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電氣化鐵道27.5kV銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜設計

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銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜的設計為例,介紹了電氣化鐵道用電纜的設計方法。

關鍵詞:電氣化鐵道;結構;設計;電場梯度;電氣參數

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、湘黔等干線也陸續建成電氣化鐵路區段。顯示,未來幾年,電氣化鐵路的建設和改造將繼續加速。根據《中*鐵路網規劃》,到2020年,電氣化鐵路總里程將達到全國鐵路營運里程的一半,承擔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計。

2 電纜結構設計

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

(1)導體實際面積S的計算:

根據GB/T 3956規定標稱截面為150mm2導體,其20℃的長度電阻R應不大于0.124Ω/km[1],由此計算導體的實際面積S:

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

(2)單絲直徑 的確定:

GB/T 3956-1997規定了150mm2導體結構zui少根數不少于30根,考慮導體柔軟性,與生產成本,取定單絲根數為37根,采用正規絞合,即1+6+12+18排列結構,絞線中的單線經緊壓后產生塑性和彈性變形,影響了緊壓絞線填充系數 和單線延伸率 ,導體采用分層緊壓工藝,根據生產經驗,緊壓系數取0.90比較經濟和合適,一般均采用經驗數據和公式,在工藝試驗基礎上,作適當地調整,使之達到良好的工藝效果。

單線直徑可由以下經驗公式求得:

公式中,n為導體單線根數(n=37); 為單線延伸率,根據實際生產經驗在緊壓系數為0.90時延伸系數為1.08。

(3)導體直徑 的確定:

在實際生產,金屬導體在緊壓成纜過程中會發生反彈,實際導體直徑 為14.5。

(4)導體屏蔽外徑核定:

根據TB/T 2822-1997規定,導體屏蔽應為擠包的半導電層,標稱厚度為0.8mm、zui薄處不小于標稱厚度值的80%。設計厚度取0.8mm。

 

(5)電纜絕緣厚度計算:

    絕緣層厚度 是基于在其預期使用壽命內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)計算結果中擇取較大值的方法。

按工頻電壓計算絕緣厚度:

 

   

(8)內襯層與外護套結構設計

TB/T 2822-1997中規定,外護套與金屬屏蔽間應有PVC塑料帶或PE塑料帶繞包層,本設計中采用規格為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)。則內襯層外徑 D3為

 

    金屬護套工序中,采用護套+石墨的結構,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中規定外護套的標稱厚度為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準的圓柱形電場,長度和半徑是不可比擬的??珊雎詮碗s的邊緣效應。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,

即導體屏蔽處:

 

 

4 非常規截面電纜結構尺寸

因發展需要,原有的150mm2、185mm2兩種規格已不能*運行需求,根據市場預測,電氣化鐵道用27.5kV電纜電氣截面已增加至400mm2。本文參考150mm2設計及計算方法對標稱截面為185mm2、240mm2、300mm2、400mm2的電纜做出了計算,相關參數如表1所示。

表1電氣化鐵道27.5kV銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜結構尺寸

構  成

材  料

 

185 mm2

240 mm2

300 mm2

400 mm2

導體

緊壓直徑/根數

2.62/37

3.00/37

2.60/61

2.96/61

緊壓直徑

16.2

18.6

20.8

23.5

導體屏蔽層

半導電屏蔽料

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

半導電阻水層

半導電阻水帶

規格

0.30×50

0.30×50

0.30×50

0.30×50

層數/直徑

1/44.6

1/47.0

47.6

50.3

金屬屏蔽層

軟銅絲

根數/直徑

60/0.86

70/0.80

70/0.95

80/0.89

銅帶

規格

0.12×40

0.12×40

0.12×40

0.12×40

層數/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

為了滿足對電氣化鐵道27.5kV銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜的需求,結合國家標準,本公司順利完成了150mm2及185mm2兩種截面27.5kV銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜的制作以及400mm2以下電纜的設計工作,產品各項指標均達到設計要求,經檢測符合國家標準規定。

隨著我國經濟建設的飛躍發展,國家對基礎設施建設的力度加大,鐵路建設作為重要部分,也得到了快速發展的機會,于此同時對鐵路沿線敷設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,也必將為國家經濟飛速發展做出貢獻。

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