新型五芯电力电缆的研制.pdf

2 0 0 7年第 3 期 No． 3 2 O O 7 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e& Ca b l e 2 0 0 7年 6月 J u n ． ， 2 0 0 7 新型五芯 电力 电缆的研制 陈善求， 周国新 ( 长沙金龙 电缆有 限公 司 ， 湖南长 沙 4 1 0 0 0 3 ) 摘要 ： 介 绍了非标 准截面五芯电力电缆采用一种新型的类梯 形导体结构 ， 阐述 了相 对于常规 瓦形结构的优点 ， 并建立 了该型五芯 电缆导体结构设计的数 学模型及求解 方法 ， 以及如何设计 导体 紧压压轮 。 关键词 ： 五芯 电力 电缆 ； 类梯形导体 ； MA T H C A D软件 ； C A X A软件 ； 压轮设计 中图分 类号： T M 2 4 7 ． 1 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 6 7 2 ． 6 9 0 1 ( 2 0 0 7 ) 0 3 ． 0 O 0 4 ． 0 4 De s i g n o f a Ne w Ty p e o f5 - Co r e P owe r Cab l e s CHEN S h a n — q i u。e t a l ( C h a n g s h a — J i n l o n g C a b l e C o． ， L t d． ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th i s p a p e r p res e ms a 5 一 c o r e c abl e o f n o n - s t a n d a r d s i z e wi t h a n e w t y p e o f t r a pe z o i d a l c o n d u c t o r s and the a d v an t a g e s o f the n e w c abl e o v e r the t r a d i tio n a l c abl e wi th fi l e — s h a pe d c o n du c t o rs ．Th e a U thO rs e s t a b l i s h e d a ma the ma t i c M mo d e l f o r the c o n d u c t o r d e s i g n a n d g a v e a s o l u t i o n t o the mo d e l an d the me tho d t o d e s i g n the p r es s mi l e r for c o mp a c t i n g c o n d u c t o rs． Ke y wor d s：5 - c o r e p o we r c a b l e；tra p e z o i d a l c o n du c t o r ；s o ftwa r e MATHCAD；sof t w~e C AXA；p r e s s r o l l e r d e s i gn 0 引 言 随着市场经济的快速发展和 日益成熟 ， 客户的 需求也越来越趋于多样化和个性化。在这样的市场 环境 中我们只有不断地推出新 品、 精 品以及为客户 “ 量身定做” 的专用产品 ， 并加强与客户交流和沟通 ， 才能满足客户的需求。最近我公司接到一客户订单 需要一 批 型 号 规 格 为 V L V 42 4 0+12 5 m m 2～ v L v 4 7 0+12 5 m m 等 六 种 规 格 的 五 芯 非 标 准 截面的铝芯 电力缆 ， 保 护线芯导体截面不是 采用符 合 G B ／ T S 0 2 1 7 — 1 9 9 4 ~ 电力工程电缆设计规范》 标准 中 表 3 ． 7 ． 1 0所规定的要求， 即采用与主线芯等截面或 主线芯 1 ／ 2的截面 ； 而是 采用非标 准的异 常偏 小截 面 ， 只有 2 5 m m 2 。对于此类结构 的电缆若采用常规 的瓦形设计 ， 由于保护线芯截面比较小 ， 不仅瓦形内 圆弧面很难显现出来 ， 而且每种规格均要做一套瓦 形模具 ， 这样既增加了导体紧压模具的制作费用 ， 又 延长产 品的制造周期 。针对这种情况我们大胆地采 用了非常规设计， 将 主 、 中线芯紧压采用类 梯形结 构 ， 即内圆弧是平的， 并通过建立新 的数学模型， 采 用 MA T H C A D软件计算 和 C A X A软件 作 图模拟 ， 这 收稿 日期 ： 2 0 0 6 ． 1 1 ． 2 0 作 者简介 ： 陈善求 ( 1 9 6 9 一) ， 男 ， 湖南 双峰人 ， 工程 师 ， 副 总工程师 ． 作者 地 址 ： 湖 南 长 沙 市 开 福 区 洪 山 旅 游 区 马 栏 山 [ 4 1 0 0 0 3 ] ． 样所确定 的上述六种规格电缆只需设计制作一付上 压轮 ， 而下压轮分别采用与主线芯规格相 同的 四芯 电缆的扇形( 9 0 。 ) 的下压轮 ， 即可满足设计要求 ， 经 实际生产验证 ， 缆芯结构尺寸在设计控制范围内， 缆 芯 外 形 圆整 ， 达 到 了预期 目的 。 1 数学模型 的建立 我们采用 C A X A软件作出五芯类梯形导体 电缆 结构 图， 如 图 1 所示 ， 并将 电缆结构局部放大 ， 如 图 2 所示 ， 根据图 2建立如下数学模型。 图 1 类梯形导体五芯电力 电缆 的结构 l 一 主线 芯导体 2 ． 主线芯绝缘 3 一 缆芯填充 4 ． 中性线芯导体和绝缘 5 一 保 护线芯导体和绝缘 6 ． 成缆包带 7 一 外 护套 ( 1 ) 类梯形导体轮廓截面的计算 ： s = ( 1 ) 式 中， ．s为类梯形导体轮廓截面( m lT l2 ) ； S 。 为类梯形 导体实际截面 ( n u n ) ； K。 为导体延伸系数 ； K 为导 体填充系数。 ( 2 ) 类梯形导体轮廓截面与其它未知参数 的关 系 ： 维普资讯 2 0 0 7年第 3期 No． 3 2 o 07 电 线 电 缆 El e e t r i e Wi r e＆ Ca b I e 2 0 0 7年 6月 J u n ． ， 2 0 0 7 图 2缆 局 鄙 放 大 图 S S 扇 。 B E一2 S ~ , o B c 。一2 S ／ ,, ID I~ c一2 ( S 四 边 形 J c K 。 。 一 St A o 1 J K)一2 ( S 边 形 H 一S t A O ~ nL) ( 2 ) s扇0 B E ： 7 r R2 ： 尺 ( 3 ) ( O B + C D)B C J)梯O B C D ——————— —————一 ： 上 业( 4 ) c ( O F —O D)( O F — O D)t g u △ D F G-- ， ( R 0+t—tc t g ) t g p 2 S 边形J c K o ． = Ol J J G = Rl Rl t g J Ol G ( 5 ) 7 r 一 。一( 一 。 ) =R t g ( 兰——— ———一 ) ( 6 ) R J Ol K 扇o 1 J K — — 一 ( 7 r— 。 一( — - ) ) 2 S 边形H C L O 2 =O2 H HC = R2 R2 t g HO2 C = R t g ( 7 r 一 ) + 2 ( 7 ) ( 8 ) 詈+ 2 S ~ t ％ H L： ： ( 9 ) —— 一 ——— —一 Rl= Kl l R ( 1 0 ) R 2= K 2 2 R ( 1 1 ) 综合式( 2 ) ～式( 1 1 ) 可得 ： S = R 一( R + R —te t g p )t一 ( R 0+ t—te t g ~) t g 一 2 [ c 兰 二 ， 一 】 一 — — — — — — — 一 J 一 2 [ ， 一 一 (12) 以上 各式 中 ： 一 类梯形导体 圆弧中心半角( 对于 4大 1 小结 构 口为 r d 4 ) ； 尺 一类梯形导体 圆弧外半径( m m) ； ￡ 一 主线芯绝缘厚度( Ⅱ u n ) ； 尺 。 一保护绝缘线芯半径 ( m m) ， R 。为 2 5 m I I l 2的 绝缘线芯外径一半 ， 取 4． 2( m m) ； 尺． 一类梯形导体 内圆弧角半径( Ⅱ u n ) ； ， 一类梯形导体外圆弧角半径( m m) ； 。一类梯形导体半 中心角与内圆弧半中心角之 差( 弧度 ) ； 一 类梯形导体半 中心角与外圆弧半 中心角之 差( 弧度 ) ； K 一类 梯形 导体 内圆弧半径 系数 ， ( K 取 为 0 ． 1 5 ) ； 一 类 梯形导 体 外 圆弧半径 系数 ， ( K 2 取 为 0． 1 0 ) 。 又 有 ： s i n 等 ( 13 ， C O S ( 一 1 ) s i n ( 1 4 ) 由式 ( 1 2 ) 、 式 ( 1 3 ) 和式 ( 1 4 ) 三 个 方 程 组 成 的方 程 组 采用 MA T H C A D数学软件 即可解得 R、 。 、 三个未 知数 ， 并 由此可得类梯 形导体 的紧压高度 ( H) 和内 底边宽度( ) 为 ： H ： R —R 。一 t ( 1 5 ) =2 ( R —H 一— ) ( 1 6 ) s l np 计算实例见表 1 ， 已有 的四芯等截面扇形导体 的结构参数见表 2 。 2 类梯 形导体紧压轮 的设计 图 3为类梯形导体紧压轮组合的剖视图。从 图 3可知， 决定异形紧压导体 ( 扇形 、 瓦形 以及本文的 类梯形 ) 下压轮的尺寸只有两个指标 ： 一是外圆弧的 5 维普资讯 2 0 0 7年第 3 期 No． 3 2 0 o 7 电 线 电 缆 El e e t r i e W i r e＆ Ca b l e 2 0 0 7年 6月 J u n． ， 2 0 0 7 半径 R； 二是下压轮宽度。从表 1和表 2可以看出： V V 4 2 4 0 +1 X 2 5 m m 与 V v 4 2 4 0 m 珊 的外圆半 径相差 仅 为 0 ． 4 m m， 外 圆弧 宽 度 相差 只有 0 ． 2 m m。 弧宽度最大相差 1 ． 2 m m， 均在可 以接受范围内。通 过上述分析可知 ： 可 以推 断出 4大 1 小的五芯电缆 ( 针对本文的数种规格) 采用相同主线芯规格 的 4芯 同样其它规格的外圆弧半径最大相差 0 ． 8 m m， 外圆 等截面电缆的扇形下压轮是完全可行的。 表 1 类梯形 导体 结构参数的计算 已知量 求解量 电缆 主线 绝缘 导体延 导体填 类梯形内 类梯形 类梯形 R 卢 l 底边宽度 外圆弧 导体 紧 规格 芯导体 厚度 t 伸系数 充系数 ／ m m H a d ／ t a d 宽度 压高 度 结构0 ， m m K ， K ． ／ mm ／ mm ／ mm 4 X 2 4 0+ l X 2 5 48 ／ 2． 5 6 2． 2 1． 0 4 0． 8 4 2 2． 2 0． 5 7 8 0． 2 2 8 7 ． O 2 5． 2 1 5． 4 4 X l 8 5+ l X 2 5 3 7 ／ 2． 5 6 2． O 1 ． 0 4 0． 8 4 1 9． 9 O． 5 4 2 0． 2 3 0 7． 1 2 3． 2 l 3． 2 4 X 1 5 0-I- l X 2 5 3 0 ／ 2 ． 5 6 1 ． 8 1 ． 0 4 0． 8 4 l 8． 1 O． 5 l 2 0． 2 2 8 7． 3 2 1 ． 3 l 1 ． 9 4 X 1 2 0-I- l X 2 5 2 4 ／ 2． 5 6 1 ． 6 1 ． 0 4 0． 8 4 l 6． 3 0． 4 7 7 0． 2 2 7 7． 4 l 8． 9 1 0． 2 4 X 9 5+l X 2 5 1 9 ／ 2． 5 6 1 ． 6 1 ． 0 4 0． 8 4 1 4． 9 0． 4 6 O 0． 2 3 9 7． 5 l 7． O 8． 8 4 X 7 0-I- l X 2 5 1 4 ／ 2． 5 6 1 ． 4 1 ． 0 4 0． 8 4 l 3． O 0． 4 2 2 O． 2 4 2 7． 6 1 4． 7 7． 1 ①主线芯导体结 构 ： 导线根数／ 单线直径 ( m i l 1 ) ， 例如 4 8根导线 ， 单线直径为 2 ． 5 6 m i l l ， 则表示为 4 8 ／ 2 ． 5 6 ， 以此类推 ， 下表相同。 表 2 四芯等截面扇形导体 的结构 参数 电缆 主线芯 导 绝缘厚 导体延伸 导体填充 扇形外 圆 扇形外 圆 扇形导体 紧 规格 体结构 度 t ／ m a n 系数／ K ． 系数／ K 2 弧半 径 R／ mm ／ r a d 弧宽度／ m a n 压高 度／ m a n 4 X 2 4 0 4 8 ／ 2． 5 6 2． 2 1 ． 0 4 0． 8 4 21 ． 8 O． 2 3 l 2 4． 9 l 7． 1 4 X 1 8 5 3 7 ／ 2． 5 6 2． O 1 ． 0 4 0． 8 4 1 9． 3 0． 2 3 4 2 2． 4 1 5． 1 4 X 1 5 0 3 0 ／ 2． 5 6 1． 8 1 ． 0 4 0． 8 4 l 7． 4 0． 2 3 4 1 9． 9 l 3． 7 4 l 2 0 2 4 ， 2。 5 6 1． 6 1 。 0 4 0． 8 4 l 5． 5 0． 2 3 4 l 7。 7 l 2． 2 4 X 9 5 1 9 ／ 2． 5 6 1． 6 1 ． 0 4 0． 8 4 1 4． 2 0． 2 4 6 l 6． 3 1 0． 9 4 X 7 0 1 4 ／ 2． 5 6 1 ． 4 1． 0 4 0 ． 8 4 l 2． 2 O． 2 4 9 l 3 ． 5 9． 2 H 图 3 压轮 组合 部分 刮 视 图 同样 从 图 3可知类 梯形 上压 轮 尺寸 由三 个参 数 决 定 ： 一 是 压 轮 角 度 ( 2 ) ； 二 是 压 轮 上 底 边 宽 度 ( A ) ； 三是 上压 轮开 口宽度 ( A ) 。从 表 1中可 以看 出： 所有 规格类 梯 形 紧压导体 的 圆弧 中心角 均是 9 O 。 。上压 轮上 底 边 宽 度 ( A ) 的 变 化 范 围 从 7 ． 0～ 7 ． 6 m m， 范围比较窄 ， 取其中值 7 ． 3 m m， 即可满足所 有导体紧压对于上底边宽度 ( A ) 的要求。至 于上 压轮开 口宽度 ( A： ) 可以取 一 固定值。因此通过 上 述分析可知 ， 所有规格 的类梯形 紧压导体完全 可以 共用一付上压轮 。 2． 1 上 压 轮尺 寸 的设计 ( 1 ) 上 压轮 底 边 ( A ) 宽 度 ： 通过 计 算 V L V 47 0 +1 2 5 m m ～V L V 42 4 0+1 2 5 m m 六 种 规 格 ( 主线 芯分 别 为 ： 7 0 m m 、 9 5 m m 、 1 2 0 m m 、 1 5 0 m m 、 1 8 5 m m 、 2 4 0 m m ) 类 梯 形 的 底 边 宽 度 为 7 ． 0～7 ． 6 m m， 因此取 中值 7 ． 3 m m， 即可满足所有所 有六 种规 格的上压宽度 可求 ， 即 ： A =7 ． 3 m m。 ( 2 ) 上 压 轮开 口宽度 ( A： ) ： 我 们取 定 值为 ： 3 8 m m o ( 3 ) 上压轮 中心角( 2 ) ： 本文计算的为 4大 1 小 五芯电缆 ， 因此取 2 为 9 0 。 。 ( 下转 第 9页 ) 维普资讯 2 0 0 7 年 第 3 期 No． 3 2 0 07 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e＆ Ca b l e 2 0 0 7年 6 月 J u n． ， 2 0 0 7 没有一个熔断器或断路器 断开 ； 导 体不断—— 即灯 泡一 个也 不熄 灭 。 5 ． 3耐火 电缆试 验 原理 试验原理也就是 在试样两端施加恒定 的电压 ， 随着燃烧温度和时 间的增长 ， 耐火电缆的耐火 层最 终会被烧损 ， 只要在规定的时间内电路不被破坏， 试 验灯泡保持亮， 导体不 断 ， 则判为合格 。反之， 在规 定时间内电缆烧坏 时 ， 变压器与电缆试样之间形成 短路 ， 电流不通过灯泡 ， 灯 泡熄灭 ， 同时瞬间电流激 增 ， 超过熔断器 的熔断 电流 ， 此时熔 断器烧断 ， 电路 被破坏 ， 则判为不合格 。 6耐火 电缆的 国家标 准及其它相关标 准 6 ． 1 耐火 电缆 的 国家标 准 G B ／ T 1 9 6 6 6 — 2 0 0 5 《 阻燃 和耐火 电线 电缆通则 》 是我国第一个关 于耐火电缆 的国家推荐性标准 ， 标 准中对耐火电缆 的耐火特性做 了要求 ， 并提出导体 截面 2 5 m I I l 2及 以上耐 火 电缆 的绝 缘层 可 以减 薄 2 0 ％， 并允许在耐火层上设 置增强层 ， 成品应能通过 耐火试验 G B ／ T 1 9 2 1 6的要求。同样标准 中也 只规 定耐火试验温度为 7 5 0～8 0 0。 C， 没有提及耐火 A类 的要求。 从燃 烧特性 代 号 可 以看 出 ， 阻燃 、 耐火 系列 分 为 有卤和无 卤， 有 卤分为阻燃 A、 B 、 c 、 D四类 ( 成 束燃 烧 ) ， 无 卤分为阻燃 A、 B 、 c、 D四类( 成束燃烧) 。 对于无卤低烟耐火 电缆还要满足无 卤低烟性能 要求 ， 即无卤性能为 ： p H加权值 ≥4 ． 3 ， 电导率加权 值≤1 0／ ~ S ／ m m( 按照 G B ／ T 1 7 6 5 0 ． 2进行试验 ) ； 烟密 度性能为： 最小透 光率 ≥6 0 ％( 按照 G B ／ T 1 7 6 5 1 ． 2 进 行试 验 ， 试 样外 径 在 7 0 m m及 以上 不 适用 ) 。 6 ． 2公 安部 制定 的 耐火 电缆标 准 公 安部 在 2 0 0 1 年 颁 布 了强 制 性 标 准 G A 3 0 6— 2 0 0 1 (( 阻燃及耐火电缆 ： 塑料绝缘 阻燃及耐火 电缆分 级和要求》 ， 把耐火电缆分为 四个等级 ( 耐火一级到 耐火四级) ， 每个等级又分 A、 B两类 ， A类耐火温度 在 9 5 0～1 0 0 0。 C ， B类耐火温度在 7 5 0～8 0 0。 C 。耐 火 四级为普通型的耐火电缆 ， 对于耐火四级 A类没 有具体的试验标准， 还是参 照 G B 1 2 6 6 6． 6的试验方 法 进行试 验 ， 对于 耐火 四级 B类 要 通 过 G B ／ T 1 9 2 1 6 — 2 0 0 3规 定 的试 验 ； 对 于 耐火 一 、 二 、 三 级 还 应 通 过 相应的烟密度 和烟气毒性试验 。对于电缆材料的选 用 ， 耐 火 一、 二、 三 级 的绝 缘 应 采 用 交 联 聚 乙烯 ( X L P E ) 或无 卤聚烯烃绝缘料 ， 耐火 一、 二级 电缆外 护套一般选用无 卤低 毒阻燃 聚烯烃材料 ， 耐火三级 电缆外护套选用低 卤低毒阻燃聚烯烃材料 。 7 结束语 随着社会 的发展和经济建设 的加快 ， 耐火 电缆 的使用量将有所提高 ， 而竞争也会越来越激烈 ， 要想 在竞争中胜 出， 必须抓好产 品质量 。为 了做出合格 的产品， 工艺技术要完善 ， 人 员素质要 提高 ， 只有把 二者有力的结合起来 ， 产品才能更上一层楼 。 参 考文 献 ： [ 1 ] G B ／ T 1 9 2 1 6 — 2 0 0 3 ， 在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性 试验 第 1 1 部分和第 2 1 部 分[ S ] ． [ 2 ] G B ／ T 1 9 6 6 6 - 2 0 0 5 ， 阻燃和耐火电线 电缆通则[ S ] ． [ 3 ] 刘群 ， 等 ．耐火电力电缆结 构设 计及生 产工艺 的探 讨 [ J ] ． 电 线 电缆 ， 2 0 0 1 ， ( 5 ) ： 2 4 — 2 5 ． [ 4 ] 徐应 麟 ． 耐火电缆的现状及问题 [ J ] ． 电线 电缆 ， 1 9 9 8 ， ( 4 ) ： 2 - 1 1 ． [ 5 ] 张初阳． 耐火 电缆 的等 级 和特 性 及 选用 原 则 [ J ] ． 电线 电缆 ， 2 0 0 3 ， ( 1 ) ： 3 - 5 ． [ 6 ] G A 3 0 6 - 2 0 0 1 ， 阻燃及 耐火 电缆 ： 塑料 绝缘阻燃 及耐火 电缆分 级 和要求 [ S ] ． [ 7 ] 唐崇健 ．阻燃 、 耐火 电缆类别 与性 能[ J ] ． 电线 电缆 ， 1 9 9 8 ， ( 2 ) ： 】 9 — 2 3． ( 上 接 第 6页 J 2 ． 2 下压 轮 尺寸 的设 计 下 压轮 尺寸 采用 相 同主线 芯 规格 的 4芯 等截 面 电缆的扇形下压轮 ： ( 1 ) 上下压轮的间隙( ) ： 一般取 0 ． 5～0 ． 8 m m。 ( 2 ) 下压轮宽度( P ． ) ： P ．= 2 R X s i n e一2 3 ( 1 7 ) ( 3 ) 下压轮弓高( H． ) ： 厂———— 一 日 。 =R一 √R 一 ( ) ( 1 8 ) 3 结束语 市场经济在某种意义讲就是买方经济 ， 客户需 求不断趋 向多样化 ， 许多非标产品的订单 日益增多 ， 且要 求 的生产 周 期 又 极 其 有 限 ， 要 在 较 短 的时 间 内 生产出满足客户要求 的产品是行业内大多数企业面 临的课题。本文从技术角度就快速应变市场变化并 满足客户要求方面作一些技术探索 ， 供同行参考。 参考文献 1 [ 1 ] G B ／ T S 0 2 1 7 — 9 4 ， 电力工程电缆设计规范 [ s ] ． [ 2 ] 王春江 主编 ． 电线 电缆手册 ( 第 一册 ) [ M] ． 机 械工业 出版 社， 2 0 0 1 ． O 维普资讯