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电缆专业电力电缆结构设计原理课程设计电力电缆结构设计原理课程设计（电缆型号：YJQ03 127/220 11600)班 级： XXXX 姓 名： XXXX 学 号： XXXXXX2012年6月 29日一、 导线线芯与电缆结构的选择I.选择导电线芯结构，绝缘层结构及护套结构1. 导线线芯采用铜单线紧压绞合圆形线芯结构。1.1导电线芯材料的选择从技术上说，要求线芯材料电导率高和加工性能好。线芯的作用是传输电流，高电导系数可以减少线芯损耗。加工性能好便于线芯拉制和绞合加工。本电缆采用GB/T3953中的TR型圆铜线。1.2 导线线芯结构的选择从填充系数和稳定性考虑，中心为一根导线的规则绞合结构最佳，绞合后应予以紧压，使结构紧凑，线芯表面光滑，减少多导丝效应。本电缆采用一次紧压。2. 绝缘结构的选择2.1导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽标称截面大于500mm2的电缆导体屏蔽应由半导电包带和挤爆半导电层组成，大于8002的电缆导体用分割导体，分割47扇；绝缘料为交联聚乙烯，代号XLPE，要求做到“超净”，严防杂质和水分侵入；绝缘屏蔽层应为挤包半导电层。半导体材料为可交联型的，有聚乙烯和炭黑组成。2.2金属套：铅套应采用符合JB5268.2规定的铅合金。铅套厚度应符合GB/Z18890.1-2002中10.7.1要求。当不能满足用户的短路电容量的要求时，应采取增加金属套厚度或在金属套下增加疏绕铜丝（在疏绕铜丝外用反向绕包的铜丝或铜带扎紧）等措施，本设计中采用后者。2.3外护套：在金属套表面应有电缆沥青（或热熔胶）防腐涂层。采用聚氯乙烯（PVC）材料做外披层，为了对外披层测试方便，表面应有石墨导电涂层。II、结构示意图及其优缺点铜屏蔽优点：结构稳定，填充系数高，紧压后外径缩小，线芯表面光滑；金属套损耗较小；传输容量高；在允许过滤倍数情况下可持续工作时间长。缺点：体积较大，成本高；弯曲困难，生产和敷设难度较大。III.拟定电缆各部分的预先尺寸1. 线芯尺寸根据设计题目的要求与有关材料,对线芯结构做如下选择: 取单线根数:217 绞合层n:9标称截面积为1600mm2 设单线直径为d；由得: = = 3.1取压紧系数为：90% （紧压系数范围85%91%）线芯直径Dc 为：Dc =（2n-1）d90%=46.9紧压圆形线芯的结构及外径截面积/2一次紧压线芯中心层/根第一层/根第二层/根第三层/根第四层/根第五层/根160013.163.1123.1183.1243.1303.1第六层/根第七层/根第八层/根第九层/根外径/外径缩小到/%363.1423.1483.146.9902. 导体屏蔽层： （国标） 半导电包带厚度1 ：0.5， 挤包半导电层厚度2：1.5， 导体屏蔽层外径Dc ：Dc =Dc +2(1+2）=46.9+2（1.5+0.5)=50.93. 绝缘层： （国标） 厚度i ：26， 外径Di ：Di =Dc +2i =50.9+226=102.94. 绝缘屏蔽层： （国标） 厚度3：1 外径Dj ：Dj =Di +23=102.9+21=104.95. 铜屏蔽： （国标） 厚度s1：0.3, 外径Ds1 ：Ds1=Dj +2s1 =104.9+20.3=105.56. 铅套： （国标） 厚度s2 ：3.3， 外径Ds2 ：Ds2=Ds1+2s2=105.5+23.3=112.17. 外护层： （国标） 厚度s ：5.0， 外径Da ：Da=Ds2+2s=112.3+25=122.1二、 电缆的电性计算： 1.选择绝缘水平工频和脉冲击穿强度。根据设计题目要求和相关标准,绝缘水平 UBIL=6U0+40KV （书47）,再按电压等级取标准，式中：U0-工作相电压，U0 =127KV；UBIL=802KV，取标准为：UBIL=1050KV (国标GB18890.3-2002)。工频击穿强度：Eav=20kv/ (书75);脉冲击穿强度：Eav=63kv/ (书74)； 2. 核取代绝缘厚度： 2.1工频： 式中：U0 -工作相电压，U0 =127 KV;K3-工频电老化系数，XLPE寿命指数n=9时，K3取4.Eav-平均工频击穿场强，Eav=20kv/;得 ：1= 1274/20=25.4。 2.2 脉冲： 式中：UBIL-脉冲试验电压，UBIL=1050kv； K1-脉冲电压老化系数，可取1.2； K2-绝缘层温度系数，可取1.3； Eav-平均脉冲击穿强度，Eav=63kv/; 得：=10501.21.3/63=26. 绝缘层厚度应取两者中较大值，但两者均小于等于国标绝缘 厚度，故绝缘厚度仍按国标取值i=26。3. 计算电缆的绝缘利用系数： 式中：rc-线芯半径（包括内半导电层厚度）rc=Dc/2+（1+2）=25.45； R-绝缘半径 R=Dc/2=102.9/2=51.45; 带入数据得：=68.9%4. 沿电缆绝缘径向的电场分布： E=U0 /（r ） 式中：U0-工作相电压； r-绝缘中任意一点到电缆中心的距离。 由上式可知：电场分布和r成反比，最大场强Emax 位于线芯表面： 代入数据得： Emax=7kv/最小场强：=3.5 KV/ 代入数据得：Emin=3.5kv/5. 确定电缆最终各部分尺寸： 电缆最终各部分尺寸仍按预定尺寸，如下： 结构线芯导体屏蔽层绝缘层绝缘屏蔽层铜屏蔽铅套外护层厚度符号1、 2i3s1s2s5尺寸/0.5、1.52610.33.35.0外径符号DcDcD1D1Ds1Ds2Da尺寸/46.950.9102.9104.9105.5112.1122.16. 电气参数计算：6.1导电线芯电阻：最高工作温度下，单位长度导电线芯直流电阻: R=R(1+ys+yp) ；式中： R最高工作温度下，单位长度导电线芯直流电阻，单位/m； yS集肤效应因数； yP邻近效应因数；R=1+(20)k1k2k3k4k5 =【1+0.00393（9020)1.0121.0221=1.45810-5 /m;A线芯截面积，A=（zd）/4线芯在20时的电阻率；电缆最高工作温度；k1单根导线加工过程中引起的金属电阻率增加所引入的系数；k2多根导线绞合使单线长度增加所以如的系数；k3紧压使导线发硬引起电阻率增加所以入的系数；k4成缆绞合使线长度增加所引入的系数；k5考虑导线允许公差所引入的系数；20、k1、k2、k3、k4、k5、R值见下表：20 k1k2k3k4k5R0.01724110-60.00393901.021.021.0111.011.45810-5 ys =0.0692 =0.0057=85010-70.435/1.45810-5=3.749=85010-70.37/1.45810-5=3.189式中： s线芯中心轴间距离，可取220；DC 线芯外径； f电源频率；代入数值得： R=1.56710-5/m；6.2 绝缘电阻： = =1.111014(/m) 式中：绝缘电阻系数，可取1015/m G几何因数，取0.7 代入数值得：Ri=1.111014/m6.3.电缆电容 10-12 = =1.9910-10(F/m) 式中： 绝缘的相对介电常数，取2.5； G几何因数，取0.7； 代入数值得：C=1.9910-10 F/m6.4.电缆电感 电缆采用三相水平直线敷设方式，正规换位，故电感取三相平均值，由 ： L=Li2（）10-7 (H/m) 式中：Li-电缆的内感，取0.510-7；s同上. 代入数值得：L=4.0510-7 (H/m)6.5.正负序阻抗 根据有关资料，标准查得： Z1=Z2=RC+jX=(0.0157+j0.6) /km6.6.零序阻抗 根据有关资料，标准零序阻抗为正负序阻抗的倍数取3.5，故有： Z0=3.5Z1=(0.055+j2.1)(/km)三 热性计算： 1.在地下敷设条件下的各部分热阻及载流量参数1.1.份额部分热阻的计算： 绝缘层热阻 式中：T1绝缘材料的热阻系数，取3.5； G几何因数，取0.7； 代入数值得：T1=0.39 (T) (2)外披层热阻： 式中：T3-外披层热阻系数，取3.5; 代入数值得：T3=0.0475 ,土地热阻式中：T4土地热阻系数，取1.0； L电缆敷设深度，取1m； De122.1； 代入数值得：T4=0.83（T)1.2 有关载流量的计算； 1.2.1 介质损耗的计算： Wi=U02Ctg 式中 U0相电压； 电源角频率；tg绝缘材料的损耗角正切值； 代入数值得：Wi=1270022501.9910-100.008=8.07w/m。 1.2.2 金属护套损耗因数的计算： 金属护套采取单点接地，电缆等距平行敷设，正规换位。 =0 =;式中：A1=3.0； A2=0.417；s=220；=314； R单位长度电缆导电线芯电阻，取值1.56710-5Ds金属护套平均直径； =109（mm）式中：Ds1 、Ds2分别为铜屏蔽、铅套的平均直径；RS单位长度金属护套的电阻；=1.3710-4/m式中：RS1、RS2分别为铜屏蔽、铅套的电阻；AS2=DS2式中Cu、Pb 分别为铜屏蔽、铅套在20c时的电阻系数0.01724110-6、0.21410-6分别为铜屏蔽、铅套的温度系数0.00393、0.0040；As1、As2分别为铜屏蔽、铅套得截面积;其中As1=952 ，代入数值得：=0.083 金属护套损耗因数 1=+=0.083;2. 求取长期工作下的载流量： =1638 A式中：c、a分别为导体最高工作温度、周围媒质温度 R-导电线芯电阻； Wi、T1、T3、T4、1如前所述；3.求取达到电缆线芯允许温度条件下1.5倍过载时的最大工作时间t： 单芯电缆地下敷设时，为准确计算其暂态响应，根据惠思门法，将电缆和周围媒质分成六个区域计算，具体划分为：电缆本体分为两个区:区域组成部分热阻T热容Q导体、部分绝缘层0.1959.815103另一部分绝缘层、金属屏蔽层、护层0.2438.6651033.1.电缆各部分热阻、热容的计算： 电缆各部分软热阻T1如前面所得，热容Q为热容系数q与体积之积，即：Q=qV;计算电缆各部分热容为：结构热容系数q（J/m3）体积V10-6(m3）热容Q（J/）线芯3.510-66.046103绝缘层1.21067.538103金属护层铜屏蔽3.5106261铅套1.51061692外披层1.61062.9431033.2、土地各区热阻、热容的计算： 土地分为四个区，四个区截面积之比为1:4:16:64。令第一区域面积为A，各区域直径分别为D1、D2、D3、D4，电缆敷设深度为1m。 D4=4L=4000mm =（40002-122.12）/340=147701 2 =451 =978 =1991土地各区热熔分别为：=0.312 ； =0.185 = =0.170 ；=0.167土地各区热熔分别为： =2.40106/4(4512-122.12)10-6 =3.55103J/式中：为土地热容系数 电缆外径 3.3. 分区后各区时间常数的计算各区时间常数为：区域第一区第二区第三区第四区第五区第六区热阻符号TiTT41T42T43T44数值0.1950.2430.3120.1850.1700.167热容符号QiQQ1Q2Q3Q4数值9.815x1038.665x1033.55x1051.42x1065.68x1062.27x107时间常数符号123456数值1.91x1032.11x1031.11x1042.6x1059.66x1053.79x1063.4 1.5倍过载时最大工作时间t的计算： 由： 式中：T各部分热阻Ti分区后各区热阻 N过载倍数 ri 各区的时间常数代入数据得：t= 结论：本电缆在达到电缆线芯允许温度条件下1.5倍过载时的最大工作时间为 秒。四技术规范和主要实验项目： 1、技术规范 1.1.导体表面应光洁、无油污、无损伤屏蔽及绝缘的毛刺、锐边以及凸起或断裂的单线。 1.2.绝缘层及内屏蔽层的交联聚乙烯的交联度应不小于80%。绝缘最小测量厚度应不小于标称厚度的90%；偏心度应不大于8%。 1.3.导体屏蔽由半导电包带和挤包半导电层组成，其厚度近似值为2.0mm，挤包半导电层应均匀的包覆在半导电包带外，并牢固地粘在绝缘上。在与绝缘层的交界面上应光滑，无明显绞线凸起、尖角、颗粒、烧焦或擦伤痕迹。 1.4.绝缘屏蔽为挤包半导电层，其厚度近似值为1.0mm，绝缘屏蔽应与导体挤包半导电屏蔽层和绝缘层一起三层共挤。绝缘屏蔽应均匀地包覆在绝缘表面，并牢固地粘在绝缘上。在绝缘屏蔽的表面以及与绝缘层的交界面上应光滑，无明显绞线凸起、尖角、颗粒、烧焦或擦伤痕迹。 1.5.在绝缘半导电层外应有缓冲层，可采用半导电弹性材料或具有纵向阻水功能的半导电阻水膨胀带绕包而成。绕包要求平整、紧实、无皱褶。 1.6.金属铅套的最小厚度应不小于标称厚度的95%-0.1mm. 1.7.外护套的性能应符合GB/Z-18890.1-2002中表5、表7和表8的要求。在外护套表面应有均匀牢固的导电层作为护套耐压试验时的外电极。 2、主要实验项目（GB12706.1-91） 2.1.例行试验（试验类型代号R）（导体直流电阻试验、局部放电试验、交流电压试验）。 其中交流电压试验规定试验应在成盘电缆上进行。在室温下在导体和金属屏蔽之间施加交流电压318KV（2.5U0),保持30min,绝缘应不发生击穿。 2.2.抽样试验（试验类型代号S)(4h交流电压试验、热延伸试验）。 2.3.型式试验（试验类型代号T）（电气性能试验、机械物理性能试验）。 其中冲击电压试验及其随后的交流电压试验规定将试样导体加热到100105，对电缆试样施加1050KV冲击试验电压，正负极性个10次，电缆应不击穿，随后进行交流电压试验，电缆试样在交流电压318KV（2.5U0）下，保持15min,电缆应不击穿。五计算一公里长度内电缆所消耗的材料: 1、线芯：S=(/4)d2z（1/u） ；V=KmSL ;m=cuVd/Z/根uS/KmL/mV/m3cu/kgm-3M/t3.12171.041.5710-31.01510001.608.910314.232、 导体屏蔽层：Dc/Dc/S/L/mV/m3cu/kgm-3M/t50.946.90.3110-310000.310.921030.29 S=(Dc2-Dc2)/4 ;V=SL ;m=cV;3. 绝缘层：D1/Dc/2/mS/L/mV/m31/kgm-3M/t102.950.9261.2610-2100012.60.9510311.97 S=(Dc+D1)1 ；V=SL ；m=cV;4. 绝缘层屏蔽：Dj/Di/S/L/mV/m3c/kgm-3m/t104.9102.90.3310-310000.330.921030.30 S=(Dj2-Di2)/4 ;；V=SL ;m=cV;5. 铜屏蔽层： S=nw dw2/4 nhthwh ；V=SL ;m=cuV;nw /根Dw/nh/根th/wh/S/L/mV/m3cu/kgm-3M/t770.810.1250.09710-310000.0978.91030.866. 铅套：Ds2/Ds1/S/L/mV/m3pb/kgm-3m/t112.1105.51.1310-310001.1311.3410312.81 S=(Ds22-Ds12)/4 ;V=SL ;m=pbV; 7. 外护层;Da/Ds2/S/L/mV/m3a/kgm-3m/t122.1112.11.8410-310001.841.41032.58 S=(Da2-Ds22)/4 ;V=SL ;m=aV; 结论：本电缆一公里长度内共计消耗材 43.0 吨，体积较大，成本较高。六结论与说明 本次设计的电缆属于高压交联聚乙烯电力电缆，由于截面积相对较大，传输容量有所提高，但集肤效应因数相对大些。另外，由于电压高、绝缘层、绝缘层的介质损耗成为限制传输容量大小的主要因素，必须严格限制介质损耗正切值的大小。本次设计中采用金属金属护套换位连接方式，电缆金属护套层损耗小，亦相对提高了传输容量。另一方面，由于电压高、绝缘层厚，电缆的热稳定性必须予以足够的重视。总之，通过两周的设计和重复的验算，我认为此电缆设计合理，满足了设计要求，经严格的生产工艺后能长期良好运行。