维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期总第１７０期 ８月 冶 金 丛 刊 ＭＥＴＡＬＬＵＲＣＩＣＡＬ ＣＯＬＬＥＣＴＩＯＮＳ Ｓｕｍ．１７Ｏ ＮＯ．４ ２ ０ ０ ７年Ａｕｇｕｓｔ ２ ０ ０ ７ 浅谈交联聚乙烯绝缘电力电缆设计 选型的安全与经济 杜文俊 （广州钢铁股份有限公司动力总厂） 摘 要通过对影响交联聚乙烯绝缘电力电缆载流量和安全运行的各种因素进行分析，并结合广州珠江气体工业 有限公司氮压机高压交联电缆更换的设计选型的实例，指出交联聚乙烯绝缘电力电缆在设计选型时应考虑的技术 问题，以及提供一些交联聚乙烯绝缘电力电缆安全载流量的计算方法和参数，对确保电力系统的安全运行和经济 投资有着重要的作用。 关键词交联聚乙烯绝缘电力电缆；载流量；影响因素；安全运行；经济投资 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—３８１８（２００７）０４—００４６—０５ 中图分类号：ＴＭ２４７ ＤＩＳＣＵＳＳＩＯＮ ０Ｎ ＸＬＰＥ Ｐ０ＷＥＲ ＣＡＢＬＥＳ ＤＥＳＩＧＮＥＤ ＦＯＲ ＴＨＥ ＳＥＣＵＲＩＴＹ ＡＮＤ ＥＣｏＮｏＭＩＣ ＳＥＬＥＣＴＩＯＮ Ｄｕ Ｗｅｎｊａｎ （Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｌａｎｔ ｏｆ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＸＬＰＥ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｃａｂｌｅｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｉｎ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｚｈｕｊｉａｎｇ Ｇａｓ Ｉｎｄｕｓｔｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，ｓｏｍｅｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ＸＬＰＥ ｐｏｗｅｒ ｃａｂｌｅｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓａｆｅ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗｅｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｉｔ ｐｌａｙｅｄ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｈｅ ＸＬＰＥ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｃａｂｌｅ；Ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒｓ；ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ；Ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｉｎ— ｖｅｓｔｍｅｎ ■ｌ －刖－■‘－・吾 ＿～ 州珠江气体工业有限公司氮压机高压交联电缆更换 的设计选型的实例，综合对比分析新、旧两种的电缆 由于交联聚乙烯绝缘电力电缆不仅具有机械强 度高、耐环境应力好、优良的电气性能和耐化学腐蚀 设计选型方案在安全和经济上的优缺点。 能力，而且重量轻、结构简单、使用方便，所以目前其 相关的电缆产品已广泛地在０．６／１ｋＶ及３．６／６ｋＶ ２ 影响交联电力电缆载流量和安全运 行的因素 ２．１ 温度对电缆载流量的影响 至２６／３５ｋＶ的电力系统中使用，作为电能的主要输 送载体。但由于影响该种电缆载流量和安全运行的 因素较多，在电缆选型设计时需作全面分析和均衡 考虑，而工程技术人员在设计选型时，往往会从偏向 于保障安全运行角度考虑，加大电缆导体截面，选择 一由于交联聚乙烯绝缘材料对温度的承受能力有 定的安全极限，所以电缆导体的运行温度超过一 定的数值、长期超温使用将会加速电缆绝缘材料的 老化，缩短电缆的使用寿命，高温还会导致绝缘材料 在短时间内发生熔解，使电缆绝缘击穿，造成短路事 过大的安全保险系数，从而使工程的投资缺乏经济 性，未能达到安全与经济的最佳平衡。本文结合广 作者简介：杜文俊（１９７２一），男，助理工程师，１９９５年毕业于中山大学 故发生。因此在设计选择电缆导体截面规格时，应 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 杜文俊：浅谈交联聚乙烯绝缘电力电缆设计选型的安全与经济 按系统正常情况下，运行电流通过电缆时，电缆导体 的运行温度确保在规定的安全限值下选取。根据有 关的研究结果表明，交联电力电缆导体长期运行的 最高温度一般不宜超过９０℃，短路时（最长持续时 间不超过５ｓ）电缆导体的最高温度不能超过２５０℃。 对应于以上温度限值规定，各种型号和截面规 格的交联电缆，在不同的敷设环境和敷设排列形式 时，都有其科学的安全载流量数值。表１、表２分别 是部分高压交联电缆（在空气中敷设时，空气温度 为４０℃；埋地敷设时，土壤温度为２５℃，土壤热阻系 数为１．０￣Ｃ・ｍ／ｗ）在导体运行温度达到９０℃时的 载流量数据。 表１ 几种常用单芯高压交联电力电缆的载流量数据 电压等级 ３．６／６ｋＶ １２／２０ｋＶ 铜导体标称截面在空气中敷设排列方式 ／ｒａｍ 品字形排列平行排列 品字形排列平行排列 圭 喜 表２ 几种常用三芯高压交联电力电缆的载流量数据 对表１、表２的数据进行分析比较可知，导体截 面规格相同的单芯电缆比三芯电缆的载流量要大。 相同型号和规格的电缆在土壤中敷设时，比空气中 敷设的载流量要大。而单芯电缆以平行排列方式敷 设时，比品字形敷设方式的载流量要大。造成以上 电缆载流量差异，是由于电缆的构造形式、敷设方式 和敷设环境等对电缆本体散热效果的影响而造成 的。单芯电缆比三芯电缆的构造简单、热传递路径 短、阻碍小、散热效果相对要好，电缆的热积累和温 升就相对较小，自然其载流量就大。土壤的温度比 空气要低，电缆的温升空间相对较大，载流量也就相 对要大。单芯电缆平行排列敷设比品字形敷设的散 热效果相对要好，所以载流量就大。但缺点是电缆 三相的电磁感应未能最大限度地相互抵消，对周边 环境和设施的影响要较品字形敷设大。所以施工设 计时需综合考虑两种电缆敷设排列形式各自的优缺 点，以便作出最有利的选择。 不同的环境温度和土壤热阻系数对电缆的载流 量也会产生很大的影响。不同环境空气温度、土壤 温度和土壤热阻系数影响电缆载流量的修正系数分 别见表３、表４和表５。 表３不同环境空气温度下电缆载流量的修正系数 导体最高 空气温度／℃ 温度／￣Ｃ １０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４０ ４５ ５０ ９０ １．２６ １．２２ １．１８ １．１４ １．０９ １．０４ １．００ ０．９４ ０．８９ 注：一 一…… 以空气温度为４０℃时作基准 …一一 表４不同土壤温度下电缆载流量的修正系数 注：以土壤温度为２５℃时作基准 表５不同土壤热阻系数下电缆载流量的修正系数 注：以热阻系数１．０℃‘ｍ／ｗ为基准 从表３、表４、表５的数据可知，当我们要确定某 种截面规格的电缆的实际安全载流量时，应按电缆 敷设使用场所的最高环境空气温度或土壤温度以及 土壤热阻系数对应选择相应的修正系数，并与表１ 和表２所列的有关型号和规格的电缆的额定载流量 相乘，得出其实际安全载流量数据，再以此结果与系 统的额定运行电流数据相比较。看该截面规格的电 缆是否满足实际使用需要。例如：规格为 ＹＪＶ一８．７／１５ｋＶ一３ Ｘ３５ ｍｍ 的高压交联电缆，采用 空气中敷设方式，而环境空气的最高温度可达５０℃ 时，按下式计算得出１４０Ａ ｘ０．８９＝１２４．６Ａ。也就是 说该型号规格的电缆只适合于５０℃环境下，系统额 定电流不大于１２４．６Ａ的情况时使用。 除以上因素对电缆的载流量造成影响外，电缆 敷设环境通风不良、散热效果差等情况，也会导致电 缆的载流量进一步减小。出现这种情况主要是由于 电缆的敷设密度大，致使电缆的散热效果不良而造成 的。表６是多组电缆敷设时对载流量的影响系数。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・４８・ 冶金丛刊 总第１７０期 表６多组电缆敷设时对电缆载流量的影响系数 工程的投资缺乏经济性。根据经验，应在以上计算 电缆组数 １０ 的电缆最大安全载流量的基础上再取０．８—０．９的 接触０． ０．６９ ０．６３ ０．５８ ０．５５ ０．５０ ０．４６ 安全保险系数，以确保安全运行的需要，使电缆能有 誓 ７ｃｍ ０．８５ ０．７５ ０．６８ ０．６４ ０．６０ ０．５６ ０．５３ 效避免因使用环境等外因变化而导致电缆实际安全 ２５ｅｍ ０．８７ ０．８７ ０．７５ ０．７２ ０．６９ ０．６８ ０．６４ 载流量降低的影响。此外，在易燃易爆和有高温辐 由表６的数据可知，当我们按照环境最高空气 射情况等场所使用时，电缆载流量的安全保险系数 温度、土壤温度和土壤热阻系数计算得出电缆的载 应取０．７—０．８为宜，以减小电缆的正常温升幅度， 流量后，如果电缆是存在多组共同敷设情况时，还应 使电缆运行更安全。 再按表６所列的影响系数进行计算，以得出电缆的 ２．２ 系统电流对电缆安全运行的影响 实际安全载流量数据。如果电缆与另一组电缆发生 在设计选择电缆的导体截面时，应计算清楚系 长距离接触时，应选择影响系数为０．７９，则电缆的 统电流的实际数值，确保所选择的电缆能满足系统 实际安全载流流量为１２４．６Ａ×０．７９＝９８．４Ａ。也就 安全运行的需要。系统电流主要分为两种性质的电 是说该型号规格的电缆只适合于系统额定运行电流 流：一种是系统正常运行时的实际运行电流。由于 不大于９８．４Ａ的情况下使用。在选择多组电缆敷 按设备的性质和系统的运行方式的不同，可将系统 设对电缆载流量的影响系数时，设计人员不仅要对 负荷分为恒定负荷、频繁冲击性负荷、电感性负荷、 电缆目前的实际敷设环境和通风散热效果作出正确 电容性负荷等多种，所以在计算系统的实际运行电 的评估，还要对日后系统增容将增加的电缆敷设数 流时，需做好全面的考虑和分析，正确区分和选择计 量做好合理的预测，以确保修正系数选择的合理性 算的基准电流数据，不能简单地以设备的额定容量 和经济性。 或额定电流作为计算和比较的依据。另一种是当系 综上所述，电缆在设计选择导体截面规格时，除 统运行异常时出现的最大短路电流。由于各个供配 按以上各表的载流量数据和修正系数得出相应规格 电系统的规模、配置、结构和运行方式不同，电缆回 的电缆的实际最大安全载流量外，还应根据实际情 路数量和长度不同，系统对地电容电流相差较大，造 况科学选择一个安全保险系数，以达到安全与经济 成系统的短路电流数值相差悬殊，所以在选择电缆 的平衡。因为按以上各表数据计算得出的电缆载流 导体截面和确定安全载流量是否适合时，还应充分 量数值是一个最大临界数值，电缆如按此电流数值 了解、计算和分析系统的短路电流数值，以便作出正 运行时，是已处于其载流能力的极限状态，系统和环 确的选择。表７是部分铜导体交联电缆在三种导体 境稍有变化，则电缆就会出现超负荷运行的情况，安 运行温度下，发生短路故障，短路时间持续１ ｓ，电缆 全运行的能力较差。但安全系数选择过大，则会使 温升不超限时所能承受的系统最大短路电流数据。 表７ 常用铜导体交联电缆短路电流数据（短路时间为ｔｓ） 由表７数据可知，当我们在计算电缆的安全载 运行产生影响。由于电缆导体存在着直流电阻，而 流量已满足了系统的正常运行电流后，如发现该截 且该电阻值还会随着导体的温度变化而发生变化， 面规格的电缆的短路电流承受能力不能与系统故障 所以系统的运行和起动电流通过电缆时，电缆会产 时的短路电流匹配时，应按系统的短路电流数据选 生分压现象，会造成系统的用电设备的电压降低，并 择与其相适合的电缆规格；相应增大电缆的截面规 导致电缆出现发热等情况。表８是常用截面规格电 格，直至所选截面规格的电缆所容许承受的短路电 缆的导体在２０￣Ｃ时的直流电阻数据。 流大于系统发生短路故障时至保护系统动作分闸期 我们在设计选型时，应按电缆的实际长度和单 间会达到的最大短路电流数值。 位直流电阻数据计算其总直流电阻数值，并在考虑 ２．３ 电压降对系统安全运行的影响 导体的温度变化对直流电阻的影响系数后，计算系 在设计选择电缆的截面规格时，我们还需要考 统在最大起动电流情况下电缆将会产生的电压降， 虑电缆运行时所产生的电压降是否会对系统的安全 确保选择的电缆所产生的电压降不大于系统运行电 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 杜文俊：浅谈交联聚乙烯绝缘电力电缆设计选型的安全与经济 表８常用铜导体电缆导体直流电阻数据 ・４９・ 压的２％～５％为合格，以保证供电系统的电能质量 和供电可靠性。对于电压降的影响，在线路长度较 长、设备起动或冲击电流较大的系统的电缆设计选 型时尤需注意。 ３ 实例分析 ３．１ 温度对电缆载流量影响的分析 广州珠江气体工业有限公司（以下简称珠气） 氮压机高压交联电缆原使用的高压交联电缆为两条 ＺＲ—ＹＪＶ一８．７／１５ｋＶ一３ Ｘ １２０ｍｍ 电缆，敷设环境 为电缆坑和地下室等混合的空气敷设方式，使用环 境的最高温度经测算应为４０￣Ｃ以内，按温度修正系 数取１．００考虑，由表２可知两条电缆在空气温度为 ４０￣Ｃ时的载流量为５８０Ａ。另根据现场电缆的实际 敷设情况，取多组电缆敷设时对电缆载流量的影响 系数为０．７９，则电缆的最大安全载流量为４５８．２Ａ。 按电机标称的额定电流为２７４Ａ计算，设备的额定 运行电流只占电缆最大安全载流量的５９．８％，电缆 载流量的安全保险系数为０．５９８，经估算电缆导体 的运行温度约为５４ｃＩ＝，相对于环境空气温度会有 １４ｑＣ的温升。而实际测量情况是：测量Ｅｔ的环境空 气温度为２６ｃＩ＝，电机的实际运行电流为２３８Ａ，通过 利用红外线测温仪测得电缆本体外表面的温度为 ２８ ｃＩ＝。经综合考虑电缆的热传递效果和测量仪器的 误差等影响，估算电缆导体的实际温度应为３５～ ４０￣Ｃ左右，如加上环境温度基准数值的变化，与前面 理论计算的电缆运行温度基本相同。 新电缆采用三条ＺＲ—ＹＪＶ一８．７／１５ｋＶ一１ ｘ １８５ｍｍ 电缆，敷设环境条件相同，电缆按品字形排 列方式敷设，由表２可知电缆在空气温度为４０ｃＩ＝时 的载流量为４７０Ａ。取多组电缆敷设时对电缆载流 量的影响系数为０．７９，则电缆的最大安全载流量为 ３７１．３Ａ。按电机标称的额定电流为２７４Ａ计算，设 备的额定运行电流只占电缆最大安全载流量的 ７３．７９％，经估算当电机在额定电流情况下运行时， 电缆导体的运行温度约为７０￣Ｃ以内，相对于环境空 气温度会有３０￣Ｃ以内的温升，完全符合交联电缆允 许的导体长期最高运行温度的规定。而电缆载流量 的安全保险系数为０．７３８，虽然比原设计有所降低， 但仍在比较理想的安全范围内。通过电缆投运后的 温度测量，实际情况与设计分析基本相符。 ３．２ 系统电流对电缆安全运行影响的分析 由于该氮压机的高压电机属于恒定负荷运行方 式，不经常起动，过载机率很小，系统的实际运行电 流变化不大，而电机起动过程是定子串接水阻启动， 起动电流为额定电流的３～３．５倍，起动时间为２０ｓ 内，所以设备运行和起动电流对新旧设计所选用的 电缆的安全运行均不会构成威胁。 从系统存在的短路电流情况分析，由于该系统 经设计单位综合计算其系统最大短路容量为 ２７０ＭＶＡ，系统额定电压为１０ｋＶ，也就是说系统的最 大短路电流为２７ｋＡ。由于珠钢的高压系统采用经 消弧线圈接地的运行方式，珠气供电系统作为珠钢 供电系统的一个分支，其短路电流应有所降低。由 于原设计选用的两条电缆的导体截面为１２０ｍｍ ，从 表７可知电缆导体运行温度在６５￣Ｃ以内时，单条电 缆应能承受的最大短路电流为１９ｋＡ。理论上说，当 系统正常运行或出现接地短路故障时，两条电缆应 平均分担运行电流和短路电流，但实际情况却不一 定。由于两条电缆导体的直流电阻和接头的接触电 阻不可能完全相同，必然导致其不能理想地平均分 担负荷电流和短路电流，这给系统的安全运行埋下 了事故的隐患。而新设计选用的电缆的导体截面为 １８５ｒａｍ ，从表７可知，电缆导体运行温度在８０ｃＩ＝以 内时，单条电缆能承受的最大短路电流大于２７． ８ｋＡ，这不但符合有关的规定和要求，而且避免了原 设计所存在的不安全因素。 ３．３ 电压降对系统安全运行影响的分析 该系统所使用的电缆实际长度为６８ｍ，电机的 最大起动电流是额定电流的３．５倍（即为９５９Ａ）。 按表８的导体直流电阻数据计算，原设计所使用的 两条ＺＲ—ＹＪＶ一８．７／１５ｋＶ一３ Ｘ １２０ｒａｍ 电缆和新 设计所使用的三条ＺＲ—ＹＪＶ一８．７／１５ｋＶ一１ ｘ １８５ｒａｍ 均不会对系统的电压质量构成影响。 ３．４ 系统安全运行和投资经济性的综合对比分析 从投资经济角度分析。由于该系统所使用的电 缆实际长度为７８ｍ包括电机至水阻的电缆长度）， 原设计使用两条电缆的总长度为１５６ｍ，更换施工期 间ＺＲ—ＹＪＶ一８．７／１５ｋＶ一３×１２０ｍｍ 电缆的单价 为５２６．３０元／ｍ，电缆购置总费用为８２ １０２．８０元。 而新设计使用三条ＺＲ—ＹＪＶ一８．７／１５ｋＶ一１ Ｘ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・５０・ 冶金丛刊 总第１７０期 １８５ｍｍ 电缆的总长度为２３４ｍ，更换施工期间电缆 的单价为２４７．４０元／ｍ，电缆购置总费用只需５７ ８９１．６０元。如将相关电缆附件和施工费用计算在 内，工程投资节约超过人民币３万元，约占工程总投 资的３０％左右，其经济效益相当明显。 从安全运行角度分析，虽然新设计所选用的电 缆的载流量比原设计稍低，但已基本符合有关技术 要求和规定，安全保险系数达０．７３８，具有较合理的 安全运行裕量。电缆导体的运行温度虽有所升高， 但仍在安全温升范围内，并有效地避免了原设计可 能出现的电缆不能平均分担负荷和短路电流的缺 陷，系统运行更安全、可靠。 ４ 结束语 综上所述，影响交联聚乙烯绝缘电力电缆载流 量和安全运行的因素较多。工程技术人员在具体设 计选型时，应根据系统、设备和环境等各方面的具体 情况，进行全面和综合的分析计算，并通过总结实践 经验，确定合理的安全保险系数，以确保供配电系统 运行的可靠性和投资的经济性。 （上接第３５页） 表４不同烧结中和粉配比对炼铁成本、产量的影响（炼铁配比不变） 表５不同高炉炉料结构配比对炼铁成本、产量的影响（烧结的中和粉配比不变） 降低。所以按目前的矿石价格和生铁价格，烧结应 尽量控制进口矿粉的用量，优先使用省内矿粉。只 有生铁价格进一步上升到较高的价格增产所带来的 效益可以抵消成本的上升时，才可以增加进口矿粉 的使用比例。当进口矿粉价格下降达到与省内矿粉 ＩＳＩ块矿与烧结配矿类似，应综合考虑成本对效益的 影响和增产对效益的影响，达到效益最大化。 ６ 结语 广钢股份虽然地处沿海，原料进口便利，但由于 对比的合理价格时，才能提高进口矿粉比例。当进 口矿粉价格有所下降，但未达到或接受合理价格时， 规模较小，进ＩＳＩ矿石未能与国外矿山达成长期的合 作关系，以贸易矿为主。近年随着国际矿石价格的 大幅度上升，大量使用进ＩＳＩ矿石将引起生产成本大 幅度上升。根据上述分析，目前虽然本地矿石资源 质量相对差一些，影响产量，但由于价格较低，利于 降低成本，提高利润。 此外，还应适当增加烧结的产能，扩大本地资源 配矿时应综合考虑成本对效益影响和增产对效益影 响的关系，只有增产带来的效益大于成本上升的影 响时，才可以提高进口矿粉的比例。 从表５同样可以得出：以目前市场价格，高炉增 加进口球团矿或进口块矿使用比例都会造成效益降 低。增加烧结矿的比例，降低进口球团和进口块矿 的利用比例（如精矿粉的使用），提高高炉烧结配 比，降低炼铁、炼钢的生产成本。 均有利于提高效益。何种情况下提高进口球团或进 参 考 文 献 ［１］周传典．高炉炼铁生产技术手册．北京：冶金工业出版社，２００３． ［２］ 王筱留．钢铁冶金学（炼铁部分）．北京：冶金工业出版社，２００４