針對(duì)電氣化鐵道建設(shè)進(jìn)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(jì)為例,介紹了電氣化鐵道用電纜的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞:電氣化鐵道;結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);電場(chǎng)梯度;電氣參數(shù)
1 引言
化鐵路,是由電力機(jī)車(chē)或動(dòng)車(chē)組這兩種鐵路列車(chē)為主,所行走的鐵路。我國(guó)*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(yùn)營(yíng)。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(lái)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(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程的一半,承擔(dān)的鐵路運(yùn)量比重將超過(guò)80%。我國(guó)電力機(jī)車(chē)由單相27.5kV交流供電,隨著電氣化鐵路建設(shè)進(jìn)程的加快,對(duì)供電電纜的需求也增加,本文正是迎合電氣化鐵道需求對(duì)常用典型型號(hào)電纜做出的設(shè)計(jì)。
2 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jì)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(jì)為例進(jìn)行分析和研究。
(1)導(dǎo)體實(shí)際面積S的計(jì)算:
根據(jù)GB/T 3956規(guī)定標(biāo)稱截面為150mm2導(dǎo)體,其20℃的長(zhǎng)度電阻R應(yīng)不大于0.124Ω/km[1],由此計(jì)算導(dǎo)體的實(shí)際面積S:
公式中 為單根導(dǎo)線加工過(guò)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(yàn)取值為1.02; 為多根導(dǎo)線絞合使單線長(zhǎng)度增加所引入的系數(shù),經(jīng)驗(yàn)取值為1.03; 為因緊壓過(guò)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(yàn)取值為1.01; 為導(dǎo)體20℃時(shí)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(yàn),緊壓系數(shù)取0.90比較經(jīng)濟(jì)和合適,一般均采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式,在工藝試驗(yàn)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(yàn)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(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)在緊壓系數(shù)為0.90時(shí)延伸系數(shù)為1.08。
(3)導(dǎo)體直徑 的確定:
在實(shí)際生產(chǎn),金屬導(dǎo)體在緊壓成纜過(guò)程中會(huì)發(fā)生反彈,實(shí)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(jì)厚度取0.8mm。
(5)電纜絕緣厚度計(jì)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(lái)確定的,一般按工頻電壓、沖擊電壓二者均滿足要求來(lái)計(jì)算。我國(guó)以及日本、英國(guó)、德國(guó)和韓國(guó)等對(duì)單芯電纜絕緣厚度的確定均采用下式(1)、(2)計(jì)算結(jié)果中擇取較大值的方法。
按工頻電壓計(jì)算絕緣厚度:
(8)內(nèi)襯層與外護(hù)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
TB/T 2822-1997中規(guī)定,外護(hù)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(jì)中采用規(guī)格為0.4×50mm的PVC塑料帶50%搭蓋繞包(有低煙無(wú)鹵要求時(shí)采用無(wú)鹵阻燃帶)。則內(nèi)襯層外徑 D3為
金屬護(hù)套工序中,采用護(hù)套+石墨的結(jié)構(gòu),在非金屬護(hù)套外層涂覆一層石墨涂層,因?yàn)榉墙饘僮o(hù)套承受金屬護(hù)套對(duì)地電壓,在出廠前需要對(duì)非金屬套做耐壓試驗(yàn),石墨涂層有良好的導(dǎo)電性能,作為耐壓試驗(yàn)的一個(gè)電極,石墨涂層厚度不計(jì)。
TB/T 2822-1997中規(guī)定外護(hù)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(chǎng)梯度計(jì)算
電纜的絕緣層中電場(chǎng)是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形電場(chǎng),長(zhǎng)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(chǎng)分布如圖1所示。
zui大電場(chǎng)強(qiáng)度 位于線芯表面,電場(chǎng)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(yùn)行需求,根據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè),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(jì)及計(jì)算方法對(duì)標(biāo)稱截面為185mm2、240mm2、300mm2、400mm2的電纜做出了計(jì)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
構(gòu) 成 | 材 料 |
| 185 mm2 | 240 mm2 | 300 mm2 | 400 mm2 |
導(dǎo)體 | 銅 | 緊壓直徑/根數(shù) | 2.62/37 | 3.00/37 | 2.60/61 | 2.96/61 |
緊壓直徑 | 16.2 | 18.6 | 20.8 | 23.5 | ||
導(dǎo)體屏蔽層 | 半導(dǎo)電屏蔽料 | 厚度/直徑 | 0.8/17.8 | 0.8/20.2 | 1.0/22.8 | 1.0/25.5 |
絕緣層 | XLPE絕緣料 | 厚度 | 12 | 12 | 11 | 11 |
直徑 | 41.8 | 44.2 | 44.8 | 47.5 | ||
絕緣屏蔽層 | 半導(dǎo)電屏蔽料 | 厚度/直徑 | 1.2/44.2 | 1.2/46.6 | 1.2/47.2 | 1.2/49.9 |
半導(dǎo)電阻水層 | 半導(dǎo)電阻水帶 | 規(guī)格 | 0.30×50 | 0.30×50 | 0.30×50 | 0.30×50 |
層數(shù)/直徑 | 1/44.6 | 1/47.0 | 47.6 | 50.3 | ||
金屬屏蔽層 | 軟銅絲 | 根數(shù)/直徑 | 60/0.86 | 70/0.80 | 70/0.95 | 80/0.89 |
銅帶 | 規(guī)格 | 0.12×40 | 0.12×40 | 0.12×40 | 0.12×40 | |
層數(shù)/直徑 | 1/46.56 | 1/48.84 | 1/49.74 | 1/52.32 | ||
包帶 | 或PE塑料帶 PVC塑料帶 | 規(guī)格 | 0.4×50 | 0.4×50 | 0.4×50 | 0.4×50 |
搭蓋率/直徑 | 50%/48.16 | 50%/50.44 | 50%/51.34 | 50%/53.92 | ||
外護(hù)層 | PE護(hù)套料或 PVC護(hù)套料 | 厚度/直徑 | 3.0/54.16 | 3.0/56.44 | 3.0/57.34 | 3.0/59.92 |
5 總結(jié)
為了滿足對(duì)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(guó)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(jì)工作,產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,經(jīng)檢測(cè)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛躍發(fā)展,國(guó)家對(duì)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(jī)會(huì),于此同時(shí)對(duì)鐵路沿線敷設(shè)輸電線路的需求也進(jìn)一步增大,做好電氣化鐵道用電纜,為國(guó)家在電力能源的輸送上提供可靠的保證,也必將為國(guó)家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。