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電氣化鐵道27.5kV銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜設(shè)計

2017年09月05日 09:37:25 來源:江蘇春晨電纜有限公司

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

構(gòu)  成

材  料

 

185 mm2

240 mm2

300 mm2

400 mm2

導(dǎo)體

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

外護層

PE護套料或

PVC護套料

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。

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