带有地线的电力电缆结构设计.pdf

1 9 9 9年 第 3 期 No3 1 9 99 彩番 ； 9 ； I 电 线 电 缆 1 9 9 9 年 6 月 J u ， 1 9 9 9 带有地线 的电力 电缆结 构设 计 何晓芳， 管益武， 蔡小林， 徐永虹， 付林 有 川 h H 0 j 摘要 ： 舟绍 带有 地线 t蜕 构 选择压 谩 计 其 中 包括地 线戴 自 选 ， 构 谩 1 前言 随 着 电力 工 业 和 建 筑 业 的 发 展 ， 对 配 电 系统安全可靠性能要求越 来越 高 。 另一方 面， 产 品 市 场 竞 争 日益 激 烈 ， 要 求 生 产 厂 家 不 断 提高产 品性能的 同时降低其 成本 。我 厂结 合 原 有 申请 的 国家 专 利 及 国 际 上 电 力 电 缆最 新 发 展 趋 势 ， 研 究 设 计 并 试 制 了两 芯 、 三 芯及 四 芯 的带 地 结 构 的 电 力 电 缆 ， 是 符 合 未 来 发 展 趋 势 ， 并 具 有 广 泛 市 场 。 2 两 个 前提 2 ， 1地线截面 电缆 结 构 设 计 首 先 遇 到 的 问 题 ， 是 地 线 截 面 的 选 择 。 由于 在 现 行 的 电缆 标 准 中 ， 设有 带 有 地 线 的 电力 电缆 这 种 产 品 ， 当然 也 就 没 有关于地线 截面 大小 的规定 。虽然在使用 中 有时 中性 线和地 线共用 ， 但 毕竟不符 合 发展 的 要 求 ， 即 电 缆 工 作 零 线 ( 中 性 线 ) 和 保 护 零 线 ( 地 线 ) 完全分开 。考 虑到在经济 日趋全球 化 的今 天 ， “ 向 国际 标准靠拢 ” ， “ 和国 际市场 接轨” 等观 点 已为共识 。我们参照 了美 国 uL 标准 ， 选择地线截面并进行 电缆结构设计 。 在 UL一 1 2 7 7以及 基 于 UL 一 1 2 7 7制 定 的 Tc 型 带 有 地 线 的 电 力 电缆 0 中 ， 地 线 截 面 S 和 导 电线 芯标 称 截 面 S之 比， 见 表 1 。 收 藕 日期 1 9 9 8 1 2 6 作 者简 介 ： 何 晓芳 ( 1 9 6 5 ) 女 四 ， I l 省 德 阳人 工 程 师 哀1 标称截 面 黄罾线 规 ( 公 制) S S o 2 5 o 2 5 o 2 0 o 1 8 0 1 5 O 1 3 0 1 3 8 AWG( 8 4 n ,l n t ) 6 AW G( 1 3 2 n ,l nt ) 4 AWG( 2 1 2 n t nt ) 2 AWG( 3 3 5 mm ) 1 A W G ( 4 2 4 r a m z ) 1 0AW G ( 5 3 5mm ) 2 0 A W G( 67 4 m m ) 3 0 A W G ( 8 5 nI m ) 4 o A W G ( 1 01 2 n t m ) 25 O k c mi 1 m ( 1 26 7 n t r ) 3 00 k c mJ 1( 1 5 2 r fl d 3 3 f1 3 50 k c mi l ( 1 7 7 8mm ) 4 00 k c rai l( 2 02 7 mmz ) 5 00 k cmi l( 25 3 5mm ) 千 圜 掰 尔 2 2电缆 结构模 式 根 据 我 国 情 况 ， 主 线 芯 5 0 mr i l ， 导 体 是 圆 形 ， 地 线 芯 也 做 成 圆 形 ， 成 缆 时 同心 绞 合 。 在结构设计上无 问题 ， 本文不予讨论 。 本 文 主 要 讨 论 截 面 5 0 F i l m。的 大 截 面 带 有 地 线 的 电 力 电 缆 。从 表 1可 知 ， 当 S 5 0 r l l m 时 ， s s 0 2 5 ， 截 面 越 大 ， s s值 越小 ， 最 小 时 ， S s=0 1 3 。 这 与现 行 的 不 等 芯 四 芯 电 缆 S S=0 ， 5相 比较 ， 差别很 大， 这就蛤 电缆 结构设计带来 了问题 。 多 芯 电缆 ， 不 论 两 芯 带 地 、 三 芯带 地 或 四 芯带地 的电缆 ， 除 了象美 国那样 ： 不论 截面 多 大 均 采 用 圆 形 导 体 外 ， 在 结 构 上 还 可 有 三 种 选 择 ： 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 1 9 9 9年 第 3期 No 3 1 999 ， t 电 线电缆 Et e c t r i c W i r e Ca b L e 1 9 9 9年 6月 J U n 1 9 9 9 ( 1 )按 现 行 的 多 芯 电 缆 ， 采 用 扇 形 导 体 的模 式 进 行 设 计 ( 如 图 l a 图 l c ) 。这 种 模 式 ， 在 理 论 上 是 可 行 的 。 但 实践 上 有 问 题 。主 要 是 S s值 小 时 ， 地 线 扇 形 的 中心 角 小 如 图 l a的 两 芯 扇 地 结 构 为 例 ， 取 s s= 0 2 5时 ， 则 地 线 芯 的 扇 形 角 = 0 2 5 5 ( 0 2 5 S+S+S)I 3 6 0 。 一 4 0 。 当 取 S S= 0 1 3 时 ， 则地线 芯扇形 角 q = O 1 3 S ( 0 1 3 S +S+5) 3 6 0 。 一2 2 。 ； 同理可算 出三芯扇形 带 地 及 四 扇 形 带 地 结 构 的 地 线 芯 的 扇 形 角 ，只 会 比两 芯 带 地 相 同 截 面 的 S S 扇 形 角 度 更 小 。实 践 证 明 ， 中心 角小 于 6 0 。 的 扇 形 在 紧 压 成 形 ， 绝 缘 挤 出 和 成 缆 加 工 中容 易 翻 身 ” ， 更 不 用 说 模 具 设 计 加 工 及 制 造 如 何 困 难 。 截 面 越 太 ， S S值 越 小 ， 地 线 的扇 形 角 更 小 ， 可 操 作 性 更 差 ， 如 图 1 b、 图 1 c 。 显 而 易 见 ， 这 是 一 种 很 不 稳 定 的结 构 。 图1 在这 种模式 中， 如果把 地线 芯做 成圆形 ， 如 图 2 a 图 2 c ， 圆形 地 线 芯 所 占 角度 比例 依 然 很 小 ， 成 缆 时 必 须 用 大 量 的填 充材 料 ， 才 能 使 圆形地线芯定位及保证 电缆的圆整 。这种 结 构 也 不 稳 定 ， 且 无 法 保 证 电缆 质 量 。 囝 2 ( 2 )将 地 线 绕 包 在 主 线 芯周 围 的模 式 ( 图 3 a 图 3 c ) 。这 种 模 式 虽 然 避 免 模 式 ( 1 ) 的 缺 点 ， 但 地 线 间 距 离 是 铜 丝 直 径 的 几 倍 或 十几 倍 ， 铜 丝 位 置 不 能 固定 ， 且 需 占用 庞 大 的 钢 丝铠 装 机 ， 增 加 了生 产 劳 动强 度 ； 电 缆 敷 设 22 时 ， 地 线 连 接 也 不 方便 。 剧 3 ( 3 )采 用 本 厂 l 9 9 2年 8月 获 得 专 利 权 的瓦 形 截 面 导 电线 芯 模 式 这 种 模 式 不 仅 没 有 上 述 两 种 模 式 的缺 陷 ， 而 且 适 应性 强 ， 即 使 改 变 地 线 截 面 或 改 变 主 线 芯 截 面 ， 在 设 计 和 制 造 上 都 不 会 构 成 问 题 ， 如 图 4 a 图 4 c所 示 。 圈4 在 生 产 制 造 时 ， 两 芯 带 地 ， 三 芯 带 地完 全 可利 用现有设 备 ， 仅 四芯带地 电缆 生产时增 加 一 个适 当 的放 线 架 即可 满 足 生 产 要 求 。基 于 以上 分 析 ， 我们 选择 了 上 述第 ( 3 ) 种 图 4所 示 的模 式 进 行 带 地 线 多芯 电 缆 的结 构设 计 。 3瓦形截面的设计 带 有地 线 的 电力 电缆 结 构 设 计 的核 心 问 题 是设 计 出 瓦 形 截 面 的几 何 参 数 。设 计 是 否 正 确唯 一的判断标准是按设计 的几何参数做 出的电缆 是否圆整?成缆时绝缘线芯之间是 否 紧密 ? 几 何 参 数 中 ， 最 重 要 的参 数 是 瓦 形 太 圆 弧 的 半 径 R， 只 要 R 计 算 正 确 了 ， 其 它 几 何 参 数 都 可 以 导 出 。 下 面分 两 个 问题 进 行 讨 论 ： ( 1 )用 计 算 机 求 R 的 精 确 解 ； ( 2 )用 手 工 计 算 求 R 的 近 似解 。 3 1 用计算 机精 确求解 ( 1 )符号 定 义 R瓦 形 大 弧 所 在 圆 弧 的 半 径 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 1 9 9 9年 第 3期 No3 1 9 g9 电 线电缆 EL e c t r i c W i r e Ca b L e 1 9 9 9年 6月 J U n ， 1 9 9 9 图 5瓦 形截 面示 意 图 ( ram ) ； R。 中心 地线 芯 的 半 径( mm) ； R 中圆 弧半 径( mm) ； R 2 边 圆 弧半 径( mm) ； k 中弧经验 系数k 一R n 取 0 1 5 ； 边弧经 验系数k ： 一R n 取 0 1 ； H 绝 缘 厚 度( mm) ； 卢 瓦 形所 在 扇 形 角 2 ； 两 芯带 地线 电缆 卢 一 9 0 。 三 芯带 地线 电缆 卢 一 6 0 。 四 芯带 地线 电缆 卢 一4 5 。 边 圆 弧 圆 心 C 和 电缆 中心 O 点 连 线 和 中 轴 线 OO 之 间 的 夹 角 ( r a d) ； y 中圆 弧 圆 心 D 和 电 缆 中心 O 连线 与 中轴 OO 之 间 的 夹 角 ( r a d ) 。 ( 2 )面积 定 义 5 瓦 形 截 面 2( mm ) ； S 扇 形 O0 E 的 面 积( ram ) 1 S 】 一R d ； S 2 三 角 形 0GC 的 面积( ram ) 1 S z 一寺 ( R 2 +H) c g q 3 -a ) ； S 扇 形 E CF的 面 积( mm ) 吉 詈 ； S 扇 形 KOL 的 面 积( mm ) S 一 ( R。 + H ) 。7； Z S 不 规 则 多 边 形 OL1 J面 积 ( mm。 ) S 一 三 角 形 ODJ面 积 一扇 形 L DI 面 积 一 专 ( R + H) ( R o - H+ R ) c 。 s ( p ) 一 号 ( 号 一 s s 矩 形 F1 J G 的面 积( mm ) S 一H ( R2 十月 )c t g( 口 一d ) 一 ( R +H)c t g Q 3 - ) ； ( 3 )列 方 程 由 S S + S ： + S 一 ( 5 + +5 ) 可 求 得 式 ( 1 ) s 一 专 R a + 1 ( 1 - H ) c tg ( p a ) + 专 R z rt + ( p a ) 一 I ( R 。 + H ) I ( R l H )( R。 + H + R1 ) c 。 s( p )+ 1 R ( I 一 p + ) H E ( R 2 + H ) c t g ( a ) 一( R 十H ) c t g ( p ) ( 1 ) 由 三 角 形 OC G 中 OC- ( H+R z ) s i n q 3 -a ) 导 出 式 ( 2 ) ， 即 ： 对 式 ( 1 ) ， 式 ( 2 ) 进 行 整 理 ， 并 代 人 以下 3 项 R l 一 R 一 0 1fi R R2 一 2 R 一 01 R 一 L D OJ = - s i n t 这样 使式 ( 1 ) 只有 R 和 a两个 变量 。 当 S 给定 时 ， 式 ( 1 ) ， 式 ( 2) 就形 成如 下二元 联立 方程组 2 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 1 9 9 9年 第 3期 No3 19 99 电 线电 缆 E e c t r i c W i r e Ca b l e 1 9 9 9年 6月 J u n ， 1 9 9 9 5 一 R 。 + ( o 1 5 R + 日 ) - c t g ( P ) 一 ( 0 1 R ) 詈+ 卢 一 n c R+ s ir c R+ 日 s s in 一 等 是 卜 1 5 R ( 号 一 s in 。 。 I _ 景 杀 一 日 c o + c t s c 一 。 一 c 。 s 十 日 c t g I ig n ( 3 ) 、锄 0 - 瓢J J 门 R 一 +01 R 求解 此方程即可求 R和 a 。由于式 ( 3 ) 和 式 ( 4 ) 所 构 成 的联 立 方 程是 一 个 超 越方 程 ， 欲 求解 很 难 。 但 可 籍 助 计 算 机 及 使 用 迭 代 法 对 该 方 程 作 近 似 计 算 ， 求 出 R 的 精 确 的 近 似 值 。 程 序 流 程 图 如 下 。 框 中输人 的各参 数 含义 ， 在符 号定义 中 已作 了规定 。其 中 S是由下式确定的设计 截 面 S 2 5 一 5 5，一 誊 2 4 ( 4) 式 中D ， D 第 一 、 二 组单 线 直 径 G- ， G 第 一 、 二 组 单 线 根 线 N 填 充 系 数 ， 取 0 8 4 0 8 8 紧压 时 导体 延 伸 系 数 2 5 7 0mm 时 取 N2 1 _ O 5 9 5 1 2 0 mm 时取 N2 1 0 3 5 1 5 0 2 4 0 mm 时 取 N2 一 I 0 4 设定框 中的 a ， 是 a的初 始值 ， 由于 0 a S ， 且 S 一S 5 mm ， 若 如 此 ， 则 可 判 定 计 算 机求 出 的 R 是 正 确 的 ， 否 则 计 算 结 果 是 错 误 的 。 ( 3 )利 用 前 述 近 似 公 式 ， 将 计 算 机 求 出 的 R 代人下述公 式验算面积 ， 即 S l f 4 同样 ， 将 S 与设 计给 定 S 面积作 比较 ， 只 要 S S ， 5 m 则 可 判 定 计 算 机 求 解 的R 值 正确， 否 曼 l找 _出 粤， 重 新 计 算， 这 样做 的 且的是 为 了避 免 因 计 算 错 误 造 成 不 必 要 的 浪费 。 2 6 5 其它问题 5 1 绝 缘 设 计 ( 11 导 电 线 芯 的 绝 缘 完 全 按 照 GB1 2 7 0 6 3 9 1的有 关 规 定 实 施 ( 2 )接地 导 体 ( 地 线 ) 按 照 美 国 标 准 UL l 2 7 7中第 6 5节 及 9 2节 的 规 定 ， 可 以 是 裸 线 也 可 以 为 绝 缘 线 芯 。 若 有 绝 缘 层 ， 其 材 料 应 与 主 导 电 线 芯 的 绝 缘 一 致 ， 地 线 截 面 的 选 取 参 照 表 3 。 美 国 南 方 电 线 等 公 司 推 出 的 Tc型 带 有 地 线 的 电力 电缆 中 ， 地 线 是 裸 线 ， 无 绝 缘 层 鉴 于 我 国 我 厂 的具 体 情 况 ， 地 线 在 成 缆 后 位 于主导 电线芯的 中央 ， 而不像 美国的产品 ， 地 线 处 于 圆 形 的 导 电线 芯 成 缆 后 的边 隙 ， 故 在 设计地线 时 采用有绝 缘层 ， 绝缘 材料 为交联 聚 乙 烯 ， 绝 缘 厚 度 符 合 GB1 2 7 0 6 3 9 1中表 3的规 定 。 裹 3 主 线芯 殛地 线芯 截 面选择 的 规剽 标 称截面 地线 绝缘 厚度 mm 地线藏 面 mm0 三芯 四 芯 1 0 1 6 2 5 3 5 5 o 7 o 9 5 1 20 1 5o 1 85 2 40 3 0 0 o 7 o 7 o 9 o 9 1 o 1 1 1 1 1 2 1 4 1 6 】_ 7 1 8 ( 3 )关 于 绝 缘 线 芯 着 色 标 志 问 题 ： 电 力 电缆 主 线 芯 及 中 性 线 芯 的 色 标 在 GB6 9 9 5 5 中作 了规定 ， 但没有对地线 芯作 规定 ， 故在制 定 的企 业 标 准 中 ， 按 习惯 规 定 为 黑 色 。 5 2 成 缆设计 3 5 mm 及 以 下 ， 两 芯 、 三 芯 或 四 芯 绝 缘 线 芯 绞 合 成 缆 时 ， 地 线 芯 和 填 充 材 料 一 起 绞 人 ， 地线 位 于 导 电线 芯 的边 隙 ， 主 线 芯 和 地 线 芯 均 为 圆形 。 如 柏 _昌 m 0 m 踮 一 踮 卸 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 1 9 9 g年 第 3期 No 3 1 9 99 0 一 7 电线电缆 f I 1 9 9 9 年6 月 E l e c t r i c Wi r e Ca b l e ， J u n ， 1 9 9 9 5 0 mr l l 及 以 上 规 格 成 缆 时 ， 地 线 导 体 应 位于瓦形绝缘导体 的中央 ， 主线芯采用 瓦形 ， 地 线 芯 为 圆形 。 缆 芯 及 内 衬 层 及 填 充 物 应 符 合 GB1 2 7 0 6 1 9 1的规 定 。 5 3护 层 设 计 护 套 应 用 P VC S 型 材 料 ， 其 标 称 厚 度 ， 性 能 应 符 合 GB1 2 7 0 6 1 9 1规 定 。 5 4电缆命名- - 按 照 国 际 惯 例 ， 用 代 表 “ 地 线 ” “ 接 地 ” 之 英 文 Gr o u n d的字首“ G” 作 为带 有地线 的代 号 ， 加 于 原 型 号 之 前 ， 即 “ GYJ V” 代 表 带 有 地 线 的 铜 芯 交 联 聚 乙烯 绝 缘 聚 氯 乙烯 护 套 电力 电 缆 。 例 如 ： GYJ V一 0 6 1 k V， 3 1 8 5 + 3 5 G 表示 导 电 截 面 为 1 8 5 l l l r l l ， 三 芯 ， 地 线 截 面为 3 5 l l l m! ， 绝 缘 材 料 为 交联 聚 乙烯 。 6结束 语 基 于 对 带 有 地 线 的 电 力 电 缆 的 结 构 研 究 ， 编 制 了 带 有 地 线 的 电 力 电 缆 的 企 业 标 准 和 工 艺 文 件 ， 试 制 出 了几 个 有 代 表 性 的 产 品 实 践证 明 本 设 计 方 案 是 可 行 的 ， 是 先 进 的 参考文献 L 1 j t j L 1 Z 7 7 E l e c t i c a i P o we r a n d Co n t r o i Tr a y Ca bl e s Nov e r r tb e r 51 99 3 L 2 美 国 S o u t h wi r e Co 6 0 0 Vo l t T y p e Tc P o we r Ca bi e W i t h Gr o ua d Co p y r i g ht l 9 9 2 3l GB 1 2 7 0 8 9 1 额定 电压 3 5 k V 厦 以下 铜芯 铝芯 塑料 绝缘 电力 电境 j 电 磊 用 热熔胶 一 x 陕西省 石油化X - 研 究设计院特 别推 出电缆用热熔肢 Il K 一 1 型热熔胶 ： 主要 讯 电缆、 C AT V 电缆铝护套与塑料护骞妁牯接、 密封， 起着防 露 气、 防潮气浸入、 防腐蚀 的作 用， 是取代 沥青 的新一代 密封材料 。 有着熔融粘度小 ， 粘接 力强 易喷淋溶敷 妁特 点。 IlK一 2型热熔胶 ： 主要用 于热缩材料妁潦敷； 皇 塑市话 电缆的 密封、 粘接等 。符合 邮电部质 量指标 。 下 ： 一 _ I 日H K- i H K一 2H K 4 、 化 点 环 球 涪 。 。 。 。 。 熔 融 粘 度 1 5 0 mP 3 0 0 0 5 0 0 0 3 0 0 0 6 0 0 0 我院还可进行粘接剂系剜产品委托开发与生产 欢 迎 选 购 地 址 t 西 安 市 西 影 路 4 5号 单位 t 陕西省石油化工研究设计 院 帐 号 2 3 0 8 8 2 0 5 7 - 9 0 开 户 行 t 工 行雁 塔 路 分 理 处 欢 迎 垂 询 传真 # 0 2 9 5 5 1 2 7 1 4邮编 ： 7 1 0 0 5 4 联系人 ： 冯建 勋 党 改兰左 小平 电 话 ： 0 2 9 5 5 2 4 3 2 1转 2 0 6 6或 2 0 6 7 传 呼 0 2 9 9 9 8呼 8 5 9 0 3 7 27 - 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