電纜課程設計

1、電力電纜結(jié)構(gòu)設計原理課程設計（電纜型號：YJQ03 127/220 1×1600)班 級： XXXX 姓 名： XXXX 學 號： XXXXXX2012年6月 29日1、 導線線芯與電纜結(jié)構(gòu)的選擇I.選擇導電線芯結(jié)構(gòu)，絕緣層結(jié)構(gòu)及護套結(jié)構(gòu)1. 導線線芯采用銅單線緊壓絞合圓形線芯結(jié)構(gòu)。1.1導電線芯材料的選擇從技術(shù)上說，要求線芯材料電導率高和加工性能好。線芯的作用是傳輸電流，高電導系數(shù)可以減少線芯損耗。加工性能好便于線芯拉制和絞合加工。本電纜采用GB/T3953中的TR型圓銅線。1.2 導線線芯結(jié)構(gòu)的選擇從填充系數(shù)和穩(wěn)定性考慮，中心為一根導線的規(guī)則絞合結(jié)構(gòu)最佳，絞合后應予以緊壓，使結(jié)構(gòu)

2、緊湊，線芯表面光滑，減少多導絲效應。本電纜采用一次緊壓。2. 絕緣結(jié)構(gòu)的選擇2.1導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽標稱截面大于500mm2的電纜導體屏蔽應由半導電包帶和擠爆半導電層組成，大于8002的電纜導體用分割導體，分割47扇；絕緣料為交聯(lián)聚乙烯，代號XLPE，要求做到“超凈”，嚴防雜質(zhì)和水分侵入；絕緣屏蔽層應為擠包半導電層。半導體材料為可交聯(lián)型的，有聚乙烯和炭黑組成。2.2金屬套：鉛套應采用符合JB5268.2規(guī)定的鉛合金。鉛套厚度應符合GB/Z18890.1-2002中10.7.1要求。當不能滿足用戶的短路電容量的要求時，應采取增加金屬套厚度或在金屬套下增加疏繞銅絲（在疏繞銅絲外用反向繞包的銅

3、絲或銅帶扎緊）等措施，本設計中采用后者。2.3外護套：在金屬套表面應有電纜瀝青（或熱熔膠）防腐涂層。采用聚氯乙烯（PVC）材料做外披層，為了對外披層測試方便，表面應有石墨導電涂層。II、結(jié)構(gòu)示意圖及其優(yōu)缺點銅屏蔽優(yōu)點：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，填充系數(shù)高，緊壓后外徑縮小，線芯表面光滑；金屬套損耗較小；傳輸容量高；在允許過濾倍數(shù)情況下可持續(xù)工作時間長。缺點：體積較大，成本高；彎曲困難，生產(chǎn)和敷設難度較大。III.擬定電纜各部分的預先尺寸1. 線芯尺寸根據(jù)設計題目的要求與有關材料,對線芯結(jié)構(gòu)做如下選擇: 取單線根數(shù):217 絞合層n:9標稱截面積為1600mm2 設單線直徑為d；由得: = = 3.1取壓緊系數(shù)為

4、：90% （緊壓系數(shù)范圍85%91%）線芯直徑Dc 為：Dc =（2n-1）×d×90%=46.9緊壓圓形線芯的結(jié)構(gòu)及外徑截面積/2一次緊壓線芯中心層/根×第一層/根×第二層/根×第三層/根×第四層/根×第五層/根×16001×3.16×3.112×3.118×3.124×3.130×3.1第六層/根×第七層/根×第八層/根×第九層/根×外徑/外徑縮小到/%36×3.142×3.148×

5、3.146.9902. 導體屏蔽層： （國標） 半導電包帶厚度1 ：0.5， 擠包半導電層厚度2：1.5， 導體屏蔽層外徑D'c ：D'c =Dc +2(1+2）=46.9+2（1.5+0.5)=50.93. 絕緣層： （國標） 厚度i ：26， 外徑Di ：Di =D'c +2i =50.9+2×26=102.94. 絕緣屏蔽層： （國標） 厚度3：1 外徑Dj ：Dj =Di +23=102.9+2×1=104.95. 銅屏蔽： （國標） 厚度s1：0.3, 外徑Ds1 ：Ds1=Dj +2s1 =104.9+2×0.3=105.56.

6、 鉛套： （國標） 厚度s2 ：3.3， 外徑Ds2 ：Ds2=Ds1+2s2=105.5+2×3.3=112.17. 外護層： （國標） 厚度s ：5.0， 外徑Da ：Da=Ds2+2s=112.3+2×5=122.12、 電纜的電性計算： 1.選擇絕緣水平工頻和脈沖擊穿強度。根據(jù)設計題目要求和相關標準,絕緣水平 UBIL=6U0+40KV （書47）,再按電壓等級取標準，式中：U0-工作相電壓，U0 =127KV；UBIL=802KV，取標準為：UBIL=1050KV (國標GB18890.3-2002)。工頻擊穿強度：E'av=20kv/ (書75);脈沖擊

7、穿強度：Eav=63kv/ (書74)； 2. 核取代絕緣厚度： 2.1工頻： 式中：U0 -工作相電壓，U0 =127 KV;K3-工頻電老化系數(shù)，XLPE壽命指數(shù)n=9時，K3取4.E'av-平均工頻擊穿場強，E'av=20kv/;得 ：1= 127×4/20=25.4。 2.2 脈沖： 式中：UBIL-脈沖試驗電壓，UBIL=1050kv； K1-脈沖電壓老化系數(shù)，可取1.2； K2-絕緣層溫度系數(shù)，可取1.3； Eav-平均脈沖擊穿強度，Eav=63kv/; 得：=1050×1.2×1.3/63=26. 絕緣層厚度應取兩者中較大值，但兩者均

8、小于等于國標絕緣 厚度，故絕緣厚度仍按國標取值i=26。3. 計算電纜的絕緣利用系數(shù)： 式中：rc-線芯半徑（包括內(nèi)半導電層厚度）rc=Dc/2+（1+2）=25.45； R-絕緣半徑 R=Dc/2=102.9/2=51.45; 帶入數(shù)據(jù)得：=68.9%4. 沿電纜絕緣徑向的電場分布： E=U0 /（r ） 式中：U0-工作相電壓； r-絕緣中任意一點到電纜中心的距離。 由上式可知：電場分布和r成反比，最大場強Emax 位于線芯表面： 代入數(shù)據(jù)得： Emax=7kv/最小場強：=3.5 KV/ 代入數(shù)據(jù)得：Emin=3.5kv/5. 確定電纜最終各部分尺寸： 電纜最終各部分尺寸仍按預定尺寸，如

9、下： 結(jié)構(gòu)線芯導體屏蔽層絕緣層絕緣屏蔽層銅屏蔽鉛套外護層厚度符號1、 2i3s1s2s5尺寸/0.5、1.52610.33.35.0外徑符號DcD'cD1D1Ds1Ds2Da尺寸/46.950.9102.9104.9105.5112.1122.16. 電氣參數(shù)計算：6.1導電線芯電阻：最高工作溫度下，單位長度導電線芯直流電阻: R=R(1+ys+yp) ；式中： R最高工作溫度下，單位長度導電線芯直流電阻，單位/m； yS集膚效應因數(shù)； yP鄰近效應因數(shù)；R=1+(20)k1k2k3k4k5 =【1+0.00393（9020)×1.012×1.022×1=

10、1.458×10-5 /m;A線芯截面積，A=（zd²）/4線芯在20時的電阻率；電纜最高工作溫度；k1單根導線加工過程中引起的金屬電阻率增加所引入的系數(shù)；k2多根導線絞合使單線長度增加所以如的系數(shù)；k3緊壓使導線發(fā)硬引起電阻率增加所以入的系數(shù)；k4成纜絞合使線長度增加所引入的系數(shù)；k5考慮導線允許公差所引入的系數(shù)；20、k1、k2、k3、k4、k5、R值見下表：20 k1k2k3k4k5R0.017241×10-60.00393901.021.021.0111.011.458×10-5 ys =0.0692 =0.0057=8×50×

11、;10-7×0.435/1.458×10-5=3.749=8×50×10-7×0.37/1.458×10-5=3.189式中： s線芯中心軸間距離，可取220；DC 線芯外徑； f電源頻率；代入數(shù)值得： R=1.567×10-5/m；6.2 絕緣電阻： = =1.11×1014(/m) 式中：絕緣電阻系數(shù)，可取1015/m G幾何因數(shù)，取0.7 代入數(shù)值得：Ri=1.11×1014/m6.3.電纜電容 ×10-12 = =1.99×10-10(F/m) 式中： 絕緣的相對介電常數(shù)，取2

12、.5； G幾何因數(shù)，取0.7； 代入數(shù)值得：C=1.99×10-10 F/m6.4.電纜電感 電纜采用三相水平直線敷設方式，正規(guī)換位，故電感取三相平均值，由 ： L=Li2（）×10-7 (H/m) 式中：Li-電纜的內(nèi)感，取0.5×10-7；s同上. 代入數(shù)值得：L=4.05×10-7 (H/m)6.5.正負序阻抗 根據(jù)有關資料，標準查得： Z1=Z2=RC+jX=(0.0157+j0.6) /km6.6.零序阻抗 根據(jù)有關資料，標準零序阻抗為正負序阻抗的倍數(shù)取3.5，故有： Z0=3.5Z1=(0.055+j2.1)(/km)3 熱性計算： 1.在地

13、下敷設條件下的各部分熱阻及載流量參數(shù)1.1.份額部分熱阻的計算： 絕緣層熱阻 式中：T1絕緣材料的熱阻系數(shù)，取3.5； G幾何因數(shù)，取0.7； 代入數(shù)值得：T1=0.39 (T) (2)外披層熱阻： 式中：T3-外披層熱阻系數(shù)，取3.5; 代入數(shù)值得：T3=0.0475 ,土地熱阻式中：T4土地熱阻系數(shù)，取1.0； L電纜敷設深度，取1m； De122.1； 代入數(shù)值得：T4=0.83（T)1.2 有關載流量的計算； 1.2.1 介質(zhì)損耗的計算： Wi=U02Ctg 式中 U0相電壓； 電源角頻率；tg絕緣材料的損耗角正切值； 代入數(shù)值得：Wi=127002×2×50

14、15;1.99×10-10×0.008=8.07w/m。 1.2.2 金屬護套損耗因數(shù)的計算： 金屬護套采取單點接地，電纜等距平行敷設，正規(guī)換位。 =0 =;式中：A1=3.0； A2=0.417；s=220；=314； R單位長度電纜導電線芯電阻，取值1.567×10-5Ds金屬護套平均直徑； =109（mm）式中：Ds1 、Ds2分別為銅屏蔽、鉛套的平均直徑；RS單位長度金屬護套的電阻；=1.37×10-4/m式中：RS1、RS2分別為銅屏蔽、鉛套的電阻；AS2=DS2式中Cu、Pb 分別為銅屏蔽、鉛套在20c時的電阻系數(shù)0.017241×

15、10-6、0.214×10-6分別為銅屏蔽、鉛套的溫度系數(shù)0.00393、0.0040；As1、As2分別為銅屏蔽、鉛套得截面積;其中As1=952 ，代入數(shù)值得："=0.083 金屬護套損耗因數(shù) 1="+'=0.083;2. 求取長期工作下的載流量： =1638 A式中：c、a分別為導體最高工作溫度、周圍媒質(zhì)溫度 R-導電線芯電阻； Wi、T1、T3、T4、1如前所述；3.求取達到電纜線芯允許溫度條件下1.5倍過載時的最大工作時間t： 單芯電纜地下敷設時，為準確計算其暫態(tài)響應，根據(jù)惠思門法，將電纜和周圍媒質(zhì)分成六個區(qū)域計算，具體劃分為：電纜本體分為兩個區(qū)

16、:區(qū)域組成部分熱阻T熱容Q導體、部分絕緣層0.1959.815×103另一部分絕緣層、金屬屏蔽層、護層0.2438.665×1033.1.電纜各部分熱阻、熱容的計算： 電纜各部分軟熱阻T1如前面所得，熱容Q為熱容系數(shù)q與體積之積，即：Q=qV;計算電纜各部分熱容為：結(jié)構(gòu)熱容系數(shù)q（J/m3）體積V×10-6(m3）熱容Q（J/）線芯3.5×10-66.046×103絕緣層1.2×1067.538×103金屬護層銅屏蔽3.5×106261鉛套1.5×1061692外披層1.6×1062.943&#

17、215;1033.2、土地各區(qū)熱阻、熱容的計算： 土地分為四個區(qū)，四個區(qū)截面積之比為1:4:16:64。令第一區(qū)域面積為A，各區(qū)域直徑分別為D1、D2、D3、D4，電纜敷設深度為1m。 D4=4L=4000mm =（40002-122.12）/340=147701 2 =451 =978 =1991土地各區(qū)熱熔分別為：=0.312 ； =0.185 = =0.170 ；=0.167土地各區(qū)熱熔分別為： =2.40×106/4×(4512-122.12)×10-6 =3.55×103J/式中：為土地熱容系數(shù) 電纜外徑 3.3. 分區(qū)后各區(qū)時間常數(shù)的計算各區(qū)

18、時間常數(shù)為：區(qū)域第一區(qū)第二區(qū)第三區(qū)第四區(qū)第五區(qū)第六區(qū)熱阻符號TiTT41T42T43T44數(shù)值0.1950.2430.3120.1850.1700.167熱容符號QiQQ1Q2Q3Q4數(shù)值9.815x1038.665x1033.55x1051.42x1065.68x1062.27x107時間常數(shù)符號123456數(shù)值1.91x1032.11x1031.11x1042.6x1059.66x1053.79x1063.4 1.5倍過載時最大工作時間t的計算： 由： 式中：T各部分熱阻Ti分區(qū)后各區(qū)熱阻 N過載倍數(shù) ri 各區(qū)的時間常數(shù)代入數(shù)據(jù)得：t= 結(jié)論：本電纜在達到電纜線芯允許溫度條件下1.5倍過

19、載時的最大工作時間為 秒。四技術(shù)規(guī)范和主要實驗項目： 1、技術(shù)規(guī)范 1.1.導體表面應光潔、無油污、無損傷屏蔽及絕緣的毛刺、銳邊以及凸起或斷裂的單線。 1.2.絕緣層及內(nèi)屏蔽層的交聯(lián)聚乙烯的交聯(lián)度應不小于80%。絕緣最小測量厚度應不小于標稱厚度的90%；偏心度應不大于8%。 1.3.導體屏蔽由半導電包帶和擠包半導電層組成，其厚度近似值為2.0mm，擠包半導電層應均勻的包覆在半導電包帶外，并牢固地粘在絕緣上。在與絕緣層的交界面上應光滑，無明顯絞線凸起、尖角、顆粒、燒焦或擦傷痕跡。 1.4.絕緣屏蔽為擠包半導電層，其厚度近似值為1.0mm，絕緣屏蔽應與導體擠包半導電屏蔽層和絕緣層一起三層共擠。絕緣

20、屏蔽應均勻地包覆在絕緣表面，并牢固地粘在絕緣上。在絕緣屏蔽的表面以及與絕緣層的交界面上應光滑，無明顯絞線凸起、尖角、顆粒、燒焦或擦傷痕跡。 1.5.在絕緣半導電層外應有緩沖層，可采用半導電彈性材料或具有縱向阻水功能的半導電阻水膨脹帶繞包而成。繞包要求平整、緊實、無皺褶。 1.6.金屬鉛套的最小厚度應不小于標稱厚度的95%-0.1mm. 1.7.外護套的性能應符合GB/Z-18890.1-2002中表5、表7和表8的要求。在外護套表面應有均勻牢固的導電層作為護套耐壓試驗時的外電極。 2、主要實驗項目（GB12706.1-91） 2.1.例行試驗（試驗類型代號R）（導體直流電阻試驗、局部放電試驗、

21、交流電壓試驗）。 其中交流電壓試驗規(guī)定試驗應在成盤電纜上進行。在室溫下在導體和金屬屏蔽之間施加交流電壓318KV（2.5U0),保持30min,絕緣應不發(fā)生擊穿。 2.2.抽樣試驗（試驗類型代號S)(4h交流電壓試驗、熱延伸試驗）。 2.3.型式試驗（試驗類型代號T）（電氣性能試驗、機械物理性能試驗）。 其中沖擊電壓試驗及其隨后的交流電壓試驗規(guī)定將試樣導體加熱到100105，對電纜試樣施加1050KV沖擊試驗電壓，正負極性個10次，電纜應不擊穿，隨后進行交流電壓試驗，電纜試樣在交流電壓318KV（2.5U0）下，保持15min,電纜應不擊穿。五計算一公里長度內(nèi)電纜所消耗的材料: 1、線芯：S=

22、(/4)d2z（1/u） ；V=KmSL ;m=cuVd/Z/根uS/KmL/mV/m3cu/kgm-3M/t3.12171.041.57×10-31.01510001.608.9×10314.232、 導體屏蔽層：Dc/Dc/S/L/mV/m3cu/kgm-3M/t50.946.90.31×10-310000.310.92×1030.29 S=(Dc2-Dc2)/4 ;V=SL ;m='cV;3. 絕緣層：D1/Dc/2/mS/L/mV/m31/kgm-3M/t102.950.9261.26×10-2100012.60.95×10311.97 S=(Dc+D1)1 ；V=SL ；m='cV;4. 絕緣層屏蔽：Dj/Di/S/L/mV/m3c/kgm-3m/t10