一种可带电运行用电缆盘技术研究及应用

李绍斌，彭勇，刘勇，叶波，刘钢

(长缆电工科技股份有限公司，湖南 长沙410205)

0 引言

随着国内城市的不断扩张，城市群的飞速发展，城市供电系统的电力电缆系统不断扩大，电力电缆线路中某段出现故障的概率也随之升高。在故障不明或无法短时恢复的情况下，为避免电力设备设施受损引发大面积停电事故，在原有故障电缆的路径旁临时敷设一条电缆，用旁路转电的方式取代原电缆线路中的故障电缆。通过接入快速接头，现场可快速实现电缆头对接，便利地延长电力电缆长度，实现跨接故障线路段，达到最短时间内临时恢复电缆线路的目的，最大限度保证电缆线路的运行稳定性及抢修迅速性。特别适合直埋电缆、排管敷设电缆线路及隧道自然灾害等临时敷设的线路。待故障查明或修复原线路后，拆除中间接头，将临时敷设的电缆回收至应急抢修设备的电缆盘上[1]。

目前国内针对电缆线路的应急抢修，均采用成盘的电缆，将电缆盘上的电缆全部展放来进行此方式对操作效率低、劳动强度大，同时由于电缆线路出现故障时其位置可能无法准确把握以及现场环境等因素，需要满足不同长度电缆的需求，电缆盘上的电缆可能不便于完全展放下来，需要留一部分在电缆盘上。因此如何确保剩余电缆在电缆盘上带电运行是本文研究的关键[2]。

1 研究背景

目前，市场上高压电缆的电缆盘一般采用木制或全普通钢制的材料及结构，如图1、2所示。普通钢制电缆盘一般采用有磁材料进行制作，其优点是可重复使用、强度好，但剩余电缆在电缆盘上的通电运行存在发热的情况。木制电缆盘目前普遍采用木板＋钢制嵌件作为筒体，结构采用带磁钢制轮辐的方式。木制电缆盘由于防潮性差、强度差、不耐用等缺点，同时成本相对较低，因此木制电缆盘一般为一次性使用，且电缆盘轮辐以及金属连接处也存在发热。针对上述情况，同时考虑电缆的成盘以及剩余电缆在电缆盘上的通电运行，研发一种可重复使用并可带电运行的电缆盘具有非常重要的意义[3]。

图1木制电缆盘

图2钢制电缆盘

2 不锈钢电缆盘的研究和测试

根据电缆盘的适用场合及强度结构，通过对常规电缆盘的研究，考虑采用不锈钢(无磁)材质的电缆盘，电缆盘上电缆中间段呈U型布置在电缆盘表面U型槽内，并对绕于电缆盘上的电缆进行相关试验，测试电缆盘带电运行的情况。

其试验相关设备及参数:应急抢修设备上的电缆盘，材质为不锈钢304(奥氏体)；电缆为110 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆，截面630 mm2，长度120 m；试验场地为长缆500 kV试验大厅；环境温度8～10℃，相对湿度85%～95%。热电偶布置:2个位于电缆盘表面，1个位于电缆盘盘外电缆外护套表面。

试验方案:电缆盘两端绕线长度相同(各5圈，有效长度约100 m)，将两端电缆展放出来各10 m，并在一端电缆处安装5台电缆试验变压器，加载电流500 A。试验相关设备见表1。

表1 试验设备相关型号及参数

试验结果:持续40 min时，采用测温仪监测其温度变化情况，电缆盘表面温升至60℃，并持续上升，盘外电缆护套表面无温升变化。电缆盘发热点采用红外热像仪进行查看，发热部位主要集中在被电缆盘绕的区域。试验现场照片如图3所示，试验数据见表2。

图3 不锈钢电缆盘测试图

表2 不锈钢电缆盘试验数据表

经试验验证，电缆盘圆筒体表面发热较严重，无法满足剩余电缆在电缆盘上通电运行的要求，遂需调整设计方案和思路进行相关研究分析和验证[4]。

3 可通电运行电缆盘的研究和测试

3.1 理论分析

电缆盘上电缆中间段呈U型布置在电缆盘内部，电缆从电缆盘两端往中间绕，电缆中间段盘绕如图4所示，电缆盘机构及电缆成盘如图5所示，电缆盘左视图如图6所示。电缆同向从两端往中间盘绕在电缆盘上，从而达到同向或不同向、同时或不同时展放的目的，从理论研究分析，两段等长时可抵消其磁场的影响[5]。

图4 电缆中间段盘绕示意图

图5 电缆盘结构及电缆成盘图

图6 电缆盘左视图

电缆盘筒部为非金属材料，所以电缆盘圈运行对其无影响。但是电缆盘内外圆盘为金属材料，所以电缆盘绕在电缆盘上运行时，即可看作导线(电缆)绕导体(电缆盘)通流运行，如图7所示。通流后，产生交变磁场，相当于导体处于随时间变化的磁场中，会产生感应电流，从而产生涡流损耗[6]。

图7 电缆绕在电缆盘上运行等效图

假设筒体材质为铁，并且视其中一段为多个铁片叠加而成，现考虑其中最大直径的铁片，看作一薄导电平板[7]，如图8所示。

图8 筒体表面的等效图

为了分析薄导电板中电磁场的分布，假设:

1)由于I和h＞＞a，所以场量E和H等近似为x的函数，与y和z无关。

2)由于外磁场B沿z方向，故板中的涡流无z分量，在xoy平面内呈闭合路径。又a＜＜h，所以可忽略y方向两端的边缘效应，认为E和J仅有y分量Ey和Jy。显然，H也只有z分量Hz。

根据以上分析，磁场H方程简化后的复数形式是:

这个方程的一般解为:

显然，磁场沿x轴的方向应是对称的:

故取C1＝C2＝C/2，因此，式(2)可改写为:

设x＝0处，Bz(0)＝B0，则Cμ＝B0。因此可得薄板内磁场强度和磁感应强度分别为:

由∇×H＝J和J＝γE可得，电场强度和电流密度分别是:

图9给出磁感应强度的模Bz和电流密度的模Jz的分布曲线，图中可以看出磁场在薄板中心处值最小，这是由涡流的去磁效应形成的。涡流电流密度反对称于中心处，中心处为零，在表面处值最大。在薄板内部，电场及磁场的分布并不均匀，越深入内部，场量越小。场的分布集中在薄板表面附近，也呈现出集肤效应现象。

图9 模值分布曲线图

对铁片来说，一般μ＝400μ0，μ0＝4π×10－7H/m，γ＝1·03×10－7s/m，厚度a＝1 mm。分析结 果 表 明，当 工 作 频 率 为501Hz时，d＝即a/d＝0·91，集肤效应不显著，可以认为B是沿截面均匀分布的[8－9]。此时，可认为磁场为均匀磁场不计集肤效应。所以，涡流损耗P(在体积V中消耗的平均功率)[10]为:

由于电流绕圈运行，可视作一个载流圆弧导线，且圆心角θ＝2π，其圆心处磁场感应强度以万马110 kV截面为400 mm2的交联聚乙烯绝缘电力电缆为例，根据《电线电缆手册》关于电缆允许载流量的计算，其载流量I＝870 A[11－12]，即B0≈0·2T。为方便计算，现将圆心处的磁场强度与平均磁场强度视作相等，即B0＝Bzav＝0·2T，V＝1ha＝2·2×10－4m3。根据式(8)，有Pe＝0·72。

计算可知，两端的外圆盘单个体积为4·3×10－2m3，约为导电薄板的195倍，所以两端滚轮单个的涡流损耗为Pe1＝195×0·72＝140·4 W。

中间的圆盘单个体积为2·2×10－2m3，约为导电薄板的100倍，所以两端滚轮单个的涡流损耗为Pe2＝100×0·72＝72 W。由此，在忽略筒体连接杆的情况下，整个电缆盘的涡流损耗为P总≈2×通过本理论分析得出电缆盘两端金属圆盘可能会有发热产生，需以此研究为基础进行下一步试制验证[13－14]。

3.2 采用非金属筒体与不锈钢内外圆盘的测试验证

设计采用非金属筒体与不锈钢内外圆盘的电缆盘进行本次验证[15]，其测试情况:电缆长度150 m，电缆盘上电缆140 m，两端分别放出5 m进行通流试验测试。电缆为110 kV－1×630 mm2铜芯交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电力电缆，额定载流量在1 300 A左右，通流500 A进行相关测试。07:50开始试验，各点初始温度均约为30℃。其电缆盘各监测分布如图10—11所示。

图10 各监测点的分布图

图11 各有温度上升较快监测点图

通流4 h后，气温34℃；通流6 h后，气温36·5℃；通流8 h后，气温35·5℃，气温有一定变化。测得的数据见表3。

表3 金属部位温度数据

实验表明，金属内外圆盘在运行6～8 h后温升较快；筒体为非金属材料，其温度未见明显上升。通过此次试验对电缆盘的结构有了更深地认识，筒体发热部位主要为内外金属圆盘，为带电运行用电缆盘的进一步研究设计奠定了较好的基础。

3.3 进一步的研究设计及分析

采用金属与非金属相连接的方式，在满足强度要求的情况下，尽可能地采用非金属部件进行连接。前期试验表明，发热部位主要为左右圆盘，针对电缆在大电流情况下对金属连接件产生的涡流的问题，通过切断左右圆盘的封闭环形式，采用支架式＋非金属圆盘的结构形式[15]，解决圆盘以及电缆涡流对其他金属件的发热问题。

因为电缆盘筒身上仅缠绕一层电缆，电缆盘的受力计算根据参考文献[16－17]得:

筒身在r＝b处的径向位移是:

式中，Pr1为筒身受到第一层电缆的压力，N/m2；T为电缆受到的拉力，电缆总长度200 m，电缆质量12·37 kg，电缆盘每边每盘100 m电缆，T＝200/2·12·37·10＝12 370 N；b为筒身的外半径，b＝0·95 m；a为筒身的内半径，a＝0·91 m；E1为筒身材料的弹性模量，E1＝70 GPa；d为电缆的直径，d＝0·1 m；μ1为筒身半径变小量，m；μ为非金属材料的泊松比，μ＝0·25；L1为电缆圆环周长，L1＝5·97 m；ΔL1为电缆圆环周长增加量；A为电缆的截面积，电缆的弹性模量，E2≈200 GPa。

通过上述计算可得:

电缆盘卷盘由6块相同的弧形板组成，电缆拉力对弧形板的力为径向朝内，电缆拉力对弧形板的力以均布载荷的型式沿着卷筒外表面分布。根据P＝0·13 MPa，弧形板宽度1 600 mm，得弧形板在宽度方向的载荷强度q＝2·1×104N/m。因为弧形板左右对称，所以弧形板中心面受到的应力最大。通过积分运算，将电缆拉力对弧形板的力等效至弧形板的中心面的力矩M，校核弧形板的弯曲强度。

式中，M为弧形板中心面受到的等效力，N；ρ为弧形板外径，m；q为电缆拉力对非金属弧形板产生的均布载荷，N/m。σ为电缆对弧形板的最大弯曲强度；弧形板中心截面为1 600 mm×40 mm的长方形，由上述计算得:

式中，W为抗弯截面系数，m3；b为弧形板中心面矩形截面宽度，m；h为弧形板中心面矩形截面高度，m。查 得 其 复 合 材 料 弯 曲 强 度[σ]＝124 MPa[18]，通过计算可得:

计算结果表明，电缆对电缆盘筒体的最大应力远小于电缆盘的许用弯曲强度，因此电缆盘在使用过程中不会造成破坏[19]。其电缆盘结构如图12所示，可带电运行用电缆盘电缆成盘图如图13所示，其电缆盘筒体单元受力分平衡如图14所示，电缆盘非金属弧形板受力如图15所示。

图12 可带电运行用电缆盘图

图13 可带电运行用电缆盘电缆成盘图

图14 可带电运行用电缆盘筒体单元受力分平衡图

图15 非金属弧形板受力示意图

3.4 改进后电缆盘的测试验证

采用的电缆长度为150 m，电盘上剩余电缆90 m，两端分别放出30 m进行通流试验测试。电缆为110 kV－1×630 mm2铜芯交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电力电缆，额定载流量在1 300 A左右，通流500 A进行相关测试。08:10开始试验，各点初始温度均为6～8℃，试验13:10结束，试验时长5 h。图16中1为左支架位置，2为右支架位置，3为横梁位置，试验数据见表4。

图16 新型专用线盘布点图

表4 电缆盘金属部位试验数据

该设计更好地解决了电缆盘上电缆通电运行引起的涡流发热情况，试验证明此结构和形式下各部位温升并不明显，因此本形式电缆盘可满足应急抢修用可带电运行要求。

4 结语

1)采用全不锈钢材质筒体和内外圆盘形式的电缆盘，在筒体和外圆盘处均存在发热现象，尤其在被电缆盘绕处发热最明显。

2)采用非金属材质筒体和不锈钢材质内外圆盘形式的电缆盘，被电缆盘绕的筒体不发热，其内外圆盘存在发热，且发热很明显。

3)采用非金属材质筒体和非金属材质内外圆盘形式的电缆盘，在各部位监测其温度均无明显变化。

针对电缆盘上剩余电缆通电运行的情况，从多个角度介绍了一种可带电运行用电缆盘的技术，并通过测试验证彻底分析了电缆盘结构以及电缆盘上电缆通电运行的情况，解决了剩余电缆在电缆盘上运行引起的发热问题，为电缆线路的应急抢修创造了良好的条件，更好地匹配现场需要的电缆长度和环境条件，无需将电缆盘上剩余电缆全部展放下来，大大提高了施工效率，降低了劳动强度，有利于降低产品的运行成本。