弱磁性不锈钢对单芯中压电力电缆载流量的影响分析

韩 啸， 刘雄军，， 狄洪杰，， 高俊国，倪思恩， 宋 鹏， 朱梦成， 何志峰

（1.江苏上上电缆集团科学技术研究院，溧阳 213300； 2.江苏上上电缆集团有限公司，溧阳 213300；3.哈尔滨理工大学 工程电介质及其应用教育部重点实验室，哈尔滨 150080）

0 引 言

在单芯电缆载流量计算中，人们普遍认为铠装层不锈钢带为非磁性材料，各种计算标准及理论方程中均以非磁性来计算铠装层损耗。 但实际上，不锈钢带材经去磁后，不可能做到完全非磁性。 经过对市面上常用的几种铠装不锈钢带测试后发现，其均存在弱磁性，而且高低不一，不同厂家的不锈钢带磁性也有差别。 因此，技术人员用“非磁性”铠装来说明弱磁性铠装电缆的损耗和载流量肯定会存在误差，误差大小不明确［1］。 若不针对弱磁性问题进行分析，会导致以下问题难以判断和解决：①不锈钢带弱磁性性能采购没有相关依据。 如果弱磁性对单芯电缆确实产生了一定影响，应当制定相应的弱磁性采购相关依据；如果影响不大，也可对弱磁性进行量化明确。 ②有些现场运行的电缆遇到异常发热问题时怀疑与铠装弱磁性有关，但因为没有数据，导致无法确定或排除此因素。 ③不锈钢带经过反复弯折、缠绕等加工变形后，磁性是否有回复也未知。

本工作确定单芯电缆不锈钢铠装带材的弱磁性大小，给出可供参考的相对磁导率范围，确定不锈钢带经反复加工变形后的磁性变化情况，通过COMSOL 仿真软件计算铠装层在不同磁性下的单芯电力电缆损耗和温升，并通过实际样品的载流量测试数据，确定铠装弱磁性对单芯中压电力电缆损耗及载流量的影响程度，用数据和得出的结论为行业提供理论和实际的依据。

1 试验部分

1.1 原材料与样本

选取了4 种不同厂家的不锈钢带，均为市面上的常用产品，制备工艺相同，规格为0.5 mm×40 mm，长度为1 m。 为了增加对比性，测试样本中增加了铝合金带、普通钢带作为对照组，规格与不锈钢带相同，因为铝合金带为严格意义上的非磁性材料，而普通钢带为磁性材料，这能更好地对弱磁性进行说明和比较。

1.2 仪器与设备

不锈钢带与普通钢带相比，经过了去磁过程，磁性大大降低，因此被用来制作单芯电缆的铠装层，降低铠装层损耗［2］。 但由于磁性很小，不锈钢带弱磁性的测量必须用到专门的高精度检测设备，本工作所选用的设备为高精度磁通门计［3］，厂家及型号为：北京翠海佳诚磁电科技有限责任公司的CH-310型高精度磁通门计。

高精度磁通门计可通过霍尔探头传感器检测到周围的磁感应强度，将金属材料放置在该区域后，即可检测出由金属材料磁化产生的磁性大小，检测精度可达到纳特级。 在已知地磁场强度的条件下，就可推算出金属材料的磁导率和相对磁导率，上述过程的原理遵循以下公式：

式中：B 为磁感应强度，T；μ 为介质的磁导率；H 为磁场强度，A·m-1。

1.3 不锈钢铠装带材弱磁性测定

为了增加测量的科学性和准确性，本工作在20℃条件下对每个样本的多个位置进行测量，然后取各位置数据的平均值，作为材料磁性的最终数据。按照上述方法测量后，6 种铠装带材的磁感应强度数据见表1。

由表1 可知：4 种不锈钢带的磁感应强度分别为285，411，282，193 nT，数量级一致，具有均匀性；铝合金带的磁感应强度为0.7 nT，与非磁性材料特性吻合；普通钢带的磁感应强度为88 195 nT，磁性较大。 综合来看，6 种铠装带材的测量值能很好地反映出不同材料之间的磁性差异，尤其是不锈钢带与非磁性铝合金带、磁性普通钢带之间的差异，这对于分析弱磁性问题非常有利。

表1 6 种铠装带材的磁感应强度数据 nT

根据磁感应强度和地磁场的磁场强度，通过公式（1）可推算出材料的磁导率和相对磁导率。 由于地磁场强度不稳定，不易测量，因此采用一种等比例换算的方法确定相对磁导率。 已知IEC 60287 标准中给出的普通钢带的相对磁导率参考值为300，测得的磁感应强度大小为88 195 nT，其他几种材料的磁感应强度值分别为285，411，282，193，0.7 nT，按照比例进行换算，得到各材料的相对磁导率参考值见表2。

表2 6 种铠装带材的相对磁导率参考值

由表2 可知：不锈钢带相对磁导率均大于1，其中，不锈钢带3 的相对磁导率最大值为2.40，说明不锈钢铠装带材并非严格意义上的非磁性，均含有一定程度的弱磁性，弱磁性的相对磁导率范围在1～3 之间。

1.4 加工后不锈钢铠装带材的磁性变化测试

不锈钢带经去磁后磁性降到很低，但经过长时间出厂并用于产品加工成型之后磁性是否有变化和回复，目前没有相关数据可参考。 本工作进一步对不锈钢带材经加工后的磁性变化情况进行了研究，这有利于行业内对不锈钢带铠装的弱磁性特性有更加充分和全面的认识。

考虑到不锈钢带经绕包加工成电缆铠装层，后续又经过弯曲成盘、放线、施工作业等多个环节，本工作在实验室条件下，对不锈钢带材进行反复弯折50 次、卷曲50 次、敲击50 次，静置2 d 后，再以双层绕包结构在20 ℃下进行磁性测试，得到的前后对比结果见表3。

表3 不锈钢带加工前后磁性对比 nT

由表3 可以看出：不锈钢带经过50 次弯折、卷曲和敲击后，磁性并无明显变化，可认为不锈钢带在经过电缆加工、施工等各实际环节作用后，铠装材质依然保持了去磁后的优良性能，并未出现技术人员猜测的磁性回复问题。

在不锈钢带材磁性稳定的基础之上，继续研究弱磁性对电缆损耗和载流量的影响。 目前，所有的标准均是以非磁性作为铠装层损耗和载流量的计算依据，从理论层面看，会产生一定程度的误差；从工程层面看，也会产生一些问题难以判断。 比如实际工况中，很多现场运行的电缆出现异常发热问题，技术人员怀疑和弱磁性有关，但由于无法直接测量，说明两者之间的关系，导致没有数据可供参考。 这是一个亟待研究的问题。

2 单芯电缆铠装弱磁性对损耗和载流量的影响

2.1 研究方法

单芯电缆铠装层磁性会导致铠装层损耗增加，引起涡流损耗，产生更多热量，最终会导致电缆载流量降低［4］。 为了能准确说明铠装弱磁性对单芯电缆损耗和载流量的影响，试验考察了两种方法：一种是借助有限元仿真软件进行电缆的载流量和温升仿真计算，从理论层面获得结果；另一种是电缆载流量实测，将6 种铠装带材分别制作成规格相同的单芯电缆进行载流量和温升测试，两者互相验证后，确定最终结果。

2.2 仿真及计算

试验采用的电缆为YJV-8.7／15 kV， 1 ×185 mm2单芯电缆，其结构示意图见图1，单芯电缆规格参数见表4，表4 中参数为标称值，绕包结构均为等效厚度。

根据单芯电缆的结构和参数，建立相关有限元仿真模型。 由于电缆为对称结构，在径向上的切面均相同，因此可采用二维模型对电缆结构进行简化，提高运算效率［5］。 有限元仿真研究主要包括几何建模、添加材料、施加负载、设置边界条件、网格剖分、计算结果几个步骤。 单芯电缆有限元仿真模型见图2。

图1 单芯电缆结构示意图

表4 单芯电缆规格参数 mm

图2 单芯电缆有限元仿真模型

非磁性铠装的电缆温升和损耗计算：建立非磁性铠装的电缆模型，设置环境温度为20 ℃，电缆在50 Hz、585 A 负载下，导体温度为90.1 ℃，结果如图3 所示，经数值计算得到的铠装层损耗为4.2 W·km-1。

弱磁性铠装的电缆温升和损耗计算：取磁性最高的不锈钢带2 作为计算样本，建立相对磁导率为2.4的不锈钢带铠装模型，设置环境温度为20 ℃，在50 Hz、585 A 负载下，导体温度为90.3 ℃，结果见图4，经数值计算得到的铠装层损耗为9.8 W·km-1。

图3 非磁性铠装电缆的稳态温升

图4 弱磁性铠装电缆的稳态温升

磁性铠装的电缆温升和损耗计算：为增加对比性，建立了普通钢带的磁性铠装电缆模型，设置环境温度为20 ℃，在50 Hz、585 A 负载下，导体温度为127 ℃，结果见图5，经计算得到铠装层的损耗为1 641.1 W·km-1。

图5 磁性铠装电缆的稳态温升

几种铠装电缆的仿真计算结果见表5。

由表5 可以看出：非磁性铠装、弱磁性铠装、磁性铠装电缆的铠装层损耗分别为4.2， 9.8，1 641.1 W·km-1，其稳态温升分别为90.1，90.3，127 ℃，说明磁性铠装对单芯电缆损耗和温升产生了一定影响，但影响并不明显，与非磁性铠装电缆相比，弱磁性铠装层损耗仅升高5.6 W·km-1，电缆导体稳态温度仅升高了0.2 ℃，该影响对于电缆载流量可以忽略。 但磁性铠装电缆损耗明显增大，与非磁性铠装电缆相比，铠装层损耗增加1 636.9 W·km-1，电缆导体稳态温升升高36.9 ℃，对于电缆运行极其不利，这也是磁性材料不能作为单芯电缆铠装层的原因。

表5 仿真计算结果

为了能更全面地说明铠装层磁性与单芯电缆温升之间的关系，进一步对不同磁性下的电缆温升进行计算，建立相对磁导率1 ～50 之间的不锈钢带铠装模型，在环境温度为20 ℃，50 Hz、585 A 负载下，得到铠装层磁性与单芯电缆温升的影响关系曲线见图6。

图6 铠装层磁性与单芯电缆温升的影响关系曲线

由图6 可知：相同负载下，铠装层相对磁导率从1 上升至50，电缆导体温度从90.1 ℃升高至100.2 ℃。 当相对磁导率为10 时，导体温度为91 ℃，这说明相对磁导率在1 ～10 范围内，铠装层磁性对电缆温升的影响不明显；当相对磁导率在10～30 范围内时，对电缆温升略有影响，影响范围在5 ℃以内；当相对磁导率不小于30 时，导体温度超过95 ℃，长期运行会对电缆十分不利。

2.3 试验及验证

按照YJV-8.7／15 kV，1×185 mm2单芯电缆的结构，制作铠装不同、规格相同的单芯电缆6 根，分别为不锈钢铠装1、2、3、4、铝合金铠装、普通钢带铠装电缆，分别取各段5 ～10 m 长度进行载流量和温升试验［6］，环境温度为20 ℃。 为了减小环境和设备误差对试验结果产生的影响，将6 段电缆串联后在相同环境、相同负载下测试，比较各段电缆的温升情况。50 Hz、585 A 负载下各段电缆的温升结果见表6。

表6 50 Hz、585 A 下温升试验结果 ℃

由表6 可知：4 种不锈钢带铠装电缆和铝合金带铠装电缆在50 Hz、585 A 下的稳态温升基本接近，排除外界因素引起的误差外，可认为弱磁性造成的温升完全可以被忽略，与仿真结果一致；而普通钢带铠装电缆温升较高，为124.0 ℃，也与仿真结果较一致。

3 结束语

本工作对行业中普遍认为的“非磁性”不锈钢铠装进行了磁性测量，结果发现，不锈钢铠装并非严格意义上的非磁性，所含弱磁性的相对磁导率在1～3 之间。

不锈钢带经过反复弯折、卷曲、缠绕叠加、敲击等加工处理后，未出现磁性回复现象，依然保持了良好的脱磁特性，相对磁导率保持不变。

试验结果表明：市售的不锈钢带相对磁导率在10 以内时，对单芯中压电力电缆的损耗和发热几乎无影响，计算载流量时可用非磁性铠装进行等效计算；当相对磁导率大于10 时，应考虑弱磁性对电缆损耗和载流量造成的影响，制定相应的不锈钢带弱磁性性能标准。