針對電氣化鐵道建設(shè)進程加快，為了滿足電氣化鐵道輸電用電纜的需求增加，本文以27.5kV 1×150mm²銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的設(shè)計為例，介紹了電氣化鐵道用電纜的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵道；結(jié)構(gòu)；設(shè)計；電場梯度；電氣參數(shù)

1 引言

    化鐵路，是由電力機車或動車組這兩種鐵路列車為主，所行走的鐵路。我國*條電氣化鐵路是寶雞至鳳州區(qū)段的鐵路干線，與1958年至1962年間建成并立即投入運營。此后，鷹廈、湘黔等干線也陸續(xù)建成電氣化鐵路區(qū)段。顯示，未來幾年，電氣化鐵路的建設(shè)和改造將繼續(xù)加速。根據(jù)《中*鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，電氣化鐵路總里程將達(dá)到全國鐵路營運里程的一半，承擔(dān)的鐵路運量比重將超過80％。我國電力機車由單相27.5kV交流供電，隨著電氣化鐵路建設(shè)進程的加快，對供電電纜的需求也增加，本文正是迎合電氣化鐵道需求對常用典型型號電纜做出的設(shè)計。

2 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了深入探討電氣化鐵道27.5kV銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜設(shè)計原理和方法，本文以27.5kV－150mm²銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜設(shè)計為例進行分析和研究。

（1）導(dǎo)體實際面積S的計算:

根據(jù)GB/T 3956規(guī)定標(biāo)稱截面為150mm²導(dǎo)體，其20℃的長度電阻R應(yīng)不大于0.124Ω/km^[1]，由此計算導(dǎo)體的實際面積S：

公式中 為單根導(dǎo)線加工過程中引起金屬電阻增加所引入的系數(shù)，根據(jù)杭州電纜有限公司的生產(chǎn)經(jīng)驗取值為1.02； 為多根導(dǎo)線絞合使單線長度增加所引入的系數(shù)，經(jīng)驗取值為1.03； 為因緊壓過程使導(dǎo)線發(fā)硬，引起電阻率增加所引入的系數(shù)，經(jīng)驗取值為1.01； 為導(dǎo)體20℃時電阻率，取 =0.017241×10^-6 m。

（2）單絲直徑 的確定：

GB/T 3956－1997規(guī)定了150mm²導(dǎo)體結(jié)構(gòu)zui少根數(shù)不少于30根，考慮導(dǎo)體柔軟性，與生產(chǎn)成本，取定單絲根數(shù)為37根，采用正規(guī)絞合，即1+6+12+18排列結(jié)構(gòu)，絞線中的單線經(jīng)緊壓后產(chǎn)生塑性和彈性變形，影響了緊壓絞線填充系數(shù) 和單線延伸率 ，導(dǎo)體采用分層緊壓工藝，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，緊壓系數(shù)取0.90比較經(jīng)濟和合適，一般均采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)和公式，在工藝試驗基礎(chǔ)上，作適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，使之達(dá)到良好的工藝效果。

單線直徑可由以下經(jīng)驗公式求得：

公式中，n為導(dǎo)體單線根數(shù)（n=37）； 為單線延伸率，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗在緊壓系數(shù)為0.90時延伸系數(shù)為1.08。

（3）導(dǎo)體直徑 的確定：

在實際生產(chǎn)，金屬導(dǎo)體在緊壓成纜過程中會發(fā)生反彈，實際導(dǎo)體直徑 為14.5。

（4）導(dǎo)體屏蔽外徑核定：

根據(jù)TB/T 2822－1997規(guī)定，導(dǎo)體屏蔽應(yīng)為擠包的半導(dǎo)電層，標(biāo)稱厚度為0.8mm、zui薄處不小于標(biāo)稱厚度值的80%。設(shè)計厚度取0.8mm。

（5）電纜絕緣厚度計算：

    絕緣層厚度 是基于在其預(yù)期使用壽命內(nèi)能安全承受各種可能電壓條件來確定的，一般按工頻電壓、沖擊電壓二者均滿足要求來計算。我國以及日本、英國、德國和韓國等對單芯電纜絕緣厚度的確定均采用下式（1）、（2）計算結(jié)果中擇取較大值的方法。

按工頻電壓計算絕緣厚度：

（8）內(nèi)襯層與外護套結(jié)構(gòu)設(shè)計

TB/T 2822－1997中規(guī)定，外護套與金屬屏蔽間應(yīng)有PVC塑料帶或PE塑料帶繞包層，本設(shè)計中采用規(guī)格為0.4×50mm的PVC塑料帶50%搭蓋繞包（有低煙無鹵要求時采用無鹵阻燃帶）。則內(nèi)襯層外徑 D3為

    金屬護套工序中，采用護套+石墨的結(jié)構(gòu)，在非金屬護套外層涂覆一層石墨涂層，因為非金屬護套承受金屬護套對地電壓，在出廠前需要對非金屬套做耐壓試驗，石墨涂層有良好的導(dǎo)電性能，作為耐壓試驗的一個電極，石墨涂層厚度不計。

TB/T 2822－1997中規(guī)定外護套的標(biāo)稱厚度為3.0mm。則電纜外徑 D4為

3 電纜絕緣中的電場梯度計算

電纜的絕緣層中電場是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形電場，長度和半徑是不可比擬的。可忽略復(fù)雜的邊緣效應(yīng)。電纜絕緣層中電場分布如圖1所示。

zui大電場強度 位于線芯表面，電場分布和r 成反比，

即導(dǎo)體屏蔽處：

4 非常規(guī)截面電纜結(jié)構(gòu)尺寸

因發(fā)展需要，原有的150mm²、185mm²兩種規(guī)格已不能*運行需求，根據(jù)市場預(yù)測，電氣化鐵道用27.5kV電纜電氣截面已增加至400mm²。本文參考150mm²設(shè)計及計算方法對標(biāo)稱截面為185mm²、240mm²、300mm²、400mm²的電纜做出了計算，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1電氣化鐵道27.5kV銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜結(jié)構(gòu)尺寸

5 總結(jié)

為了滿足對電氣化鐵道27.5kV銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的需求，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)，本公司順利完成了150mm²及185mm²兩種截面27.5kV銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的制作以及400mm²以下電纜的設(shè)計工作，產(chǎn)品各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，經(jīng)檢測符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛躍發(fā)展，國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的力度加大，鐵路建設(shè)作為重要部分，也得到了快速發(fā)展的機會，于此同時對鐵路沿線敷設(shè)輸電線路的需求也進一步增大，做好電氣化鐵道用電纜，為國家在電力能源的輸送上提供可靠的保證，也必將為國家經(jīng)濟飛速發(fā)展做出貢獻。