塑料绝缘电力电缆铜丝疏绕屏蔽剖析.pdf

塑料绝缘 电力 电缆铜丝疏绕屏蔽剖析 上海机电 职大 王伟斌 吴 炯上海电 缆厂 胡建 国 狄永清 r 2 吖 摘要介绍 了国外 已在推广应 用的 塑力缆金属屏蔽疏绕结构。采用双 层反 向铜 丝疏绕或 铜 丝枷铜带间隙绕 包结构， 代替传统的铜带搭盖绕 包结掏， 无疑 其屏蔽特性将 固减少接触 电 阻而提 高； 如 再加上组合防水层， 将提 高防水树及局被 性。对结构设 计依据、 计算设 计参数进 行 了剖析； 并介绍 了计算机 计算短路 容量， 确 定铜丝尺寸、 根数、 工 艺参数的实用程序。 主题词 - 属材 蔽 ， 间 隙绕 包 ， 短路 流计算机辅助设计 CA 塑牟 i i 一 ， ，J J ， 、圣 铜 丝疏饶结掏新技术的优势 金属屏蔽 层结构形式的薪探索 在 国外 中高压塑力缆结构 中，凡要求用 于 电场屏蔽、导通 电容 电流和短路故障 电流 以及提高防雷特性的金属屏 蔽层， 己开始 逐 步用铜丝疏绕结构新技术， 以取代铜带搭盖 绕包的传统结构。 这是基于铜带搭盖绕包形 式在运行后，往往在搭盖问的接触面产 生氧 化物 以及弯， 曲冷热变形后， 减少 了接触压力， 造成接触 电租成倍增加， 影 响短路容 量， 影响 正常电容电流的导通，且 导致 电流流 向不是 轴向，而是绕绝缘外形成螺旋 电流，引起 电 感， 当雷电压或操作过电压时， 在屏蔽层上会 产生很 大感应 电压。 搭盖绕包当接触不 良后， 热传导性下降， 导致 超过 正常允许温升下运行， 加速热老化， 最终 将导致热击穿。此外，在正常工艺条件 下硫 化时或运行超负荷下， 由于过热膨胀而 会导 致铜带 弓胀变形。铜带应 与半 导电层紧 紧接触并 良好接地； 反之 ， 半导电层损 伤会使 局部放 电性能下降， 长期运行下去， 将导致 电 树开裂， 加速 电老化。 采用疏绕 铜丝 或疏绕铜丝加疏绕铜带结 构， 将 使上 述问题得 以改善 ， 因为它没有氧化 层 ， 弯 曲变形小， 热膨 胀变 形也小，接触 电阻 不会变大I 霞有 电感引起 电压 问题 ； 弯 曲热胀 不致 予损伤半导 电层， 困而 电性、 机械性能及 热 性得到改善。 1 金属屏蔽 结构 的渣变 为确保金属屏蔽层与绝缘层或半导电层 的 良好接触 ， 现今金属屏蔽结构几经改变， 其 性能越来越完善 ， 并与防水层同时考虑， 形成 综台护层。其发展过程有如下几种 ( 1 )传统式的锕带 措盏绕 包。 ( 2 )铜带搭盖层外加铜丝疏绕， 以增大 容量。 【 3 ) 铜带间隙疏绕再加铜丝反 向疏绕 。 ( 4 )绕 包一层铜丝 以后，再加一层铜带 包扎。 ( 5 )双 层铜丝反 向疏绕，或在一层铜丝 绕 乜外 用扁铜丝反 向捆扎 这种 新 改 进 结 构， 可克服第( 4 ) 种结构的缺点。采 用屏 蔽结 构( 4 ) 的 电缆在运行或发热膨胀 时， 因铜带和 铜丝 间不能产生有效滑动，常 造成铜带断裂 及铜丝堆 聚在一 起， 当局部短路 时， 铜丝 电流 过大而发热 集 中， 造成铜丝熔断。 ( 6 ) 目前，欧洲各国考虑铜丝结构不够 稳定， 均将铜丝压成 波浪 形， 在挤外半 导电层 时将铜丝嵌入 外半 导电层 内，或挤外 护套时 嵌 入外 护套 内。 ( 7 )铜丝疏绕结构 与热膨胀缓 冲层、径 向隔水层、 纵 向堵水层等防水结构综 合应用 2对防水结构的考虑 新近， 为提 高 3 5 k V、 1 1 0 k V级 电缆 的耐 1 1 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 水 ；尊 持性，强调 防水结掏 -并考虑 了以下几 种 选 坪 ( 1 ) 啦 属h T - 蔽后， 挤 P VO护套，没 有 防水护层， 只能用 于中、低压， 能用于 1 1 0 k V 及 以上 电压级 电缆。 ( 2 )用皱纹铝 ( 或铅)护套和 P VO外护 套， 但单位 民重最六， 敷 设不便，只用于特殊 场合 。 ( 3 )采用 吸水黪胀半导 电无纺布，纵 向 堵水层和铝 塑复台弗径 向隔水层，再加保护 铝塑复合带的热缓 冲层，最 后 用 P VG外 护 层 。 3 纵 向堵水屡 的应用 纵 向堵水层采用绕 包吸水膨胀半导 电无 纺布 带结 构。如果外护层损 伤，水份进入金 属屏蔽空隙，金属屏蔽层下面的吸水膨胀带 可吸收进入 空隙的水份或潮气，并马上膨胀 堵住空隙， 阻止水份 进一步浸入 ， 将浸水 区限 制在 1 2 m 内， 提 高了电缆 运行 可靠性。我 国 已在 1 1 0 k V 级 XL P E力缆 中采用防水 层 结构， 并 已有研 制品， 其 阻水带是 黑色半导 电 膨胀型阻水绕 包带 ， 放在铜丝、 锕 带屏蔽层外 面； 而 1 0k V 级、3 5k V级 放在铜r 特、 铜丝里 面。阻水带亦有用 国产 白色阻水带，厚 0 5 5 M ，膨胀倍数为 5 6倍； 或用一层进 口黑 色带 加两层 白色带绕 包于金 属屏蔽外面，黑 色阻水带厚 0 6mm，膨 胀倍 数为 1 0倍 。 4 重 视 电缆绝 缘热膨 胀产 生的影响 XL PE具有较高的热膨 胀系数和较低的 压缩模量， 当电缆从冷 态到热态 时， 由于温度 增加使 绝缘体膨胀 ，在铝 塑复合带 上产生机 械压力， 可能导致复合带断裂。为肪止断裂， 可在护层中加一缓冲层， 它在 电缆 从冷到热 时， 能有效吸收绝 缘体 所产生 的径 向增 量； 而 当电缆 从热 到冷 时，叉能恢复其原状 。这种 膨胀还会使外屏蔽铜 带或铜丝嵌 入 电 缆 绝 缘 ，这对 于 1 1 0 k v级 以上的电缆 而言 ， 特别 要考虑 由绝缘热膨胀而 引起的金属屏蔽变形 损 伤 问 题 。 J 2 铜丝撬数计茸 考虑 到铜 丝疏 绕 结 何的 产 工 艺与机 械 弯 _ 能， 参 照德 剖 VD E规范 中DI N 5 7 2 5 0 第 2 1 2部分， 规定疏绕 节距 S=4 7 D ( D为 疏绕 下的直径) ； 并规定 在 巾、低压下导体截 面 2 5 1 2 o 的屏蔽截面均采用 1 6 mm ， 1 5 o 2 4 0 甩 2 5 m ，3 0 0 5 0 0 n m 用 3 5n ： n 。 基于要 求 良好的电磁 场屏 蔽欢果，D I N 5 7 2 7 3规定两铜丝 间距离 h 4 mm( 图 1 ) 。 我 们将轴 向钢丝间距 以 l， J 表示，考虑铜丝根数 较 多 ， 可 认 为 固 8=L” 为 锅 丝 敝 数) ， 故 = L。利用营 标 准， 取 =5 D， 哑 lI =5 2 ) L=5 D 4=1 2 5 D 若 D=2 5，则 =3 2根 圈 I 袭 1 疏 壤 锕丝 的典型 结构 目 l 0 盎 足 盖 H罩 1 5； 8 0 2 0 X LrE j 3 1 5 1 2 S 0 C 2I mm 皇 日前， 铜 丝根 数的规定 蔓娓 梅准化， 目的 是达到一定 的屏蔽截面，满足短路容量不超 过温升要 求就可以。锟 丝疏绕节距 、根数及 外径还要考虑工 艺设 备 目索和工艺条件， 由 眦 I 一 x 挂 啦 立 材 厚 度： 如 面 娃 一 度 电 敛 蔽 蔽 铜 厚 厚 层 缝 体 砰 缘 屏 蔽 带 带 水 电 导 出 缝 州 屏 铜 扎 防 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 各厂经验掌握。 由资料 2 介绍， 疏绕锕丝折算为铜带厚 度 的计算式如 I ( 可作参考) ： 一 1 一1 式中 疏绕 铜丝订效耐 j ， r n 】 讨 d一一锏 豇径， m n 钢 丝 根 数 ， 根 一 铡 丝节 距 率 K ： 1 if ,3 b 工 线展 开 长 ， m 节 距 ， n n A d 】 0 丽一 D 式中 D为 a缆薛 蔽层平 均直径 ( mm) 。 疏 缓 铜 丝 间距 允 许 与半导 电层 脱离 接触 的长 度 为防止轴向裘面放 电， 要求 铜丝 必须与 半导 电层 趄好 接触 ， 并要求铜丝 良好接地， 否 原可能引起轴向电位分 布不 均匀而造成 电缆 沿面放 电。图 2说 明造 成轴 向表面 f 位 分 布变化的等值 电路。若半 导电层 A、B耐点 接地 中间形成一段脱离接地，分布 电容 电流 在两接地点间形成商电位， 而 A、 B 点处可 能 形成 高场强， 引起 电晕 ， 导致放 电。 内屏 2 “一轴 。 ； J i - ； 电蠢c 一抱眷巨 葛 R- f l ( 电 L蛊 p) 为 了防止辅向放 电，铜丝与半导 电层不 宜脱离接触 过 长， 此距离为 2 L，则可 由图 群 目3 d r 导体导 敲外 径 d 一绝 缘外径 0 一外 乍导电层厚度 D一外 一 导电呈平： 2 直径， D=d i 上2 L 一铜丝与盥导电 甚克许脱离接触距离( 单位： 均为 c m) 8导f f I 三值的公式 。设 计算 式是 以假定金属 铜丝 ( 带)问 2 中的 电容电流 沿半导 电层 向)流向金 属铜丝，引起两环问部分 电位 抬 高而导 出。 设单位长 电缆的电容为t 2 r o 。一 ： l O ( Y c m) ( 1 ) l n( d 1 )“ 单位长 电容 电流为； = U0 ：2 zf U U0 ( 2 ) 以金属环为电位参 考点， 两环 中点电位抬 高： U ： = = J ： 如 = ： ( 3 ) 若允许纵向 l乜压为 口 ，应使 UU” 即 L U 代八式 ( 1 ) 得； 三 型 篆 巫巫 (4 ) 可见 ，允 许脱离 长度 2 是和 绝缘 利 料 的 电容 电流太小 ( s大小) 、 半导 电层 电阻率 及工作电压 U0 成反 比。 根掂 斌验，若 u ：1 0 0V，o：0 1 ， 也 =1 ， 3 1 ， =2 ， 3 7 0 T D ， 5 0Hz 。 = 6X 1 0 。 V，可将式 ( 4 ) 写成 I L = 9 3 - 7 1 - l_ ( ) 】 3 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 由此， 当 8=3 5及 P=1 0 5 Q 时，计 算得 L=1 5 8 c m( 2 L=3 1 6 o m) l=2 3及 p=l o Q 时， 得 L= 9 5 c m( 2 L=3 9 n ) ； 又 8=2 3及 p=1 0 。 n 0 1 1 时， 则 L：1 9 5 c ( 2 L= 3 9 0 。 可见 ， 半导 电层 电阻率大， 将 减少脱离 长 度， 这 对防止轴 向放 电不利。小的 材 料 允 许有较大的脱离长度， 也就是说 P Va绝缘 易 引起轴 向放 电。现 实运行 中， 已出现过 1 0 k V 力缆 由于敷设不完 善造成轴 向表面 放 电并 引 起火灾的事例。 从静 电屏蔽 出发 ，要 求 h= 4mm。从 脱 离接触长度出发，有一根铜丝不接触半导电 层， 就意味脱离长为 8 mm。 若 2 L= 3 0 e 1 ， 则 允许约有 7 O根铜丝在 电缆轴 向与半导 电 层 松动而不接触， 再多就易引起轴 向表面放 电。 另外可见， 从沿面放 电角度看， 允许脱离 距离相当大，但 由于工艺上及 电缆机械弯 曲 性能上 的要求，这么大的铜丝疏绕节距是不 现实 的， 它不仅 工艺加 工难 ， 而且电缆 弯 曲时 要 松动。因此， 按 1 9 8 1年 的 D I N 5 7 2 7 3德 国标准， 考虑工艺和机械弯 曲性能， 要求 2 L +3后， 可用下式计算z e e rfc = 击 I 古) 、 ， 当 工 、 ： 辅人 ：( 1 ) 电缆直 径与额定工 作温度 ( 2 ) 舁蔽元 件的参数 。 i 兰 辅 计算参数 图5 I S 维普资讯 准标网 w w w .z h u n b i a o .c o m 免费下载 2 0 0 0 、 3 0 0 0 A) ，求 I 、6 、8 I 、 口 I 、 了 、 8 2 ， 再 汁算 幽数 l 及 r ： ， 最 后代 凡式 ( 6 ) ，求 【 如 图 4所示的 T =，( I ) 的关系 曲 线 ( 2 =8 3 。 C，I=1 2 0 0 A) 。 图 5是佥腹铜丝屏蔽短路温升的计算 机 计算 框 圈。 现举计算机计算 倒。 条 件 为：线 芯 7 0 n 咖 铅 线( 外径 1 1】 n ) ，内屏外径 1 3 1 1 D 3 3 ，绝缘外径 2 3 71 1 3 3 3 3 ， 卦 嚣孕 0n 1 ， 铡 丝疏 绕 ： r 艺 节 距 4 D：42 3 7=0 4 8 m 1 导屯线芯温度 9 0 C， 事 故前， 铜丝及 镪 带 温凄 7 5 。 C；事故时， 允许温度 2 3 9 ： C，计算 时问 0 B 5 S 。屏蔽结 形式为铜丝加反 向 钢带扎紧 ， 外加自布带捆扎。 计 算结果： ( )当钢 丝 根 数 =3 0根， 短 时间 2 s时， I=1 9 4 0 A；n=4 0根 ， 剜 I： 2 1 6 8 A( 铜丝直径 0 8 J D ，铜带厚 0 1 S z a n ) 。 ( 2 ) 改变铜丝直径、铜带厚度及铜丝根数 J 得 出另一组结 果：如铜丝直径 0 7 n mx ，铜带 厚 0 1 5mm， 当根 数 n=3 8 ， =2 s ，喇 I= 2 2 0 0A； 当 n：4 0 ， =2 s ，则 I=2 4 6 0 A。 ( 3 ) 改变 =0 5 5 s ，可得不 同 j值。 ( 4 )改变 锕带厚 度， 可调 节 工值 。 结 论 ( 1 )推广金 属屏 蔽层 丝( 或铜丝妇 1 稍 带)蔬绕结构，其性 能优 铜 特搭盖绕 也 ( 2 ) 锏丝或径、 根数、 钢带厚度等，可按 屏蔽层潞升计算确 定； ( 3 )利用 计算机 汁算 ，可很快得 出不 同 条 件 F所 需 睁蔽 的结 构尺寸 ； ( 4 ) 锏暨金属屏蔽直 与防水结构、防膨 胀结 组 合没计， 综 台考虑 。 ， 琦 文 献 i H CM i 1 d De rTh e s hox t c bc ui t r a t i n g o f 1 i m a t a l t a pe c a bl c s hi e l d s I EEE 1 9 6S PAS 8 7 ( 3 ) 7 4 0 2 i 3 8 P EX 一 拈 代 L 、 托史 电气 1 9 7 2 ， Ma 3 r ( 1 0 6 ) 3 日本电线 工业会规格 悖 塑力 缆手 电赢 丌算 抒 准 ( J CS C隽 阻 弓第 6_ _ 了 ) 电线p = 报 1 g 7 5 ，Fe b ( 3 2 4 ) 4 曼炯塑 辫电缆西 安交通六学 义 翩 ： 5想 目标 准 DI N 5 1 2 7 3 -1 9 8 1( VD E规 程 P E， XL PE力缆 ) 6 第亢厢全国宅介质均理学末全 论 ，1 9 9 1年 如 月 g j 乌； 皋； dd| ； 南 如 如如矗4 ； ：05 新书出版信息 e 岳 0县 ；如皂 # 尊 曲 蕾 g5 如甚 如 0 赴0 ，4 j 典型电线电缆设备 电气控制 咯尔滨翌工大 学程焕文( 副较壬、 教授) 袖 安 邦( 画教授 )编 著晌 典受 线 哑缆设 备 匕 控 制 ， 已 由机被 工 、 鸟段枉 出版 ， 北 京新 华书店 发行 ， 定价 4 5元。 诙 芍共 1 2壹， ! 勺窖包 、 e ： j 阐 列绘 电线 电缆 设备 - 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