo)）。60年代后期南京和安慶110KV充油單芯海纜工程曾設(shè)想生產(chǎn)非磁性鎧裝，因國內(nèi)沒有鋁合金絲產(chǎn)品，就改用銅絲隔磁設(shè)計(jì)。在鋼絲鎧裝中間均勻分布3到4根銅絲是單芯電纜外不形成閉合磁路。自從那時(shí)起至今國產(chǎn)超高壓單芯海纜全部采用隔磁結(jié)構(gòu)鎧裝。（這是否起源于我國有待于考證-摘錄者自言）。
文章又列舉幾個(gè)引進(jìn)工程，1987年廣東虎門220KV充油鉛套PE護(hù)套鋼絲鎧裝PLP外護(hù)層海纜。由日本住友供貨。采用φ8 mm鍍鋅鋼絲45根。為了提高輸送容量，在鉛套與PE護(hù)套間有24根扁平導(dǎo)線共240mm2?；亓鲗?dǎo)體的作用是降低金屬套阻抗，以降低護(hù)套損耗提高輸送容量。1989年廈門集美至高崎跨海峽海纜，220Kv1×630mm2銅芯充油鉛套HDPE護(hù)層鋼絲鎧裝PLP外護(hù)層海纜。由法國阿爾卡特供貨。采用Φ7.6mm鍍鋅鋼絲41根。1998年北京供電局敷設(shè)在湖里的水底電纜，15kV 1×300mm2銅芯XLPE鉛套鋼絲鎧裝PE外護(hù)層電纜。由法國阿爾卡特供貨。鎧裝采用φ7 mm鍍鋅鋼絲23根。廠商認(rèn)為鋼絲表面鍍鋅，其排列不是十分緊密，鋼絲間被外護(hù)層的防腐劑（如瀝青）所填充，不會形成閉合的磁回路，不會產(chǎn)生額外的護(hù)套損耗。
文章說國產(chǎn)單芯交流海底電纜鋼絲鎧裝的結(jié)構(gòu)自60年代開始至今一直采用隔磁鋼絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而所有國外進(jìn)口的單芯交流海底電纜的鋼絲全采用鍍鋅鋼絲設(shè)計(jì)，制造廠認(rèn)為從理論和實(shí)際運(yùn)行記錄上看沒有必要采取隔磁設(shè)計(jì)。為了使我國海纜的結(jié)構(gòu)與國外產(chǎn)品相似，文章作者的觀點(diǎn)是取消隔磁結(jié)構(gòu)。不僅是海纜，110kV XLPE電纜等都應(yīng)該作相應(yīng)的修改。
以上是國內(nèi)外高壓和超高壓電纜用于水下敷設(shè)時(shí)單芯鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)方面的情況。對于35kV及以下電纜由于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用銅絲隔磁結(jié)構(gòu)，所以各個(gè)制造廠基本都是按標(biāo)準(zhǔn)制造。設(shè)計(jì)部門和使用部門也選用此類電纜。出問題的大有其在。
鎮(zhèn)海煉化第二熱電站1＃發(fā)電機(jī)組至變壓器采用的是8.7/10kV1×500mm2 YJV32φ3.15鍍鋅鋼絲鎧裝，并用4根銅絲隔磁。電纜燒毀的除了成束敷設(shè)方面的原因外，鋼絲是造成電纜燒毀的原因之一。
某電站采用1×400mm2 YJV32交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜15根，每相5跟并聯(lián)。（先不分析其選擇電纜型號是否合理。）試運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)載流能力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)的載流能力。用戶提出是否是鋼絲鎧裝損耗太大的緣故。故提出要做試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文就是針對該工程對單芯鋼絲鎧裝電纜進(jìn)行了載流量試驗(yàn)。用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)來說話。重點(diǎn)從鎧裝材質(zhì)和運(yùn)行方面來探討為今后電纜結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)提供資料。
2．試驗(yàn)和現(xiàn)場測試資料
2．1試驗(yàn)與計(jì)算資料
模擬某電纜線路工程進(jìn)行試驗(yàn)。8.7/15 kV 1×400 mm2 YJV32交聯(lián)聚乙烯絕緣單芯鋼絲鎧裝電纜。其試樣結(jié)構(gòu)尺寸列于表2-1。
注:導(dǎo)體屏蔽層厚度為0.8 mm.絕緣屏蔽層厚度為0.6 mm.銅帶厚度0.2mm。包帶厚度0.2mm。
鋼絲直徑φ2.5mm 4根等直徑的銅絲均勻分開作為隔磁。
空氣中敷設(shè)，不同的排列方式下載流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)列于表2-2中。
注：*根據(jù)測量表面的部位不同，溫度相差較大。
**s–相鄰電纜軸心之間距。De–電纜外徑
按照IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)試樣尺寸對單芯鋼絲鎧裝電纜進(jìn)行了載流量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列于表2-3。
注：*工作溫度下的導(dǎo)體的交流電阻（Ω/m）.
**鎧裝鋼絲損耗（根據(jù)試驗(yàn)時(shí)鎧裝損耗推算值計(jì)算而得）。
平面排列，電纜中心間距為2根電纜外徑(De)。
2．2現(xiàn)場資料
某工程現(xiàn)場電纜排列如圖2-1所示。測試資料經(jīng)過整理匯總?cè)缦?。根?jù)＃1～＃2機(jī)組電流分配數(shù)據(jù)計(jì)算出電纜線芯和表面的溫度列于表2-4和表2-5。計(jì)算線芯溫度和表面溫度所采用的參數(shù)如下：
根據(jù)測量電流而推算出線芯溫度和表面溫度。采用的參數(shù)是YJV32電纜的計(jì)算參數(shù)值(如交流電阻和熱阻)和試驗(yàn)參數(shù)(如鋼絲損耗等)。
圖2-1電纜排列示意圖
表2-4＃1機(jī)組31 MW 1800 A
*每一線路由三根單芯電纜呈三角形排列，彼此之間有一間隙。
*由于阻抗引起電流分配不均。
*每一線路由三根單芯電纜呈三角形排列，彼此之間有一間隙。
*由于阻抗引起電流分配不均。
3.1載流量下降
首先探討單芯鋼絲鎧裝電纜在相同工作溫度和相同環(huán)境條件下為什么載流量要比非鎧裝電纜載流量要小得多？其中主要原因是鎧裝鋼絲損耗太大。在三角形排列情況下鋼絲的磁滯和渦流損耗是線芯損耗的3倍多。平面排列是線芯損耗的2倍多。即使是分離敷設(shè)（電纜中心之間距大于2倍的電纜外徑），鋼絲損耗也是線芯損耗的2倍多。載流量是非鋼絲鎧裝單芯電纜載流量的57%（相互接觸三角形排列）和64%（間隙為1個(gè)電纜外徑平面排列）。從熱阻方面考慮，有于鋼絲電纜比同截面的非鋼絲鎧裝電纜外徑大得多（大約1.2倍）。空氣中敷設(shè)時(shí)其外部熱阻要比非鋼絲鎧裝電纜?。ù蠹s是0.80%）。雖然鋼絲鎧裝多了內(nèi)襯層熱阻，其增加絕對值與外部熱阻的減小幾乎相抵消。所以說鎧裝損耗在這里起著絕對作用。這是載流量降低的主要原因。
3.2鎧裝損耗
單芯電纜鋼絲鎧裝損耗為什么這么大？其損耗原因主要是磁滯和渦流損耗起決定性作用。這些損耗都與磁場強(qiáng)度有關(guān)，而磁場強(qiáng)度又與線芯電流有關(guān)。當(dāng)鋼絲單點(diǎn)互連時(shí)，鎧裝不存在環(huán)流損耗。電纜是相當(dāng)于無限長直導(dǎo)線，其線芯電流在本電纜鋼絲中的電場遠(yuǎn)大于其它相鄰電纜電流在該鋼絲中的電場，認(rèn)為鋼絲損耗主要是本電纜線芯電流引起的。三根單芯呈三角形排列運(yùn)行于三相系統(tǒng)和三根單芯呈三角形排列串聯(lián)運(yùn)行于單相系統(tǒng)中，根據(jù)表2-2試驗(yàn)資料（單相）和現(xiàn)場的測量資料（三相）反映到載流能力和溫度兩個(gè)參數(shù)來分析在三角形排列時(shí)兩者的鋼絲鎧裝損耗是接近的。這僅僅是就該組數(shù)據(jù)而言。因試驗(yàn)條件限制無法進(jìn)行三相系統(tǒng)試驗(yàn)。通過表3-1的計(jì)算溫度參數(shù)至少可以說明電纜呈三角形排列時(shí)單相的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（載流量）與三相系統(tǒng)下在現(xiàn)場排列方式下的測量電流是相近的。
注：①試驗(yàn)與現(xiàn)場電纜都呈三角形排列，但現(xiàn)場的三角形中有一膠木條隔開。
②計(jì)算值（根據(jù)電流和熱阻計(jì)算）。
③為便于比較已將表2-2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)已換算到環(huán)境溫度38.5℃時(shí)的等效值。
④三角形電纜組的表面溫度隨部位的不同相差很大，表中數(shù)據(jù)僅供參考。
3.3隔磁是偽概念
通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場資料表明，單芯鋼絲鎧裝其隔磁結(jié)構(gòu)是不起作用的。鋼絲是磁性材料，銅絲是非磁性材料，在導(dǎo)體中有交變電流通過時(shí)，在鋼絲部位由于有銅絲插入可能引起磁力線崎變，但不能中斷。交變電磁場在鋼絲中由于磁化強(qiáng)度總是要落后于磁場強(qiáng)度的變化(磁滯現(xiàn)象)，鐵磁體反復(fù)磁化時(shí)磁體分子的位相不斷地改變，分子振蕩加劇，要發(fā)熱，溫度增高。使分子振動加劇的能量是由維持磁化場電流的電源所供給的。在交變磁場中鋼絲中也產(chǎn)生應(yīng)電流，這種應(yīng)電流在鋼絲體內(nèi)自己閉合形成渦流。由于電阻很小，渦流強(qiáng)度可以很大，是鋼絲放出大量熱量。其熱能也是源于維持磁化場電流的電源所供給的。通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測量表明這種隔磁結(jié)構(gòu)是個(gè)偽概念。從定量計(jì)算比較復(fù)雜，IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)中僅對電纜間隔10m的海底敷設(shè)單芯鋼絲鎧裝電纜提出鎧裝損耗與線芯損耗相等的計(jì)算方法。在沒有計(jì)算方法之前最好通過試驗(yàn)解決單芯鋼絲鎧裝電纜載流能力。對于正在考慮的問題，采用試驗(yàn)方法解決是符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的解決問題的原則的。幸好上海電纜研究所在60年代就建造了電纜載流量試驗(yàn)基地，現(xiàn)在已改建成符合國家級要求的試驗(yàn)室。有一整套載流量測試設(shè)備。除了一般性電纜外，還為特殊電纜熱性能試驗(yàn)服務(wù)。
結(jié)論
通過上述分析至少可以取得兩點(diǎn)收獲：
1單芯鋼絲鎧裝電纜載流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同截面非鎧裝單芯電纜，千萬不能按非鎧裝電纜選擇載流量（可以說100%廠家提供的載流量都是錯(cuò)誤的）。
2鋼絲鎧裝損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線芯損耗，隔磁結(jié)構(gòu)實(shí)際上是虛設(shè)的，不起作用。隔磁是一個(gè)偽概念。
綜上所述，對單芯鋼絲鎧裝電纜而言由于鎧裝磁損耗造成了載流量減小。這是單芯鋼絲鎧裝電纜致命的缺點(diǎn)。但是單芯鋼絲鎧裝電纜又有其能承受拉力和強(qiáng)大的外來機(jī)械力的作用，實(shí)際上也是不可缺少的產(chǎn)品。如江河湖海敷設(shè)的海底電纜。因此，建議采用：
1單芯電纜非磁性鎧裝（如不銹鋼絲、銅合金或鋁合金絲），這絕不是誤導(dǎo)。
2一定要選擇鋼絲者采用鍍鋅鋼絲，并涂以防腐層，鋼絲之間彼此隔開。資料[1]說國外廠家認(rèn)為可以到隔磁作用。但筆者認(rèn)為這與采用銅絲隔磁作用沒有多大區(qū)別?？梢宰鰝€(gè)試驗(yàn)來驗(yàn)證一下。不在這里加以評論。
3除江河湖海水底及承受巨大拉力特殊情況外，通常情況下不易選用單芯鋼絲鎧裝電纜，如隧道、托架等不承受拉力和或可以預(yù)料的外來機(jī)械力不是很大時(shí)。
另外，建議修改電纜標(biāo)準(zhǔn)其中的單芯鋼絲鎧裝電纜采用銅絲隔磁結(jié)構(gòu)改為采用非磁性材質(zhì)作為鎧裝絲。
