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電氣化鐵道27.5kV銅芯絕緣電纜設計
發布時間：2015-07-01
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摘 要：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。我國第一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《中長期鐵路網規劃》，到2020年，電氣化鐵路總里程將達到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、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。可忽略復雜的邊緣效應。電纜絕緣層中電場分布如圖1所示。
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、185mm2兩種規格已不能完全滿足運行需求，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 | 銅 | 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。
參考文獻：
[1] GB/T 3956-1997，電纜的導體
[2] 卓金玉.電力電纜設計原理.機械工業出版社，1999，28～37
[3] TB/T 2822-1997，電氣化鐵道27.5kV單相銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜
杭州電纜有限公司 魏學志，張治剛
