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电力电缆载流量的问题研究

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2013年4月20日

目 录

第1章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 电力电缆的介绍
1.1.2 电力电缆的发展
1.2 电缆载流量研究的现状
1.2.1 ＩＥＣ６０２８７计算电缆载流量的方法
1.2.2 数值解法
1.2.3 提高电缆载流量的现状
1.3 本论文的主要任务

第2章 电缆内部载流量关联分析
2.1 电缆敷设研究
2.2 电缆载流量的计算
2.3 热量传递
2.4 圆筒壁的稳态导热

第3章 电缆载流量计算研究
3.1 电缆载流能力中的线芯交流电阻的计算
3.2 电缆载流能力中的介质损耗计算
3.3 电缆载流能力中的金属护套损耗计算
3.4电缆载流能力中的铠装损耗计算
3.5电缆载流能力中的热阻计算
3.6 影响电缆载流量的因素分析
3.7 电缆载流量计算的研究现状

第4章 电缆在工作中存在的问题及解决方法
4.1 电缆散热现有的不足
4.1.1 接触电阻造成的载流量的变化
4.1.2 介质损耗对载流量的影响
4.1.3 金属护套损耗对载流量的影响
4.2 电缆装置及周围环境散热存在的问题
4.2.1 关于电缆绝缘材料的问题
4.2.2 环境温度的影响
4.2.3 环境温度的影响
4.3减小接触电阻的措施
4.3.1 严格按照规范布线、处理导线接头部分
4.3.2 材料选择
4.3.3 采用预制分支电缆
4.4 降低环境温度及提高散热系数的措施
4.5 电缆截面选择的优化
4.5.1 导体经济截面的分析
4.5.2 电缆截面经济的费用分析

第5章 电缆载流量的实验设计

结 论
参考文献
致 谢

电力电缆载流量的问题研究

摘 要：电力电缆的载流量因受敷设方式、运行条件和周围环境等因素的影响而不易确定，准确计算各种复杂条件下电缆的载流量，对确保电缆的安全、经济运行具有重要的意义。文中介绍了电力电缆载流量计算的解析法和数值法的发展过程，分析了ＮＭ理论的不足和对它的改进，以及ＩＥＣ　６０２８７栽流量计算标准的基本内容和应用局限；提出后续研究的内容及方法。降低电缆运行时的线芯温度，延长电缆线路的使用寿命和提高线路运行的可靠性，是迫切需要解决的问题。论文对电缆载流量做了研究。传统的电缆载流量计算方法中,各参数一般都采用IEC-60287标准中的推荐值,与现场运行中电缆的参数存在较大差异,致使载流量的理论计算值与实际值有着明显偏差。同时,电缆的敷设方式多种多样,如直埋、电缆沟、隧道、排管敷设等。不同的敷设方式,将直接影响到电缆运行的经济性和可靠性。因此,如果能够根据复杂的外界环境,实时准确的计算出电缆的载流量,确定最优的敷设方案,对于提高电缆利用率,保障电缆安全运行有着重要的理论和实际意义。

关键词：电线；载流量；电缆；载面积

第1章 绪论

1.1 课题背景
电缆的载流能力关系到电缆线芯截面选择、电缆安全运行、经济效益等诸多方面。特别是很多城市地区大量使用的电缆，由于选用理论数据设计电缆回路，使得电缆回路的理论载流量和实际运行中表现出的载流量有较大差异。因此为了更加安全、合理、经济的选择电缆及对现有运行电缆载流能力的有效利用，有必要对现有运行电缆的载流量在不同条件下的变化情况进行分析和调整，以满足实际工作需要，进一步在提高系统安全性的前提下节省开支。
大量的高压电力电缆的使用，需要进行载流量与敷设条件及环境温度关系的分析计算，以求能够更准确的计算出ＸＬＰＥ电缆的额定理论载流量和实际最高工作温度下载流量的差值，为线路设计提供更有价值的参考，为更合理的利用电缆资源提供理论依据。

1.1.1 电力电缆的介绍

发电厂把机械、热等形式的能量转换成电能，电能经过变压器和输电线路输送并分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的各种形式的能量。这些生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连接在一起组成的整体称为电力系统。电力系统中输送和分配电能的部分成为电力网。他包括升降变压器和各种电压的输电线路。把电能传送到工厂、农村和城市，实现工业、农业以及服务行业的电气化，就需要用电线、电缆。如同在自来水系统中，水要通过管道能供给人们使用，电能也需要通过电线、电缆才能供给用户。因此，电线、电缆是实现电气化不可缺少的、大量使用的器材。用于电力传输和分配的电缆称为电力电缆。

电力线路包括输电线路和配电线路。输电系统和配电系统之前在电压等级上没有严格的界限，各国的规定也不尽相同。目前我国规定电压在ｌｌＯｋＶ及以上的电力网叫输电系统（或高压系统），电压在３５ｋＶ及以下的电力网叫配电系统（或低压系统）。电力线路按结构又可分为架空线路和电缆线路两大类。

１）架空线路

架空线路即将线路设在杆塔上，敷设于户外地面上空，它由导线、避雷针（又称架空地线）、杆塔、绝缘子及金具等元件组成。
导线和避雷针均采用裸线。导线的作用是传输电能。避雷针的作用是将雷电电流引入大地，保护电力线路免受雷击。因此它们都应由良好的导电性能。杆塔用于支撑导线和避雷针。绝缘子用来支持或悬挂导线并使导线与杆塔绝缘。因此必须具有良好的绝缘性能和足够的机械强度。金具是用来组装架空线路的各种金属零件的总称。

２）电力电缆
电力电缆是电力系统主网的主要元件。一般敷设在地下的廊道内，其作用是传输和分配电能。电力电缆主要用于城区、国防工程和电站等必须采用地下输电的部位。电力电缆主要由三大部分组成：（１）导体：高电导系数材料（铜、铝），传输电流，指导功率传输方式；（２）绝缘层：油浸纸、橡皮、塑料等，承受电压，起绝缘作用；（３）保护覆盖层：保护电缆绝缘不受外界环境的影响和防止机械损伤等。一般来说，电缆用于电压比较高，传输功率比较大，可靠程度要求比较高等。设计、制造经济、可靠、耐用的电缆是电力工业重要的问题之一。

在大多数情况下，用架空线传输电能要比用电缆的成本要低，但随着工业的发展，电缆用量在整个传输线中所占比例逐年提高。与架空线相比，电缆具有下列优点：

（１）线间绝缘距离小，占地小，电缆作地下敷设不占地面上空间；

（２）不受周围环境污染影响，送电可靠性高；

（３）地下敷设电缆岁人身安全可靠，不暴露目标，适于战备。

因此，在大城市人口稠密区的输配电网络，城市郊区的输配电网络，大型工厂、发电厂、交通拥挤区、电网交叉区要求占地小、安全，减少电网对交通、城市建设的影响，多采用电缆；在严重污染区，为了提高送电的可靠性，多采用电缆，对于过江、过河输电线路，跨度达，不宜敷设架空线，或为了避免架空线对船舶通航或无线电干扰，也多采用电缆；有的工程从国防战备需要，避免暴露目标而采用电缆；也有草能够建筑美观需要而采用电缆。电缆引出线成为电站不可缺少的一个重要组成部分。

1.1.2 电力电缆的发展
随着电能的应用和发展，为了适应输送和分配大功率电能的需要，１１０多年前世界上首次在地下铺设电缆。１８９０年，英国开始安装１０ｋＶ单相电缆；法国在１９５２年开始铺设３８０ｋＶ，－４００ｋＶ的充油电缆，１９６０年开始铺设５００ｋｖ的充油电缆。
我国于２０世纪３０年代后期开始生产电缆，解放初期仅能生产低压油浸绝缘电力电缆，随着工业的发展和科技进步，１９７３年研制生产出了３３０ｋＶ充油电缆。目前我国生产的电力电缆主要采用交联聚乙烯绝缘电力电缆。油纸绝缘和交联聚乙烯绝缘电力电缆均达到了５００ｋＶ的电压等级。聚氯乙烯绝缘电力电缆主要用于千伏级的电力电缆。其余电压等级大部分为交联聚乙烯绝缘电力电缆，但油浸纸绝缘电力电缆仍占有一定的比例。
随着科学技术的发展和大容量远距离输电的要求，一些新型结构的电力电缆也在不断问世，跨世纪的新的输电方法可能从根本上改变了电缆的传统结构【５１。
１）气体绝缘管道电缆（ＧＩＬ，ＧＩＣ）
ＧＩＬ最初用于发电厂和变电站的ＧＩＳ短距离延伸。由于气体绝缘管道电缆适于高压特大电流传输，美国于２０世纪８０年代就己开发出１２００米的ＧＩＬ样机，日本于１９９８年建成世界最长的ＧＩＬ（２７５ｋＶ、３．３ｋｍ、二回路）；法国ＥＤＦ也在进行１００ｋｍ长的ＧＩＬ适用性论证。我国发展特高压输电线已完成技术论证，因此尽快开发ＧＩＬ确是我国电工制造部门的当务之急。
２）塑料被覆架空高压电缆
英国ＢＩＣＣ电缆公司和ＢａｌｆｏｕｒＫｉｌｐａｔｒｉｃｋ公司联合开发了一种新颖的塑料被覆架空高压电缆。这种新的被覆电缆克服了早期产品的许多缺点，将在英国的配电系统中得到广泛的应用。新开发的这种高压电缆，完全可以挂在现有的电杆上，无需担心电缆的下垂和风力作用下产生的振动。目前，它己通过恶劣环境测试，证实其完全可以代替一般的裸线电缆、铝芯钢覆电缆、铝铠装电缆，它的工作电压为１ｌ￣２４ｋＶ，价格高于现有的被覆电缆约３０％（约为裸线电缆的２倍）。但由于无需树立新的电杆，安装费用将十分低廉。
３）铝合金导线
它不仅用于输电线路和光纤复合架空导线（ＯＰＧＷ），还将大量用做ＣＡＴＶ宽带网接人用户电缆的编制线。众多的长距离、超高压输电线路需要在较短的时间内建成，经专家反复论证，钢芯铝合金绞线将是最重要的一种新型线种，将在工程中采用。
４）大长度大截面超高压电力电缆。这一大类电力电缆技术开发包括以下品种：大长度海底电力电缆，有充油电力电缆和交联电力电缆，电压等级为３５～１１０ｋＶ，截面可达５００－－１２００ｍｍ2，长度发展到几十公里至上百公里；大截面高压交联电缆，电压等级为１１０－２２０ｋＶ主要规格１０００－－２５００ｍｍ2；大截面超高压交联电力电缆，电压等级为２７５～５００ＫＶ，主要规格１０００～２５００ｍｍ2；１１０～５００ｋＶ充油电缆，主要规格１０００～２５００ｍｍ2；高压、超高压电缆附件，主要规格１１０－－，５００ｋＶ，４００～２５００ｍｍ2；
５）充油电缆
５００千伏充油电缆迄今已有７０多年运行历史，是世界上公认的绝缘性能优良、运行可靠的高压及超高压电缆。但由于介质损耗系数较大，故其在超高压下传输大容量电能就受到其他型式电缆的挑战。７０年代起５００ｋＶ充油电缆己在国外水电站安装运行。中国从１９６４年开始，６６ｋＶ、１１０ｋＶ、２２０ｋＶ及３００ｋＶ充油电缆已按适用的电压等级相继在各电厂、水电站及城市电网中运行。５００ｋＶ充油电缆亦已在东北电网锦州至辽阳线路上运行。目前中国沈阳电缆厂、上海电缆厂均已掌握５００ｋＶ充油电缆制造技术。红旗电缆厂已具备制造５００ｋＶ及更高电压级充油电缆的生产线。
对５００ｋＶ充油电缆进行了系列设计及载流量计算。５００ｋＶ充油电缆导体最高温度为８５０Ｃ，常用截面范围８００～２５００ｍｍ2。
６）交联聚乙烯绝缘（ＸＬＰＥ）电缆
交联聚乙烯绝缘电力电缆由于具有良好的电气性能等一系列优点，被广泛得 到使用，其制造技术从低压到高压，从小截面到大截面，从普通结构到阻燃，从过氧化物交联、硅烷交联到辐照交联直至紫外光辐照均己日趋成熟。上世纪８０年代末，沈阳电缆厂用２＋２悬链工艺制造出我国第一根１０ｋＶ交联电缆，９０年代初，上海电缆厂开始用立式交联工艺生产１１０ｋＶ交联电缆，郑州电缆（集团）股份有限公司在试制成功ｌｌＯｋｖ交联电缆后，１９９６年首次用立式全干法工艺生产的２２０ｋＶ交联电缆填补国内空白。实际上国内高压交联电缆的应用还要超前于电缆的制造。目前，国产１１０ｋＶ和２２０ｋＶ高压交联电缆的制造技术己基本接近当代世界先进水平。
ＸＬＰＥ电缆介质损耗较低，传输容量较大，适合于高落差敷设，可以实现无油化。５００ｋｖ皱纹铝套ＸＬＰＥ电缆已于１９９８年首先在日本今市电站与下乡电站安装运行。与ＸＬＰＥ电缆同时投入运行的还有插人全封闭组合电器电缆终端。但５００ｋＶＸＬＰＥ电缆连接接头至今未完成开发研制及实用化。对于ＸＬＰＥ电缆，特别对于超高压ＸＬＰＥ电缆的长期运行可靠性是世界各国十分关注的问题。
５００ｋＶＸＬＰＥ电缆导体最高温度为９００摄氏度。对５００ｋＶＸＬＰＥ电缆进行系统设计与载流量计算，截面范围为８００～２５００ｍｍ2。
７）聚丙烯薄膜木纤维复合纸绝缘充油电缆（以下称为ＰＰＬＰ电缆）
经过几十年对低损耗系数包带材料的探索与开发研究，聚丙烯薄膜木纤维复合纸（ＰＰＬＰ）已是公认的可以用来制造高压至特高压低损耗充油电缆的绝缘材料。最新发展的ＰＰＩＰ的介质损耗因数ｔａｎ６低，介电强度高，并兼有充油电缆的高可靠性，不但在５００ｋＶ长线路上已经实用化，而且已应用于８００ｋＶ海底电缆，日本正在筹划开发不需强迫冷却的１１００ｋＶ特高压ＰＰＬＰ绝缘充油电缆，导体截面２５００ ｉｎｔ０２，绝缘厚度只有２６ｍｍ，相当干我国２２０ｌ【Ｖ交联聚乙烯电缆的绝缘厚度。中国己具备开发与生产５００ｋＶＰＰＬＰ电缆的基本条件。
对５００ｋＶＰＰＬＰ电缆进行系列设计与载流量计算。５００ｋＶＰＰＬＰ电缆导体最高温度为８５０摄氏度，截面范围为８００～２５００ｍｍ2。
８）高温超导电缆（ＨＴＳＣ）
２０世纪６０年代研制成功的超导体经历了低温超导、工频超导与高温超导三个阶段的发展。高温超导电缆除可以传输特大功率的电能之外，其临界长度可达（１英里、１．６０９公里），载流量与土壤等敷设条件无关，并具有耐受短路电流大、系统允许过载周期长等优点。由于液氮冷却就可以使高温超导材料进人超导态，其价格已经接近能与普通电缆竞争的程度，因而促使高温超导电缆加快了实用性话进程。根据国外预测，高温超导电力电缆估计到２０２０年可形成产业。目前美国、意大利、日本、韩国、法国、丹麦等工业发达国家的大公司都在积极研究开发。

1.2 电缆载流量研究的现状

1.2.1 ＩＥＣ６０２８７计算电缆载流量的方法
随着负荷需求的快速增长，直埋、隧道、沟道内电缆敷设回路数量也随之增加；城市地下环境中可能存在各种人工热源和其他不确定性影响，确定电缆的有效载流量变得愈来愈重要，但同时也使得传统的计算方法变得更复杂和不可靠。
电缆额定载流量的计算公式是国际电工委员会（ＩＥＣ）根据国际大电网会议１９６４年的报告与１９８２年所制定的电缆额定载流量计算标准。随后对该标准经过２０多年的修改和增补，形成了现在的ＩＥＣ６０２８７标准。但是ＩＥＣ６０２８７只是对一般的简单的运行状态的载流量可以进行理论计算［６１。根据实际情况某些参数的取值未作规定，如：
（１）与电缆结构材料有关的参数（例如绝缘材料的热阻系数），只给出代表性数值：
（２）与环境条件有关的参数，其值可能变化范围很大，取决于电缆敷设现场的条件和状况。
（３）来自于制造厂和用户之间协商的参数，包括安全裕度和运行状况（例如最高导体温度）。
这些参数有的与电缆所用材料有关，尤其是新材料的热阻系数需要通过测试求得。此外，对于直接埋地、管道、沟道或钢管中敷设的电缆，鉴于土壤的水分迁移而引起土壤干燥，其热阻稀疏发生巨大变化，必须先尝实测，采取相应措施。为了准确的计算电缆在特定环境条件下的载流量，选取相应参数值时应特别考虑。
传统的ＩＥＣ６０２８７提供１００％稳态载流量的方法对环境状态做出简单，均匀的假设，其暂态方法也对日负荷曲线做出一致性假设，因此，其计算结果始终和
许多不确定性相关。出于这些担忧，目前电力部门控制电缆的实际使用负荷通常不超过计算额定值的７０％；这意味着资源利用不足。在另一方面，在夏季用电高峰或维修需要在某一回路上加载较大电流时，由于缺乏足够信息，管理人员往往面临在不确定条件下作决定的困境。这是另一个需要解决的问题。

1.2.2 数值解法

用数值方法求解传热问题可以理解为：根据所需求解的实际问题建立合理的数学模型，利用离散化处理的数值方法，再通过用计算机高级语言编制的程序，以电子数字计算机作为工具来求解传热问题。
长期以来，传热学是一门以实验为主的科学。由于能够获得解析解的范围太窄，近似求解方法又存在较大的局限性，而给予相似理论所要求的完全模化有不易实现，并且实验测量也会遇到很多困难，有时甚至是不可能的，因此，为了实现对多变量非线性复杂边界问题求解的目的，就产生了数值求解方法，以有限差分法为代表的数值计算和图解法曾得到了发展，并使一部分工程课题得到了解决，但数值解法的主要缺点是计算工作量太大。随着计算机技术的迅速发展，给传热学问题的数值计算开辟了广阔的前景。在国外，传热数值计算的较大发展是从七十年代开始的。
古典的近似计算有两大分支，第一个分支就是有限差分法，第二个分支是解析的变分计算，它包括能量变分法和加权余量法。由于受到有限差分法计算的启示，整体区域变分求解在遇到困难的情况下也采用了网格划分的技术，使变分计算在每一个局部的网格单元中进行，最后再合成为整体的线性代数方程组求解，这就是有限单元法。有限单元法可以具有任意布置得节点和网格，从而对复杂区域和复杂边界问题的求解带来极大的适应性和灵活性。ＥＬ．Ｋａｄｙ采用有限元法来解方程，采用泛函的变分计算，将变分问题转化为多元函数求极值的问题，取得近似解代替微分方程的求解。但是他在这篇文章中虽然承认梯度造成的水分迁移，并且承认水分含量对土壤导热系数的影响，却仍旧忽略水分迁移的影响，而且这些模型只应用于很有限的条件，且涉及到某些类型的土壤，仅可以作为这类问题的初步近似。
同一物理问题的不同数值解法间的主要区别，在于子区域的划分与节点的确定、离散方程的建立及其求解这几个步骤上。关于传热学所采用的一些数值求解方法，主要的是有限差分法、有限元法、边界元法一Ｊ。有限元法、边界元法及有限分析法在最近几年中有很大的发展，并己成功地解决了一些流动及对流换热问题。但是，就方法发展成熟的程度、实施的难易及应用的广泛性等方面而言，差分之一类方法仍占相当优势。近年文献中经常使用“有限容积法”这一名词，即有限体积法，它就是将控制方程有限大小的容积作积分以导出离散方程的方法，也属于有限差分法的范畴。
为了减少计算工作量，Ｇｅｌａ采用边界元法来解地下电缆温度场ｏｏ］，边界元法的优点在于考虑计算区域的边界，而不是计算区域的内部，这就使计算量从三维简化为二维。而且内部区域不需要划分网格，计算量明显低于区域型的计算方法，如有限元法或有限差分法。边界元法在于无穷远处截断区域作为边界，不需要像有限元或有限差分法那样布置一个人为的边界，认为这个边界上的温度等于环境温度。但是当处理一个具有多层土壤的实际电缆沟问题或具有多根电缆敷设的问题时，边界元法的边界太多太复杂，计算量变得特别大。
Ｍ．Ａ．Ｈａｎｎａ采用有限差分法来计算电缆沟中电缆的散热情况［ＩＨ。其数学模型为将整个区域分为自然土区域、回填土区域、和填充土区域，不同的区域导热系数不同。采用稳态二维导热微分方程进行计算，其中每一个节点的温度由其上、下、左、右四个节点及该处内热源的大小来确定。电缆的表面看作等温体，由周围四个节点确定温度。当给定载流量时，确定电缆的表面温度；当给定电缆表面允许温度时，确定电缆载流量。地面和大气层之间存在导热和对流传热。导热由傅立叶公式确定，对流热换由牛顿公式确定。方程对于整个区域的每个特殊点均单独列出其热平衡表达式，以供编程时使用。这篇文章还分析了电缆表面节点的温度计算表达式，并按电缆的直径大小进行分别处理。当电缆的直径可以忽略时，将电缆看作线热源，在ｘ．Ｙ平面上将整个电缆节点区域看为一点，这时对于电缆热平衡方程仅仅列出这一点的散热情况。当电缆直径的大小不能忽略时，这时就必须计算出电缆表面上每一个节点的温度。程序的迭代方法采用了高斯一赛得尔迭代，用每次新计算出来的温度值继续进行计算，而不是计算扫过整个区域后再进行每个节点温度的赋值。这篇论文还对影响散热量和迭代次数的主要参数进行了分析，主要包括网格点数、初始温度、相对误差。程序的编制尽可能使计算次
数达到最小值。Ｍ．Ａ．Ｈａｎｎａ论文很详尽的对电缆沟形式的计算进行了叙述，但其程序不考虑电缆内部的结构，即假定各种类型、各种界面大小的电缆具有相同的载流量。
１９３２年，Ｓｉｍｍｏｎｓ发表了一些关于地下电缆温度场近似计算的文章。Ｎｅｈｅｒ继续他的研究，并首先采用微分的形式来解能量方程，他对多层土壤中的地下电缆进行研究，确定了各种类型电缆的几何参数和安装条件，并计算出电缆周围土壤中的温度分布和电缆的散热情况。目前众所周知的能量方程Ｋｅｎｎｅｌｌｙ方程，其基本思想是对于相同尺寸的地下电缆，认为热场的温度梯度相似于静电场的电压梯度。由于该方程假设土壤的物性参数相同，而且认为不仅大地表面是等温面，电缆表面也为等温面，所以只适用于理想的直埋电缆或电缆沟形式。后来又有人提出了一种改进的方程，采用叠加的方法提高精度，这种方法尤其应用于存在多个热源的时候。缺点是不能随季节变化确定地下电缆的实际温度分布。目前国内有些期刊中采用的保形变换方法就是基于这个原理来计算电缆温度场分布的。
很多文章都对地下电缆的散热情况进行过讨论，目前所得到的资料大多数都是以直埋或电缆沟形式为模型进行计算。地下电缆的载流量主要取决于电缆周围土壤的导热系数，对于电缆预埋管形式则又受到管内填充材料或空气热阻的影响。由于地下电缆系统造价很高，在这方面进行很小的改进就能省很大的投资。在八十年代以前，人们主要采用镜像的方法来计算地下电缆的温度场。随着数值传热学的发展（Ｐａｔａｎｋａｒ １９８０），最近二十多年来，许多人都在致力于研究用数值计算方法对地下电缆温度场进行精确计算。
目前，已经有几种方法建立计算地下电缆载流量的程序，这些程序在解导热微分方程时都把土壤的导热系数看作常熟，而实际上，在温度较高时土壤的导热系数随着温度的变化而变化。有许多论文以数值计算方法为基础，提出了地下电缆温度场的计算方法，采用坐标组合、梯形折线等不同的方法划分网格，模拟计算出地下电缆的温度场，最终确定电缆的载流量。
现有的ＩＥＣ标准推荐的方法虽然很容易使用，却将问题过于简化了。地下电缆系统造价昂贵，所以越来越要求人们建立更为精确的模型。若利用实验研究方法研究问题，实测不同的工况下温度场的分布，需要花费大量的人力、物力。而采用数值计算方法可以模拟多种不同条件下、不同工况下电缆温度分布，对实际的工程应用有重要的指导意义。

1.2.3 提高电缆载流量的现状
电线电缆是传输电力的重要器材。超高压远距离输电大都采用架空裸导线，如钢芯铝绞线 等。短距离或必要场所(城区内等)则采用电力电缆。随着高科技的崛起，新技术、新工艺、新材 料不断运用于电缆制造行业。以适应于各种需要的电缆则应孕而生，诸如电力电缆系统电压已升到 500,750，甚至 1000千伏。对中、低压电力电缆更超着多样化发展，如大型电站和原子能 电站，海上船舰、I机、 地下建筑等都需要防火、阻燃、耐高温、耐辐射，安全可靠性得到保证的新型电缆。 我们国家己经形成了强人的电线电缆行业研究和生产集团，以适应和满足实际的 需要。电缆产品及其载流量己大都向IEC靠拢。这是适应国际大市场的需要。
为了输电线路安全可靠、经济合理地运行，国际电工委员会 (IEC)和各个国家都有 (或在制订) 相应的电线电缆载流量计算标准。IEC60287标准(q是电缆额定载流量(100%负荷因数)计算标 准。发达国家各国都有统一的基准载流量。英、美、日、德、法等各个国家都有本国统一的载 流量数据。以IEC60287标准作为制订本国电缆产品载流量依据。国际贸易也以 IEC标准作为确定电缆载流量依据.IEC-60287标准以是国际上公认的电力电缆计算额定载流最唯一标准。我国电缆载流量计算标准JB/T10181-20002]等同于IEC60287。将于本年度10月份执行，这将是我国确定电缆荃准载流量的依据，也意味着我国载流量混乱的局面即将结束。

载流量是确保电线电缆安全可靠运行的重要运行参数。它也是用户选择电缆截面的重要依据。选择截面过小，虽然初始投资减小，但在运行期间不仅是要消耗大量能源，而且影响电缆使用寿命乃至引起故障或者引火成灾。这样的实例举不胜举。因此，对国家标准产品制订相应的载流量乃是当务之急。现在我们己经完成或正在进行以下电线电缆产品的载流量软件和载流量表的制订工作。
对高压和超高压输电线路用铝纹线和钢芯铝绞线 (GB1179-83)结合我国地理和气象条件依据IEC1597标准[6]进行载流量计算，并制成相应的计算软件和载流量表，以适应任何用户对各种结构的导线和不同环境条件下载流量的计算。 电力电缆与架空导线相比除结构不同外，对于敷设方式诸如有空气中、土壤中、管道中等多种。其传输容量除受电缆本体 〔材料和结构)外，与敷设方式和环境条件有直接关系。我国 以前引用原苏联的资料较多，70年代以后随着新电统类型不断出现，研究单位和制造厂也提出了 相应产品的载流量。 但是由于当时载流量计算方法和计算参数取值比较混乱，采用的计算参数取值不同，计算结果各异.因此，目前我国电缆载流量数据处于混乱状态。进而导致电缆事故 频频出现。 载流量问题是制约正确选择电缆截面的关键问题。制订电缆墓准载流量首先要从安全方面考虑，确保电缆在使用期内能安全可靠的传输电能。这是电缆运行的荃础数据，它与环境条件有关，所以要确定一个基准环境条19',结合实际能反映国家一般性环境条件(地理气象等状况)的并具有代表性数据作为基准条件下的计算参数值，则国家标准产品其基准载流量是唯一的。电力电缆 (包括油纸电缆、塑料 (PVC和 XLPE)电缆、橡塑和特种电缆)载流量计算的各种软件 和不同敷设不同排列方式下载流量表正在加紧工作，不久即可完成。
另外 根据实际环境条件给出不同于基准条件下载流修正系数。同时考虑到实际变负荷情况，通过计算对基准载流盘乘以变负荷因数，可以充分利用电缆的传输能力，这就涉及到电缆暂态运行问题，也在进行工作之中。
电缆截面(载流f)的选择导则:载流且是确保电线电缆安全可靠运行的重要运行参数。它不仅与电缆本体的材料和结构有关，而鱼与环境条件和运行状态有关。用户选择电缆类型和截面时应具备足够的资料是极其重要的。
选择电统应具各的资料 为选择适合的电缆类型，用户向电缆制造厂提供尽可能多的必要的环境资料，促使制造厂尽里获得最多信息是有益的。
运行条件 系统额定电压:三相系统最高电压U,:闪电过电压:系统频率:接地型式以及当中性点非有效接地情况下，任何一次接地故障状态的最大允许持续时间和每年总的持续时 间.最大额定电流 一连续运行;周期运行;紧急运行或过载(如果发生).确定导体尺寸时若考 虑周期负荷则负荷曲线是必不可少的. 相间以及相对地短路时预期流过的对称和非对称短路电流，短路电流的最大流过时间等。
安装资料 线路长度和断面图:设置(如平面或三角形排列)以及金属套互连和接地方式;特定的敷设条件，如电缆敷设于水中.个别装置要求特殊考虑。对于埋地电缆 敷设条件(如直埋， 管道中等)的详细资料，以确定金属套结构，恺装(若需要)型式和外护层类型，如防腐，阻燃或防白 蚁。埋地深度。沿线路土坡热阻系数和类型(如沙土，粘土和人工土)，以及该资料来源是测量，调查或仅是根据假设。埋地土坡处的土壤温度最低值，最高值和平均值.邻近其他有负荷电缆和其他热源的详细资料。电缆沟，管道或管子的长度。若有工井则包括其间距.管道和管子的数量。
管道和管子的内径.数盘超过一根时，各管道和管子的间距.管道和管子的材料. 对于空气中 电缆周围空气温度的最大值，最小值和平均值。安装类型(如直接置于墙壁上托架上等;电缆群敷设情况及 道和道的尺寸等)。通风装置的详细资料(对于户内，
隧道或管道内电缆)。是否受日光直射。特殊条件，例如火灾危险。
如前所述，选择电缆截面的关键是确保供电的安全可靠，电能质量，电力网的经济性，并应从 动态的观点考虑。 因为电力线路的输送功率是逐年增加的，并且线路的投资及运行费用即资金是有时间价值的。电力电缆是电力系统主网的主要元件。一般敷设在地下的廊道内，其作用是传输和分配电能。电力电缆主要用于城区、国防工程和电站等必须采用地下输电的部位。电力电缆主要由三大部分组成：(1)导体：高电导系数材料(铜、铝)，传输电流，指导功率传输方式；(2)绝缘层：油浸纸、橡皮、塑料等，承受电压，起绝缘作用；(3)保护覆盖层：保护电缆绝缘不受外界环境的影响和防止机械损伤等。一般来说，电缆用于电压比较高，传输功率比较大，可靠程度要求比较高等。设计、制造经济、可靠、耐用的电缆是电力工业重要的问题之一。在大多数情况下，用架空线传输电能要比用电缆的成本要低，但随着工业的发展，电缆用量在整个传输线中所占比例逐年提高。与架空线相比，电缆具有下列优点：
(1)线间绝缘距离小，占地小，电缆作地下敷设不占地面上空间；
(2)不受周围环境污染影响，送电可靠性高；
(3)地下敷设电缆岁人身安全可靠，不暴露目标，适于战备。
因此，在大城市人口稠密区的输配电网络，城市郊区的输配电网络，大型工厂、发
电厂、交通拥挤区、电网交叉区要求占地小、安全，减少电网对交通、城市建设的影响，
多采用电缆；在严重污染区，为了提高送电的可靠性，多采用电缆，对于过江、过河输
电线路，跨度达，不宜敷设架空线，或为了避免架空线对船舶通航或无线电干扰，也多
采用电缆；有的工程从国防战备需要，避免暴露目标而采用电缆；也有草能够建筑美观
需要而采用电缆。电缆引出线成为电站不可缺少的一个重要组成部分。
由于隧道敷设电缆散热条件恶劣，长距离电缆线路的载流量只能取相对较小的载流量作为最大长期允许载流量，结果降低了电缆截面的利用效率。同时，相同载流量下隧道电缆导体温度相对较高，加速了电缆绝缘的老化，缩短了电缆的使用寿命。因此，如何提高隧道敷设电缆线路的载流量，降低运行时电缆线芯温度，延长电缆线路的使用年限和提高线路运行的可靠性，成为迫切需要解决的问题。
广州电力局提出了一种提高电缆载流量的方法，可向管中填充导热系数较高的介质代替密闭空气，降低和消除密闭空气热阻对载流量的影响，利用介质的传导来改善电缆的散热状况，亦即减小电缆外部热阻的数值，以达到提高电缆线路载流量和降低电缆运行温度的目的。
要求填充介质应满足以下要求：１）可在线路不停电情况下注入长距离管道内；２）有良好的导热性能；３）对电缆外护套无腐蚀作用；４）如有需要可将电缆从管道内拉出。
通过参阅国内外有关资料，在中国科学院广州研究所和广东省灌浆工程技术研究开发中心的协助下，成功研制了满足要求的介质—＿ｓＨ凝胶体。
ＳＨ凝胶体由凝胶体、水、沙、水泥和添加剂等物质按一定配比用特定方法配制而成。填充介质最终成型为中性浆状体，各组成成分以水为介质，悬浮于水中，分散均匀，稳定性好，不变质；抗沉积能力强，各物质不分层，不沉淀；具有极佳的润滑性能，保证电缆仍可从管道内拉出；成型前流动性好，易于注入长距离管道内。ＳＨ凝胶体实际上是以凝胶体、沙和水泥做为水的载体，保持水分不会散失，因而具有良好的导热性能。
ＳＨ凝胶体的优点：
（１）初始粘度小，易于灌注，使用建筑灌浆机可实现长距离管道的充分填充；
（２）经一段时间后，凝胶体粘度变大（约为初始粘度的８倍），使之不会从管道的缝隙流失；
（３）碱度低，泌水率小，水分不易散失：
（４）随温度变化稳定性好，保证了凝胶体在不同温度下都可以充满管道；
实验得出：由于内填充了ＳＨ凝胶体，改善了电缆的散热条件，使电缆在相同的敷设条件和相同的电流下，电缆线芯和表面温度都降低。但是仍然存在一些现场施工的问题有待解决。

为了降低损耗，提高载流量，日本三菱电线工业株式会社研制成导电线芯为中空内水冷式结构，和充油电缆相仿，中空铜管道以冷水，实现强迫冷却。水作为冷却媒质冷却效果好，但把水引入线芯以及避免水对绝缘的有害作用，往往使电缆和终端接头盒的结构复杂。
钢管充油电缆和压力电缆多采用油或气体作为冷却媒质。敷设在坑道或水泥槽中的电缆也有用压缩冷空气作为冷却媒质。近年来也有不少采用致冷剂直接作为冷却媒质的电缆系统。但是外部管道冷却系统的冷却媒质一般采用冷却效果大、价廉的冷却媒质——水。

1.3 本论文的主要任务
本论文的目的是研究分析提高１１０ｋＶ单芯高压电缆载流量的可行性，首先必须找到简单的方法求解地下电缆的载流量，在此基础上选择一种合理可行的方法来提高电缆载流量，通过对计算数据进行比较，分析载流量提高１０％的可行性。其中主要的工作为：
（１）依据国际通行的ＩＥＣ标准，选用合适的公式，考虑土壤导热系数、环境温度随季节变化的因素，计算电缆内部的载流量，并编程求解。
（２）在电力系统中，仍有大部分电缆采用隧道敷设。在对隧道电缆外部温度场求解时，针对ＩＥＣ６０２８７的不足，提出数值解法。对地下隧道电缆土壤温度场进行分析简化、做出假定、建立模型和确定研究边界，采用二维导热微分方程，比较数值解法的优劣，选择有限差分数值算法，并编程实现。
（３）对提高１１０ｋＶ高压单芯ＸＬＰＥ电缆的方案进行分析，采用在隧道走廊中与电缆平行铺设塑料管道的方法，通以冷却媒质进行强制冷却，从而提高电缆载流量。在此基础上，分析载流量提高１０％的可行性。
连续负荷载流量是地下电缆运行中的重要参数，载流量偏大，造成缆芯工作温度超过容许值，绝缘的寿命就会比预期值缩短；载流量偏小，缆芯铜材或铝材就不能得到充分的利用，导致不必要的浪费。由于地下电缆成本高、投资大，而且维修不便，为确保其安全工作，精确确定电缆的载流量有重要的意义，而提高电缆载流量的研究更有实用性。若分析出提高电缆载流量可行，可以应用于老线路载流量精确值校核计算，为生产运行提供参考。

第2章 电缆内部载流量关联分析
2.1 电缆敷设研究
随着城市电网的发展，各种电压等级电力电缆的数量正在增加，电力电缆敷设形式很多，目前采用的电缆敷设形式：直埋、电缆沟、隧道（明挖式隧道、暗挖式隧道）、排管、顶管等。对以上几种典型的电缆敷设方式进行比较，探索隧道敷设的实际意义。
从电缆敷设方式结构条件看：
直埋于土中：①电缆应敷设在壕沟内，沟底宽０．４～１．４ｍ，电缆埋深≥Ｏ．７ｍ～ｌｍ（电缆穿越农田时的最小埋深为ｌｍ，石质地带保证Ｏ．５ｍ），电缆根数为ｌ～６根；②沿电缆全长的上、下紧邻侧铺以厚度不少于ｌＯＯｍｍ的软土或砂石；③沿电缆全长应覆盖宽度不小于电缆两侧各５０ｍｍ的保护板，保护板宜用混凝土制作；④沿电缆全长可在保护板上层铺以醒目的警示带；⑤沿电缆路径的直线间隔约ｌＯＯｍ、转弯处或接头部位，应竖立明显的方位标志或标桩；⑥直埋地下的电缆一般采用铠装电缆，直埋电缆的深度是８０ｍｍ以下，必须有保护管。
电缆沟：①一般路径为慢车道或人行道，可进行机械或人工开挖路段；②电缆数２４条，两侧支架，中间人可蹲走，５０ｍ左右设置人孔井；③采用红砖砌筑式结构，沟底为水泥垫层，沟顶为水泥盖板；④防水要求一般。
隧道：①明挖式隧道一般路径为快车道，可进行机械开挖路段；暗挖式隧道路径上方无建筑物，暗挖深度一般＜５ｍ；②电缆数兰１６条，两侧支架，中