高压XLPE电缆金属护套环流的计算分析

"+$&年第,期;76,!"+$&电线电缆J 401S /.1_./0‘<2340"+$&年*月M WR6&"+$&高压HI C J 绝缘电力电缆缓冲层与金属护层结构设计仿真计算与优化汪传斌$$!金海云"!$6新远东电缆有限公司&江苏宜兴"$’"#)’"6西安交通大学电气绝缘研究中心&陕西西安)$++’%"摘要!针对近年来电力系统运行的HI C J 绝缘高压电缆因缓冲层发生的故障与隐患增多$就缓冲层#金属护层对电缆的作用$通过测量缓冲层等材料的相关参数$运用有限元!@RV T V "软件仿真计算了高压电缆的电场分布$分析了不同优化条件下缓冲层结构的影响$提出了高压电缆缓冲层与金属护层结构设计优化建议%关键词!HI C J 绝缘高压电缆&缓冲层&金属护层&结构设计&仿真计算中图分类号!>?"’)E $文献标识码!@文章编号!$*)"(*%+$!"+$&"+,(+++*(+&C <)7:(;=:;(,.?)3’657’G ;.,:’05,59I 4:’G ’X ,:’050>Y ’6<O 0.:,6)Z [H 8L 53;.,:’05H 0J )(+,-.)\;>>)([,@)(,59K):,.7<),:<_@;c<BW2R3.R $&M 9;N 2.T WR "!$6;0-U 2/J 2V S <2340<76&I S Y6&L .e .R "$’"#)&<B.R2’"6J 401S /.124.RV W42S .7R /0V 02/1B 10RS 0/7[H .02R M .27>7RZ P R.\0/V .S T &H .02R )$++’%&<B.R2"A -3:(,=:%@117/Y.RZ S 7X7-0/V T V S 087X0/2S .7R [2W4S 2RY B.YY0R Y2RZ 0/V .R1/02V 0Y 3012WV 07[H I C J.RV W42S .7R B.ZB \74S 2Z 0123403W[[0/42T 0/&S B.V X2X0/.RS /7YW10V 3W[[0/42T 0/2RY 80S 24V B02S B 3T 802V W/.RZ 82S 0/.24&2XX4T .RZ [.R.S 004080RS !@RV T V "V .8W42S .7R S 71241W42S 0B.Z B \74S 2Z 0123400401S /.1[.04Y Y.V S /.3WS .7R &2R24T A .RZ S B0Y.[[0/0RS 7XS .8.A 2(S .7R 0[[01S 7[3W[[0/42T 0/&V W38.S S B0V S /W1S W/0Y0V .Z R 7XS .8.A 2S .7R V WZ Z 0V S .7R 7[3W[[0/42T 0/2RY 80S 24V B02S B6Q )@J 0(93%H IC J.RV W42S 0Y B.Z B \74S 2Z 0’3W[[0/42T 0/’80S 24V B02S B ’V S /W1S W/24Y0V .Z R ’V .8W42S .7R 1241W42S .7R收稿日期!"+$)(+$(+"作者简介!汪传斌!$%#*g"&男&教授级高工6作者地址!江苏宜兴市范道镇远东路&号("$’"#))6"R 引R 言众所周知&我国现行的高压HI C J 绝缘电力电缆国家标准cQ =>$$+$)*c Q =>$&&%+*c Q =>""+)&对电缆缓冲层与纵向阻水层基本都是这样规定的%.缓冲层应采用半导电弹性材料或具有纵向阻水功能的半导电阻水膨胀材料&其阻水带与阻水绳应具有吸水膨胀性能+缓冲层与纵向阻水材料应与其相接触的其他材料相容/’.缓冲层位于挤包的绝缘半导电屏蔽层外&并与绝缘屏蔽层和金属屏蔽层保持电气上接触良好/’.缓冲层的厚度应能补偿电缆运行热膨胀的要求/’.对电缆金属套内间隙有纵向阻水要求时&应由半导电阻水膨胀带绕包而成&绕包应平整*紧实*无皱褶*无擦伤’亦可采用具有纵向阻水性能的金属丝屏蔽布带绕包结构/等+.径向不透水阻挡层应采用铅套或皱纹铝套等/’.电缆采用铅套或铝套时&金属套可作为金属屏蔽&当其厚度不满足短路容量时应增加铜丝屏蔽或金属套的厚度/+标准对于缓冲层或具有纵向阻水材料的性能主要体现在%半导电*弹性*吸水膨胀与相接触的材料应相容’对于缓冲层的位置*厚度与形状%应与绝缘屏蔽和金属屏蔽电气上接触良好&厚度能补偿电缆运行热胀要求&缓冲层可以是!半导电*弹性*吸水膨胀"绕包带*!纵向阻水性能的"金属丝屏蔽布带’对于皱纹铝套要求是应满足短路容量*材料的纯度和伸长率要求+可以看出.缓冲层或具有纵向阻水材料/的具体技术指标不够明晰&尤其是.与相接触的材料应相容/更难以考核’对缓冲层的厚度及带材绕包要求的规定也不够具体’对皱纹铝套并未规定其承担机械力学性能的要求+当然&标准也不可能将所有材料及其在电缆中的结构与性能规定得非常具体&还应给制造商留有设计空间+然而&高压与超高压HI C J 绝缘电缆在市场上&由于竞争或工艺差别而导致缓冲层用带材*纵向阻水材料*缓冲层结构*金属屏蔽!套"结构设计与工艺控制上仍有差异&使得近年来电力系统运行的HI C J 绝缘高压电缆中&因缓冲层发生的故障与隐患增多+因此&本文在新远东电缆有限公司与西安交通大学电气绝缘研究中心于"+$,年合作研究#高压H I C J绝缘电缆金属护层及其内部缓冲层结构对电缆运行可靠性的试验研究$结果的基础上&就缓冲层材料*结构*金属护层结构应用有限元商业软件!@RV T V"对高压电缆在运行状态下的电场进行了仿真计算和分析&提出了缓冲层材料*结构与金属护层结构优化设计与建议+#R缓冲层#金属护层对电缆的作用与影响#S#R缓冲层的作用在高压与超高压H I C J绝缘电缆的金属护层与缆芯之间均有缓冲层+缓冲层具有半导电特性&与绝缘半导电屏蔽层紧密接触&与金属护层!屏蔽层"要求也应相接触&能有效缓冲*弱化电场强度分布&能有效缓冲电缆绝缘与金属护层之间的相互作用&遏制绝缘受热膨胀而带来的绝缘变形与损伤+绝缘屏蔽与金属护层间在电缆结构设计上就应留有合适的间隙&而金属护层制造工艺也不可避免地留有间隙&这个间隙也必须由导电的缓冲层来进行填补+对于有纵向阻水的电缆&不仅导体需要阻水设计&且绝缘屏蔽与金属护层间的缓冲层也应具有阻水特性要求+因而&缓冲层绕包带不仅导电且具有吸水膨胀性能&一般采用导电的聚脂纤维无纺布内添加遇水可迅速膨胀的聚丙烯酸酯吸水膨胀粉复合带材绕包&从而&当电缆金属护层有缺陷时能阻止水分沿电缆纵向扩散&实现纵向阻水的目的+#S!R金属护层的作用金属护层即金属屏蔽层&其作用%!$"防止径向透水&避免H I C J绝缘本体接触外界水分而产生水树&作为电缆的径向防水层’!""增强绝缘屏蔽能力&承受零序较大的短路电流&导电性能好&同时具有良好的热稳定性能’!,"对绝缘本体具有抵抗外力机械保护作用&避免在施工中拖曳弯曲*挤压而造成电缆机械损伤+金属护层的种类很多&在我国皱纹铝护层与铅护层用的最多+铅护层由于其柔软*易弯曲*耐腐蚀*密度大&更适合于海底电缆’而皱纹铝护层由于其密度小质量轻*导电性能好允许通过短路电流大*有足够的机械强度&近年来在陆地尤其是城市地下电网系统中运用较多+#S%R缓冲层与金属护层对电缆性能的影响缓冲层一般是由半导电的聚酯纤维无纺织布制成宽度一定的绕包带&厚度为$E#88或"E+88&具有一定的弹性&且密度较小’若为阻水的&其内部添加遇水可迅速膨胀的吸水膨胀粉末+这种材质密度虽小&但内部含有大量的静止空气&其导热性能较差&导热系数与空气相当+随着厚度的增加&传热效果变差&当护套外部环境温度一定时&厚度增加会影响绝缘体的热量散发&从而影响电缆的运行寿命+对于金属护层&仅就大量使用的皱纹铝护层而言&目前皱纹铝护层有.压铝挤制/*.纵包氩弧焊接/*.康仿挤铝/等三种工艺+第一种应用越来越少&第二*三种有增加趋势&这是因为第一种工艺复杂*能耗大*成本高’第二*三种挤出铝护层无缝&而对于超高压电缆铝护层则希望.无缝/+关于纵包氩弧焊接与康仿挤铝的工艺比较与性能特点已有很多文章报道过&这里要补充说明的是铝护层采用.纵包氩弧焊接/工艺其外径与轧纹参数易于控制&相反&采用.康仿挤铝/工艺其铝护层与缓冲层的间隙参数不易控制&虽有采用.金布/绕包措施&但主要依靠轧纹参数进行调节&内部的空气隙比起.氩弧纵包焊接/工艺相对要多+!R缓冲层等材料相关参数的测量对电缆缓冲层结构*金属护层结构设计应用有限元商业软件!@RV T V"对其电场与热场进行仿真计算&需要测量H I C J*内外半导电屏蔽材料*半导电缓冲!阻水"带的介电常数*导热系数等物理参数+ !S#R介电常数的测量!$"H I C J绝缘材料+其介电常数可利用高压西林电桥进行测量&对采集的超净绝缘料的测量结果见图$+图$!H I C J绝缘料的介电常数随温度变化曲线从图$可知&H I C J绝缘料的介电常数随温度变化的规律+随着绝缘介质的温度上升&介电常数逐渐略有减小’电缆在正常运行状态下&导体温度设计为%+i&而绝缘层!含内外屏蔽层"内外温度一般处于%+k*#i&而在这一温度区间&H I C J的相对介电常数为"E$$k"E$&+!""半导电屏蔽料+由于具有导电特性&其介电常数可使用阻抗分析仪!I<^"进行测量&测量结果如图"+从图"可以看到&内外屏材料的介电特性随着温度的升高而降低+内外屏蔽所处的两个不同位置-)-图"!内外屏蔽料的介电常数随温度变化曲线其温度值是不同的&缆芯正常工作时的温度约在&+k %+i &因此内屏蔽处的介电常数取值"$++&外屏蔽处的介电常数取值’$$*!*+i 时"+!,"半导电缓冲!阻水"带+同样属于半导电介质&其介电常数可使用阻抗分析仪!I <^"进行测量&测量结果如图,*图’+图,!半导电缓冲!阻水"带介电常数随温度变化曲线图’!半导电缓冲!阻水"带浸水后介电常数随温度变化曲线从图’可以看出&半导电缓冲!阻水"带浸水后&其相对介电常数随温度升高而急剧上升&达到了$+*左右+!S !R 导热系数的测量对HI C J 绝缘*内外屏蔽材料以及半导电缓冲!阻水"带的导热系数&可使用激光法导热分析仪I U @’’)进行测量&测量结果如图#+如图#所示&图中分别为H I C J !材料压片样"*H I C J !电缆取样"*半导电屏蔽!厚$E +88"*半导电屏蔽!厚,E+88"和半导电缓冲!阻水"带的导热系数随温度变化的曲线+可以看出&随着温度的升高&HI C J 的导热系数首先会缓慢增大&当温度增加图#!HI C J *内外屏蔽与阻水带的导热系数随温度变化曲线到)#i 后随着温度增大而急剧上升+取自高压H I C J 电缆的绝缘制成样品与压片样相比&在低于)#i 时&其导热系数要比压片样的导热系数大&但上升至$++i 时&电缆取样的导热系数虽也有较大上升&但比压片样的导热系数要低+半导电内外屏蔽材料的薄样和厚样也有所不同&薄样的导热系数随温度变化较大&而厚样的导热系数随着温度的升高缓慢增大&趋势稳定+对于半导电缓冲!阻水"带材料&在低温时较大&当温度升高后&导热系数减小!#+i 时为+E +%""&且随着温度的升高逐渐减小&说明半导电缓冲!阻水"带材料的导热效果较差+%R 有限元软件$A 53@3%仿真计算电场分布%S #RZ [H 8绝缘高压电缆模型及有关参数,E $E $!H I C J 绝缘高压电缆模型!$"径向模型图*为HI C J 绝缘高压电缆的结构示意图+电缆结构层次非常清晰&是一种同心圆结构&且每一层的外径参数都是已知的+图*!LM I _+,型高压电缆结构示意图根据HI C J 绝缘高压电缆结构特点&可以认为&电缆的长度与外径相比可视为无限长&因而可忽略电缆端部的电场及热场变化&暂且不考虑半导电缓冲!阻水"带以内的缆芯受重力作用&而将问题简化为平面问题&建立仿真计算理想电缆模型&即同心圆结构模型&如图)所示+通过该模型还可优化各层-&-外径参数&从而得到在不同空气间隙或缓冲层厚度情况下的电场分布*温度分布以及热应力分布+为仿真计算&对电缆模型作如下假设%,,,稳态假设&当电缆发热与散热达到平衡时&电缆温度场分布不随时间改变’,,,常物性假设&组成电缆各部分材料均为各自同性均匀介质&且各部分材料物性参数均为常数’,,,电缆轴向!长度"方向上无温度梯度&只在径向存在热量的传递’,,,忽略电缆各组成部分间的接触电阻+图)!H I C J绝缘高压电缆的径向模型实际上&当电缆水平敷设时&应考虑重力因素&而图)所示的计算模型中&其半导电缓冲!阻水"带与铝护套间是不接触的&通常H I C J绝缘高压电缆的结构设计中&皱纹铝套与半导电缓冲!阻水"带之间根据电压等级!绝缘厚度"单侧留有+E,k +E#88的间隙&这个间隙!空气隙"与半导电缓冲!阻水"带构成了H I C J绝缘高压电缆的缓冲层+在实际运行过程中&由于重力的作用&靠近下方一侧&半导电缓冲!阻水"带与铝护套是接触的&且由于半导电缓冲!阻水"带具有弹性&接触面是局部弧面&这也导致了实际运行中的电缆&其半导电缓冲!阻水"带的结构是不规则的&如图&所示+!""轴向模型图&!重力因素作用下的电缆结构的径向模型!!根据电缆轴对称结构&可选取一段H I C J绝缘高压电缆轴向上的半个切面&建立电缆轴向模型&如图%所示+皱纹铝护层的节距和轧纹深度特征可利用正弦波来进行拟合’H I C J绝缘高压电缆的轴向模型&主要是针对皱纹铝护层的轧纹结构&进行温度分布和热应力分布计算&通过优化铝护层的节距*轧纹深度等参数&可以得到具有不同轧纹结构的铝护层对电缆性能的影响+图%!H I C J绝缘高压电缆的轴向模型,E$E"!$$+FGH I C J绝缘高压电缆参数为便于利用@RV T V软件进行电场分布*温度分布和热应力分布的计算&表$中列出了H I C J绝缘高压电缆在正常工作状况下温度范围内所用材料的部分特性参数+表#RZ[H8绝缘高压电缆各材料的特性参数材料名称介电常数导热系数=_-!8-l"g$热膨胀系数=!$-l g$"弹性模量=c C2泊松比铜导体$++++’+$$E&O$+g#$+++E,"*内屏蔽"$+++E*#&$E&$"O$+g’+E++,,**+E’,%H I C J绝缘"E$)+E’+*"E%$$O$+g’+E+$)&’)+E’,%外屏蔽’$$*+E*+&"E,)&O$+g’+E+")+&%+E’,%半导电缓冲!阻水"带’,#++E+%",E,#*O$+g,+E+"$)")g+E)空气$+E+"’,E,#*O$+g,+E+++$+皱纹铝护层$++++",)"E,O$+g#"#E$k"*E#+E,"k+E,*沥青!防腐层""E"&k"E&&#E#O$+g’$E*+E’?a C J!外护套"+E’$&E#*O$+g*+E$)"+E’,%-%-!!表"中列出了$$+FGH I C J绝缘高压电缆径向模型的各结构参数&导体截面分别为’++88"和$"++88"&用于表征H I C J电缆的载流量大小+为了比较皱纹铝护层结构与缓冲层结构发生改变时的电场和温度分布&分别采取!优化条件$"将气隙缩小+E$88’!优化条件""将缓冲层厚度减薄"88’!优化条件,"取消半导电缓冲!阻水"带层&三种优化情况来分析+表!RUT]##"N OZ[H8绝缘高压电缆径向模型的各层结构参数表!单位%88"结构名称L M I_+,*’=$$+FG$O’++L M I_+,*’=$$+FG$O$"++典型参数优化条件$优化条件"优化条件,典型参数优化条件$优化条件"优化条件,导!体$$E)#$$E)#$$E)#$$E)#"+E)#"+E)#"+E)#"+E)#内屏蔽$,E$+$,E$+$,E$+$,E$+""E)#""E)#""E)#""E)#H I C J绝缘,+E*+,+E*+,+E*+,+E*+,&E)#,&E)#,&E)#,&E)#外屏蔽,$E*+,$E*+,$E*+,$E*+,%E%#,%E%#,%E%#,%E%#阻水带,*E#+,*E#+,’E#+,$E*+’’E&#’’E&#’"E&#,%E%#空气隙,*E&+,*E)+,’E&+,$E%+’#E,#’#E"#’,E,#’+E’#皱纹铝套’"E##’"E’#’+E##,)E$##"E"##"E$##+E"#’)E,#防腐层’"E)#’"E*#’+E)#,)E,##"E’##"E,##+E’#’)E##外护套’*E)#’*E*#’’E)#’$E,##)E’##)E,###E’##"E## %S!R##"N OZ[H8绝缘电缆的径向模型仿真计算电场分布及结果讨论使用@RV T V软件计算H I C J绝缘高压电缆的电场分布&各材料的相对介电常数按表$中选取&计算时可认为铜导体和铝护层是理想导体+计算的边界条件%将导体与内屏蔽的交界面设为#+!为了评价特殊状况选取值$$+FG"+由于铝护层端部采取接地&则认为铝护层沿长度方向均为零电位&故将铝护层与间!气"隙的交界面设置为零电位+,E"E$!不考虑重力因素的理想电缆模型的电场分布从图$+到图$&所示的分别为不同载流量的$$+FGH I C J绝缘高压电缆在不同优化条件下的电场分布等势图+从图中可以看出&无论是哪一种规格的电缆&其电场分布都遵循着电磁规律&即介电常数小的介质电场强度高&而半导电材料的电场强度低+在$$+FG H IC J电缆的电场分布等值图中&L M I_+,*’=$$+FG$O’++电缆的电场强度最高点分布在H I C J绝缘层靠近内屏蔽层的位置&而后沿着电缆半径的方向向外逐渐减小&且在外屏蔽层和半导电缓冲!阻水"带中也保持着同样的分布规律’但在空气隙中&其电场强度值较大&用颜色来进行分辨&为棕黄色&则表示其电场强度值仅次于红色区域&由此可见空气隙中电场强度是较高的+图$’2为图$+所对应的H I C J电缆沿电缆半径方向的电场强度分布值+该图直观地表现了H I C J电缆中电场沿半径方向的分布情况+从图中可看出&空气隙中的电场强度值是与H I C J绝缘中的场强值处于同一数量级&而内外屏蔽层及半导电缓冲!阻水"带中的电场强度与绝缘和空气隙相比可忽略+此时空气隙中的场强已大大超过了空气的击穿场强!,FG=88"+图$’3为气隙发生电击穿后H I C J电缆沿电缆半径方向的场强分布值+图$+!L M I_+,*’=$$+FG$O’++典型参数的电场分布等势图图$$!L M I_+,*’=$$+FG$O’++优化条件$下的电场分布等势图对于L M I_+,*’=$$+FG$O$"++电缆&从图$#k图$&中可以看出&电场强度的最大值分布在空-+$-图$"!LM I _+,*’=$$+FG$O ’++优化条件"下的电场分布等势图图$,!LM I _+,*’=$$+FG$O ’++优化条件,下的电场分布等势图图$’!LM I _+,*’=$$+FG$O ’++沿电缆半径方向的场强分布气隙中&但HI C J 电缆整体的电场强度分布规律与L M I _+,*’=$$+FG$O ’++电缆是一致的+从等势图中还可看出&对于HI C J 绝缘高压电缆&其电压降绝大部分都落在HI C J 绝缘层上&即电缆绝缘主要依靠HI C J 绝缘层来承担&这符合H I CJ 图$#!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++典型参数下的电场分布等势图图$*!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++优化条件$下的电场分布等势图图$)!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++优化条件"下的电场分布等势图图$&!LM I _+,*’=$$+FG$O $"++优化条件,下的电场分布等势图电力电缆结构的电气设计+尽管空气隙中的电场强度很高&但空气隙很小&一般仅+E,k +E #88&故空气隙上的电压值并不高+通过仿真计算&可得到如表,所示的外屏蔽层*半导电缓冲!阻水"带及空气隙在各种优化条件下的场强值分布范围&各层结构场强值由大到小沿电-$$-缆径向由内而外分布’同时也看到&当减小空气间隙+E$88后&外屏蔽层*半导电缓冲!阻水"带和空气隙的场强都略有提高’当半导电缓冲!阻水"带层减薄"E+88后&对外屏蔽层其场强也略有降低&但不明显&而半导电缓冲!阻水"带中电场分布趋于集中&空气间隙中的场强也有了提升’当去除半导电缓冲!阻水"带后&则外屏蔽层的场强分布趋于均匀&与典型参数下相比&场强略减小&然而空气间隙中的电场更集中且提升&高达%E")FG=88+与典型参数比&增加了$’E%*h+表%RZ[H8电缆缓冲层在不同情况下的电场分布比较!单位%FG=88"L M I_+,*’=$$+FG$O’++L M I_+,*’=$$+FG$O$"++电缆结构典型参数优化条件$优化条件"优化条件,外屏蔽层!"E&%k"E&+"-$+g,!"E%"k"E&,"-$+g,!"E%+k"E&+"-$+g,!"E&&k"E)&"-$+g,缓冲带层!"E*#k"E,*"-$+g,!"E*&k"E,&"-$+g,!"E*#k"E’)"-$+g,,空气间隙$+E"k$+E,$+E,k$+E’$+E*k$+E&$$E,k$$E#!!对于L M I_+,*’=$$+FG$O$"++电缆&由于H I C J绝缘厚度有所减薄&表明有更高的压降落在空气隙以及外屏蔽层与半导电缓冲!阻水"带层上&从而导致场强值上升&尤其是空气间隙的场强远超过了空气的击穿场强!,FG=88"+,E"E"!考虑重力因素情况下的电场分布H I C J绝缘高压电缆水平敷设安装运行较多&实际上&半导电缓冲!阻水"带以内的缆芯受自重影响与皱纹铝套的下部是接触的+对此在进行电场分布计算时&计算单元的选择及边界条件的设定仍保持不变+从图$%可以看出&基于H I C J电缆正常运行情况下的仿真计算&其空气隙中电场强度的分布与外屏蔽层和半导电缓冲!阻水"带一样&处于一个较低场强区域+此时&外屏蔽层的电场强度约为"E,,k "E’FG=8&半导电缓冲!阻水"带中的电场强度约为$E)%k"E"$FG=8&而空气隙中的电场强度则可忽略+在理想情况下&即各材料的介电性能有较好的一致性&H IC J绝缘电缆的各结构层间接触光滑&无接触电阻产生&对于由金属护层!导体"和半导电缓冲!阻水"带相接触所构成的非圆周非均匀空气隙&可认为是一个被屏蔽的空间&因而这里的空气隙中场强分布与半导电缓冲!阻水"带中场强分布相当&可认为是导通的+当半导电缓冲!阻水"带上存有缺陷&导致半导电缓冲!阻水"带与铝护套接触存在不良&或因为皱纹铝护层的轧纹形成的螺旋空气隙空间与半导电缓图$%!L M I_+,*’=$$+FG$O’++在正常运行时的电场分布冲!阻水"带产生接触不良&而产生空气隙存在&此时H I C J电缆的场强分布应根据非重力因素的理想模型来考虑计算分析+由于半导电缓冲!阻水"带既具有导电特性&同时其内部含有大量的静态空气&因此&与其相邻的金属护层能紧密地接触&则对于内部的空气隙或被轧纹金属隔断的空气隙中的电场分布其场强很低’若在电缆长度方向上存在半导电缓冲!阻水"带与金属护层接触不良或气隙过大&则会导致电缆某个部位的空气隙承受电场强度过高&致使此处金属护层局部放电+TR结束语通过测量H I C J绝缘高压电缆所用材料的物理参数和利用有限元!@RV T V"软件对电缆缓冲层不同结构状况下的电场仿真计算&可以发现%!$"目前用于H I C J绝缘高压电缆的半导电缓冲!阻水"带除了具有半导电特性外&遇水膨胀能使!!!$下转第#U页%-"$-图)为芯棒外径-取&88&玻纤复合材料层厚度取+E)88&卷轴直径分别取#+-&##-&*+-的卷绕应力分布图+轴向和环向应力中的一小部分是线性化的&在对比轴向应力后环向应力基本可以忽略+分析表明&随着卷轴半径的增加&最大抗压强度下降+图)!复合芯棒卷绕时应力分布图TR 结R 论!$"试验采用@Q @f P :有限元软件&对复合材料芯棒在卷绕过程中的分布应力进行了分析计算&为后续组合载荷分析做好准备+!""模拟计算了相同芯棒外径卷绕在不同直径的卷轴上时&芯棒内部的等效应力&并指出最大等效应力是集中分布在碳纤维环氧树脂=玻璃纤维环氧树脂复合材料的分界面处+!,"随着卷轴直径的增加&轴向拉=压应力不断减小&两者间成反比关系&为制定国标中卷绕试验的卷轴半径的确定提供理论依据+参考文献!($)!@I @_@^@&Q C :K JJ M &;P >>:^6@178X7V .S 017/017RYW1S 7/[7/47-V 2Z 2S B.Z B S 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高压电缆接地环流计算及影响因素分析摘要：电力电缆具有传输电能稳定，供电可靠性高等优点，其优秀的电气、机械、化学性能使其在如今快速发展的城市中得到了广泛的应用，但其本身的不足也逐渐显露，由于电缆所处环境复杂多变，对其绝缘有着重大的挑战，在电缆传输电能时，电缆有几率产生绝缘故障。

主要通过PSCAD软件搭建电力电缆金属护层交叉互联接地系统并通过电流互感器获取电力电缆金属护层接地环流数据并进行分析，快速确定故障位置，并对接地环流造成的的影响进行分析。

关键词：电缆；接地环流；故障定位；影响因素前言近年来，随着国家的发展和城镇化的推进，各行各业都有着巨大的发展，同时各行各业的发展都离不开电力网络，其电力电缆凭借着其优秀的电气性能、机械性能在我国基础设施建设中得到了至关重要的地位。

但是电力电缆本身也有着巨大的弊端，因为需要常年埋在土壤之下，土壤中潮湿的环境、微生物腐蚀、化学腐蚀等种种因素都会对电力电缆的绝缘造成破坏，致使电缆故障率居高不下，为此研究出高效的电力电缆故障位置的监测方法是当今电力电缆领域发展的及其重要的一件事。

本文通过接地环流的变化来反映电力电缆主绝缘的变化，通过接地环流大小的实时监测来判断是否发生故障，和故障发生的位置。

有利于在发生故障时可以快速检修维护，保护人身安全和财产安全减少损失。

1.电缆护层环流理论分析及数学模型1.1电缆金属护层接地方式及对接地环流影响研究电力电缆金属护层的接地方式有很多种可以分为：直接接地、单端保护接地、中性点接地和交叉互联接地等等，电力电缆的金属护层在不同的接地形式下感应电压和接地环流的大小都有明显的不同。

(1)直接接地直接接地就是指将大地网络与电力电缆金属护层两端直接相连，这样做的条件是电力电缆不能过长。

接地环流通过金属护层和大地网络形成回路，又因为其电缆足够短，产生的感应电压不大，接地环流因此可以忽略不记。

图1电缆金属护层直接接地(2)单端保护接地单端保护接地是利用保护装置例如接地电阻等将电力电缆的金属护层的一端或两根相连的电缆的相连的那一端与大地网络相连接，电缆的另外一端选择直接接地的方法，通过这种方法能很大程度上减少接地环流，且这种方法适用于较长的电力电缆。

10kV单芯XLPE绝缘电缆金属屏蔽层接地方式探讨摘要：本文介绍了大连市10XLPE绝缘导体截面300mm单芯电缆敷设运行情况，对环流做了实测，对正三角形，水平排列的护套感应电压做了计算，比较，提出了正三角形排列一端接地的结论和建议，供各地同行参考。

关键词：三芯电缆单芯电缆环流感应电压一端接地10kV电缆金属屏蔽层通常采用两端直接接地的方式。

这是由于10千伏电缆多数是三芯电缆的缘故。

八十年代中期前，10kV电缆均采用油浸纸绝缘三芯电缆。

结构多为统包型，少量为分相屏蔽型。

八十年代末期开始大量使用交联聚乙烯绝缘分相屏蔽三芯电缆，逐步淘汰了油纸电缆。

九十年代以来，随着大连经济建设的迅猛发展，负荷密度增大，环网开关柜等小型设备的应用，市区变电所出线和电缆网供电主干线电缆开始采用较大截面单芯电缆。

单芯电缆的使用提高了单回电缆的输送能力，减少了接头，短段电缆可以使用，方便了电缆敷设和附件安装。

也由此带来了金属屏蔽接地方式的问题。

一、单芯电缆金属护套工频感应电压计算单芯电缆芯线通过电流时，在交变电场作用下，金属屏蔽层必然感应一定的电动势。

三芯电缆带平衡负荷时，三相电流向量和为零金属屏蔽上的感应电势叠加为零，所以可两端接地。

单芯电缆每相之间存在一定的距离，感应电势不能抵消。

金属屏蔽层感应电压的大小与电缆长度和线芯负荷电流成正比，还与电缆排列的中心距离、金属屏蔽层的平均直径有关。

1、电缆正三角形排列时，金属屏蔽单位长度的感应电压可按下面公式计算：公式1I---负荷电流，S---电缆中心距离，D--电缆金属屏蔽层平均直径，以YJSY-8.7/15kV-1×300mm,2单芯电缆为例，电缆屏蔽层平均直径40mm，PVC护套厚度3.6mm，当电缆“品”字形紧贴排列，负荷电流为200A时，算得电缆护层的感应电压为每公里10.7伏。

2、电缆三相水平排列时，设电缆间距相等，金属屏蔽单位长度的感应电压可按下式计算：公式2、3、4当三相电缆紧贴水平排列，其它条件与1相同时，算得边相的感应电压为每公里16.9伏，中相的感应电压为每公里10.7伏；当电缆间距200mm时，算得边相的感应电压为每公里36.1伏，中相的感应电压为每公里31伏。

多回路单芯XLPE电力电缆金属护套环流计算分析冯超;王鹏飞;马丽山;廖鹏;马奇;李高峰;郑勇;李秋阳【摘要】针对2种单芯电力电缆金属护套感应电势的计算方法,通过磁通求感应电势方式推导出等腰三角形敷设的四回路电力电缆护套环流计算方程组,利用MATLAB软件建立数学模型,最后结合现场实例,验证了此计算方程组的准确性.【期刊名称】《青海电力》【年(卷),期】2015(034)001【总页数】6页(P31-35,47)【关键词】电力电缆;环流计算;感应电压;MATLAB【作者】冯超;王鹏飞;马丽山;廖鹏;马奇;李高峰;郑勇;李秋阳【作者单位】国网青海省电力公司电力科学研究院,青海西宁810008;国网青海省电力公司电力科学研究院,青海西宁810008;国网青海省电力公司电力科学研究院,青海西宁810008;国网青海省电力公司电力科学研究院,青海西宁810008;国网青海省电力公司电力科学研究院,青海西宁810008;西安博源电气公司,陕西西安710000;国网青海省电力公司电力科学研究院,青海西宁810008;国网青海省电力公司电力科学研究院,青海西宁810008【正文语种】中文【中图分类】TM247由于用电需求日益增加，在城网建设中，常采用多回电缆并列敷设，使得长距离单芯高压电缆线路的护套环流问题更加突出，并更具有复杂性。

目前针对单双回路环流计算的研究较多，然而随着城市用电量不断增大以及城市空间日益狭小，三、四回路电缆线路临近敷设的情况越来越多〔1-4〕。

本文着重介绍城网中常用的四回路等腰三角形排列方式下护套环流的计算方法。

当有交变电流通过单芯电缆时，护套上就会产生感应电压。

若护套两端直接接地，就会在护套上产生环流。

护套环流的大小是由护套上的感应电压和护套回路上的阻抗决定的，即护套感应电压与电缆尺寸、负载电流和周边电缆敷设情况有关〔1〕〔4〕。

护套环流的影响因素包括电缆尺寸、负载电流、同回路三相电缆排列方式、附近回路电缆排列方式、电缆交叉互联的分段线路长度、护套的单位阻抗、接地电阻及大地电阻等。

影响电缆金属护套环流大小因素分析及环流计算作者：刘荣华来源：《华中电力》2014年第01期摘要：本文就影响电缆金属护套环流大小的因素及环流计算进行了分析，详细介绍电缆金属护层环流产生的原因、金属护套的接地方式及影响环流大小的各种因素，提出了一些减少环流的方法。

关键词：护套环流；电缆金属；影响因素；环流计算1电缆护层接地原因当单芯电缆线芯通过电流时就会有磁力线交链金属屏蔽层，产生感应电压，感应电压的大小与电缆长度和流过电缆的电流成正比。

当电缆很长时，感应电压叠加可达到危及人身安全的程度；当线路遭遇操作过电压时（或雷击时），护套上将形成很高的感应电压，甚至可将金属护套绝缘击穿。

此时，如果将金属屏蔽层两端三相互联接地，必然会在波纹铝护套产生感应电流，其值可达电缆导体负荷电流值的50%～95%，形成损耗，同时增高电缆运行温度，直接影响电缆线路的输送容量和电缆的老化程度。

因此，对于单芯电缆线路的接地，不能简单地将电缆波纹铝护套两端直接接地，其接地方式，必须使电缆线路在正常负荷电流运行下，波纹铝护套上没有感应电流通过。

2影响电缆金属护套环流大小因素分析2.1金属护套的接地方式2.1.1护层单端接地为减少金属护套内的环流，最简单的方法就是将电缆护层单端接地。

在系统发生短路时，短路电流流经线芯，不接地端会出现较高的工频感应电压，在电缆外护层不能承受这种过电压而损坏时，将出现多点接地，形成环流。

因此，在采用一端互联接地时，必须采用措施限制护层上的过电压。

根据《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007的要求，单芯电缆线路的金属护套只有一点接地时，金属护套的感应电压不应超过50V、100V（未采取不能任意接触金属护套的安全措施时，不大于50V；如果采取了有效措施，不大于100V），并应对地绝缘。

因此，对于不长（一般小于500m）的电缆线路，可采取将电缆护层一端接地，另一端经保护器接地的接地方式。

2.1.2护层中点直接接地，两端经护层保护接地由于电缆工作电流较大，或电缆长度较长，电缆护层单端接地感应电压超过100V时，护层单端接地方式已不适用，可结合电缆分段，采用电缆护层中点接地，两端经护层保护接地的方式。

10kV单芯XLPE绝缘电缆金属屏蔽层接地方式解说10kV电缆金属屏蔽层通常采用两端直接接地的方式。

这是由于10千伏电缆多数是三芯电缆的缘故。

八十年代中期前，10kV电缆均采用油浸纸绝缘三芯电缆。

结构多为统包型，少量为分相屏蔽型。

八十年代末期开始大量使用交联聚乙烯绝缘分相屏蔽三芯电缆，逐步淘汰了油纸电缆。

九十年代以来，随着大连经济建设的迅猛发展，负荷密度增大，环网开关柜等小型设备的应用，市区变电所出线和电缆网供电主干线电缆开始采用较大截面单芯电缆。

单芯电缆的使用提高了单回电缆的输送能力，减少了接头，短段电缆可以使用，方便了电缆敷设和附件安装。

也由此带来了金属屏蔽接地方式的问题。

一、单芯电缆金属护套工频感应电压计算单芯电缆芯线通过电流时，在交变电场作用下，金属屏蔽层必然感应一定的电动势。

三芯电缆带平衡负荷时，三相电流向量和为零金属屏蔽上的感应电势叠加为零，所以可两端接地。

单芯电缆每相之间存在一定的距离，感应电势不能抵消。

金属屏蔽层感应电压的大小与电缆长度和线芯负荷电流成正比，还与电缆排列的中心距离、金属屏蔽层的平均直径有关。

1、电缆正三角形排列时，金属屏蔽单位长度的感应电压可按下面公式计算：公式1I---负荷电流，S---电缆中心距离，D--电缆金属屏蔽层平均直径以YJSY-8.7/15kV-1×300mm,2单芯电缆为例，电缆屏蔽层平均直径40mm，PVC护套厚度3.6mm，当电缆“品”字形紧贴排列，负荷电流为200A时，算得电缆护层的感应电压为每公里10.7伏。

2、电缆三相水平排列时，设电缆间距相等，金属屏蔽单位长度的感应电压可按下式计算：公式2、3 、4当三相电缆紧贴水平排列，其它条件与1相同时，算得边相的感应电压为每公里16.9伏，中相的感应电压为每公里10.7伏；当电缆间距200mm时，算得边相的感应电压为每公里36.1伏，中相的感应电压为每公里31伏。

边相感应电压高于中相感应电压。

ELECTRIC DRIVE2024Vol.54No.3电气传动2024年第54卷第3期高压电缆护套环流泄漏电流分量的分析与计算陈晓儒1，黄龙毅1，赖胜杰2，杨明嘉2，王泽青2，夏成军2，3（1.广东电网有限责任公司惠州供电局，广东惠州516001；2.华南理工大学电力学院，广东广州510640；3.广东省新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室，广东广州510663）摘要：高压电缆金属护套环流是感应电流分量与泄漏电流分量的叠加，目前，感应电流分量计算较为成熟，而泄漏电流分量的计算存在不足，影响最终环流计算结果与相关故障诊断效果。

为此，提出了高压电缆护套环流泄漏电流分量的计算方法。

以电缆“线芯—护套”的π型等效电路为基础，建立了求解护套环流泄漏电流分量的等值电路，同时计及泄漏电流的分流作用与线芯泄漏电流所产生的环流，基于迭代法得到最终的泄漏电流分量。

利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP搭建了一字型敷设的电缆模型，结果表明：在不同段长组合及负荷电流下，该方法计算结果与仿真值的相对误差在2%以内，相较于现有方法，准确性有较大提高。

所提方法可以较好地解释轻载时出现环流超标的原因；对交叉互联系统故障诊断样本数据的生成有一定的参考作用。

关键词：高压电缆；交叉互联；护套环流；感应电流分量；泄漏电流分量中图分类号：TM247文献标识码：A DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24621Analysis and Calculation for Leakage Current Component of Circulating Current inHigh Voltage Cable SheathCHEN Xiaoru1，HUANG Longyi1，LAI Shengjie2，YANG Mingjia2，WANG Zeqing2，XIA Chengjun2，3（1.Huizhou Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Limited Liability Company，Huizhou516001，Guangdong，China；2.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou510640，Guangdong，China；3.Guangdong Province'New EnergyPower System Intelligent Operation and Control Enterprise KeyLaboratory，Guangzhou510663，Guangdong，China）Abstract：The circulating current of metal sheath in high voltage cable is the superposition of induced current component and leakage current component.At present，the calculation of induced current component is relatively mature，but the calculation of leakage current component is insufficient，which affects the final circulating current calculation result and the related fault diagnosis effect.For this reason，a calculation method for leakage current component of sheath circulating current in high voltage cable was proposed.Based on theπ-type equivalent circuit of"core—sheath"，an equivalent circuit for solving leakage current component of sheath circulating current was established，which take into account the shunting effect of leakage current and circulating current generated by leakage current of cable core.The final leakage current component was obtained based on the iterative method.A cable model with a linear arrangement was built using ATP-EMTP software.The results show that the relative deviation between calculation result and simulation value of this method is within2%under different length combinations and load currents，compared with existing method，the accuracy is greatly improved.This method can better explain the reason of excessive circulating current at light load，and has a certain reference for the generation of sample data for fault diagnosis of cross-connected systems.Key words：high voltage cable；cross-bonding；circulating current of sheath；induced current component；leakage current component基金项目：南方电网公司科技项目（031300KK52200003）作者简介：陈晓儒（1986—），男，硕士，高级工程师，Email：23陈晓儒，等：高压电缆护套环流泄漏电流分量的分析与计算电气传动2024年第54卷第3期近年来，高压电缆在城市电网得到广泛使用，护套环流问题也日渐突出[1-3]。

论高压电缆护套环流分析及防范措施作者：李丰湘来源：《科学与财富》2016年第07期摘要：随着经济的发展和社会的进步，人们的生活水平日益提高，对电力的需求与日俱增，这就对高压电缆供电系统提出了更高的要求，高压电缆护套环流问题一直是制约高压电缆供电系统发展的原因。

基于以上，本文简要分析了高压电缆护套环流，并探讨了高压电缆护套环流的防范措施，旨在保证高压电缆供电系统的运行稳定，满足社会大众与日俱增的用电需求。

关键词：高压电缆；护套环流；防范措施前言：电缆是城市供电中主要的供电媒介，电缆有着供电平稳、安全、通电量大等优点。

但在电缆供电的过程中，形成的护套环流会逐渐导致电缆外的绝缘层遭到腐蚀损坏，从而对城市供电造成影响。

基于以上，本文对高压电缆护套环流进行了分析，并研究了高压电缆护套环流的主要防范措施。

1高压电缆护套的环流分析1.1产生机理当高压电缆有交流电通过的时候，会在电缆线芯周围形成感应磁场，通过的交流电越大，则感应磁场强度越强，在涡流效应下，高压电缆金属护套上则会形成感应电压，护套上感应电压的大小受多种因素的影响，例如通过高压电缆线芯的电流大小、电缆长度、周围回路敷设以及电缆敷设等都会影响高压电缆护套上的感应电压。

当电缆护套出现损坏、发生短路或过电压现象的时候，会导致高压电缆护套多点接地，这就形成了关于护套、接地线和接地系统之间的电流回路，也就产生了环流，此环流能够使高压电缆护套发热，加速了护套的老化，甚至能够直接击穿护套绝缘薄弱的地方，从而对整个高压电缆供电系统的供电产生影响。

1.2高压电缆护套环流异常的危害（1）影响载流量：电缆护套环流出现异常后，其能够对载流量产生重大影响，同时电缆所允许的最大负荷不能够超过载流量额度的60%；（2）加速电缆护套绝缘老化：一旦电缆护套环流出现异常，则会导致电缆损耗发热，电缆绝缘会受到损坏，老化迅速，寿命缩短[1]；（3）局部放电：电缆护套环流异常在加速绝缘老化的同时，可能腐蚀护套表面，从而导致局部放电的现象，影响了电缆供电的安全。

高压电缆金属护套环流分析
杨健锐
【期刊名称】《现代工业经济和信息化》
【年(卷),期】2018(8)18
【摘要】高压电缆金属护套环流超标会严重影响运行电缆的载流量,加速电缆绝缘老化.为确保高压供电系统的稳定运行,应积极研究电缆护套环流问题.通过金属护套环流矩阵计算模型,定性分析出影响环流大小的因素并提出其限制措施.
【总页数】2页(P134-135)
【作者】杨健锐
【作者单位】广州电力设计院有限公司,广东广州 510610
【正文语种】中文
【中图分类】TM216.5
【相关文献】
1.高压电缆金属护套环流超标分析及处理 [J], 王年孝;
2.多回路高压电缆金属护套环流计算研究与分析 [J], 郑建康;苏小婷;郑琳子;张有
平
3.高压电缆金属护套环流超标分析及处理 [J], 王年孝
4.高压电缆金属护套接地环流平衡抑制方法分析 [J], 王荣亮; 王浩鸣; 宗红宝; 刘勇; 孙京生
5.计及金属护套环流影响的高压电缆温度场及载流量的数值分析 [J], 陈悦;杨仕友;覃喜
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电缆金属护层环流的计算探究摘要：文章以电缆技术护层环流的计算为研究对象，首先对电缆金属护层环流计算理论进行了简单介绍，并结合实例，对该理论进行了验证。

随后分析了金属护套环流影响因素，最后提出了一些金属护套环流计算及环流限制措施，希望能够为相关研究提供一定的参考。

关键词：电缆；金属护层；环流计算前言：在电缆输电运行的过程中，如果自身金属护套环流超标，将会对电缆的载流量造成严重地影响，加速电缆绝缘老化，还好导致金属护套持续发热，导致金属护套周围的绝缘器具的绝缘性被严重削弱，影响电缆输电运行安全。

因此有必要加强对电缆技术护层环流计算的研究，将环流影响控制在合理范围内，这对保障电缆输电安全稳定运行有着重要的意义。

1.电缆金属护层环流计算理论分析1.反应环流计算一般情况下，在单端接地电缆系统中，金属护层不存在环流。

而在交叉互联接地系统中，由于系统两端都处于接地状态，因此能够形成一个完整回路，最终在回路中产生环流。

在实际进行交叉互联接地系统环流计算时，我们可以以系统等值电路为依据，获得网孔流方程。

关于电缆金属屏蔽层阻抗，我们可以查找电缆参数表，通过计算获得。

电路中的各相感应电压，我们也可以参考《城市电力电缆线路设计计算规定》（）中公式，通过计算获得。

最后再讲获得的数值代入上述方程之中，在的帮助下，计算得出各网孔实际电流数值。

1.电缆金属护层回路阻抗计算在电缆金属护层中，如果可以忽略较小的集肤效应与邻近效应的影响，并作出如下假设：电缆长度为，金属护层电阻为，单位长度大地漏电阻为 ,单位长度电缆金属护层直流电阻为，那么关于金属护层电阻计算，可采用以下公式：。

关于大地电阻计算，则采用以下公式：。

针对电缆金属护层自感的计算，可采用以下公式：。

在该公式中，代表的是角频率，代表的是以大地为回路的金属护层等值深度，则代表的是电缆金属护层的直径。

此外，值得注意的是，针对电缆金属护层互感，应分以下两种情形考虑：一是中间相感抗为，则有；二是边相感抗为，则有。

考虑泄漏电流及层间耦合的高压电缆金属护套环流计算与分析赖胜杰;夏成军;池梓斌;纪焕聪;陈晓儒;黄龙毅
【期刊名称】《高电压技术》
【年(卷),期】2024(50)2
【摘要】高压电缆线芯与金属护套间存在泄漏电流,当前护套环流的分析与计算中未准确计及其影响,为此提出了考虑泄漏电流及层间耦合的高压电缆金属护套环流计算方法。

首先,建立了基于电缆双π集中参数模型的护套环流等值计算模型,在分析泄漏电流影响时,考虑线芯与护套、护套与护套之间的电磁感应作用;然后,运用叠加原理,推导了考虑泄漏电流及层间耦合的监测点与任意位置护套环流计算过程;最后,基于PSCAD/EMTDC仿真软件,搭建了不同排列方式及段长组合下的仿真模型,并结合工程案例进行结果验证,在此基础上,分析了负荷电流、段长组合以及排列方式对护套环流的影响。

结果表明:采用该方法所得环流与仿真值的误差大都在1%以内,实例分析亦验证了其准确性;此外,工程中需注意轻载环流超标现象以及段长组合对护套环流的重要影响。

以上方法及分析结果对电缆设计、运行监测、故障诊断与定位有一定的借鉴意义。

【总页数】11页(P765-774)
【作者】赖胜杰;夏成军;池梓斌;纪焕聪;陈晓儒;黄龙毅
【作者单位】华南理工大学电力学院;广东省新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室;广东电网有限责任公司惠州供电局
【正文语种】中文
【中图分类】TM2
【相关文献】
1.高压单芯电力电缆金属护套环流计算与分析
2.多回路高压电缆金属护套环流计算研究与分析
3.单芯高压电力电缆金属护套感应电流的研究之一——感应电流的计算和预控
4.高压XLPE电缆金属护套环流的计算分析
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