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电气化铁道27.5kV电缆设计
针对电气化铁道建设进程加快，为了满足电气化铁道输电用电缆的需求增加，本文以27.5kV 1×150mm2铜芯交联聚乙烯绝缘电缆的设计为例，介绍了电气化铁道用电缆的设计方法。
关键词：电气化铁道；结构；设计；电场梯度；电气参数
1 引言
化铁路，是由电力机车或动车组这两种铁路列车为主，所行走的铁路。我国第一条电气化铁路是宝鸡至凤州区段的铁路干线，与1958年至1962年间建成并立即投入运营。此后，鹰厦、湘黔等干线也陆续建成电气化铁路区段。显示，未来几年，电气化铁路的建设和改造将继续加速。根据《中长期铁路网规划》，到2020年，电气化铁路总里程将达到全国铁路营运里程的一半，承担的铁路运量比重将超过80％。我国电力机车由单相27.5kV交流供电，随着电气化铁路建设进程的加快，对供电电缆的需求也极具增加，本文正是迎合电气化铁道需求对常用典型型号电缆做出的设计。
2 电缆结构设计
为了深入探讨电气化铁道27.5kV铜芯交联聚乙烯绝缘电缆设计原理和方法，本文以27.5kV－150mm2铜芯交联聚乙烯绝缘电缆设计为例进行分析和研究。
（1）导体实际面积S的计算:
根据GB/T 3956规定标称截面为150mm2导体，其20℃的长度电阻R应不大于0.124Ω/km[1]，由此计算导体的实际面积S：
公式中 为单根导线加工过程中引起金属电阻增加所引入的系数，根据杭州电缆有限公司的生产经验取值为1.02； 为多根导线绞合使单线长度增加所引入的系数，经验取值为1.03； 为因紧压过程使导线发硬，引起电阻率增加所引入的系数，经验取值为1.01； 为导体20℃时电阻率，取 =0.017241×10-6 m。
（2）单丝直径 的确定：
GB/T 3956－1997规定了150mm2导体结构最少根数不少于30根，考虑导体柔软性，与生产成本，取定单丝根数为37根，采用正规绞合，即1+6+12+18排列结构，绞线中的单线经紧压后产生塑性和弹性变形，影响了紧压绞线填充系数 和单线延伸率 ，导体采用分层紧压工艺，根据生产经验，紧压系数取0.90比较经济和合适，一般均采用经验数据和公式，在工艺试验基础上，作适当地调整，使之达到良好的工艺效果。
单线直径可由以下经验公式求得：
公式中，n为导体单线根数（n=37）； 为单线延伸率，根据实际生产经验在紧压系数为0.90时延伸系数为1.08。
（3）导体直径 的确定：
在实际生产，金属导体在紧压成缆过程中会发生反弹，实际导体直径 为14.5。
（4）导体屏蔽外径核定：
根据TB/T 2822－1997规定，导体屏蔽应为挤包的半导电层，标称厚度为0.8mm、最薄处不小于标称厚度值的80%。设计厚度取0.8mm。
（5）电缆绝缘厚度计算：
绝缘层厚度 是基于在其预期使用寿命内能安全承受各种可能电压条件来确定的，一般按工频电压、冲击电压二者均满足要求来计算。我国以及日本、英国、德国和韩国等对单芯电缆绝缘厚度的确定均采用下式（1）、（2）计算结果中择取较大值的方法。
按工频电压计算绝缘厚度：
（8）内衬层与外护套结构设计
TB/T 2822－1997中规定，外护套与金属屏蔽间应有PVC塑料带或PE塑料带绕包层，本设计中采用规格为0.4×50mm的PVC塑料带50%搭盖绕包（有低烟无卤要求时采用无卤阻燃带）。则内衬层外径 D3为
金属护套工序中，采用护套+石墨的结构，在非金属护套外层涂覆一层石墨涂层，因为非金属护套承受金属护套对地电压，在出厂前需要对非金属套做耐压试验，石墨涂层有良好的导电性能，作为耐压试验的一个电极，石墨涂层厚度不计。
TB/T 2822－1997中规定外护套的标称厚度为3.0mm。则电缆外径 D4为
3 电缆绝缘中的电场梯度计算
电缆的绝缘层中电场是标准的圆柱形电场，长度和半径是不可比拟的。可忽略复杂的边缘效应。电缆绝缘层中电场分布如图1所示。
最大电场强度 位于线芯表面，电场分布和r 成反比，
即导体屏蔽处：
4 非常规截面电缆结构尺寸
因发展需要，原有的150mm2、185mm2两种规格已不能完全满足运行需求，根据市场预测，电气化铁道用27.5kV电缆电气截面已增加至400mm2。本文参考150mm2设计及计算方法对标称截面为185mm2、240mm2、300mm2、400mm2的电缆做出了计算，相关参数如表1所示。
表1电气化铁道27.5kV铜芯交联聚乙烯绝缘电缆结构尺寸
构 成
材 料
185 mm2
240 mm2
300 mm2
400 mm2
导体
铜
紧压直径/根数
2.62/37
3.00/37
2.60/61
2.96/61
紧压直径
16.2
18.6
20.8
23.5
导体屏蔽层
半导电屏蔽料
厚度/直径
0.8/17.8
0.8/20.2
1.0/22.8
1.0/25.5
绝缘层
XLPE绝缘料
厚度
12
12
11
11
直径
41.8
44.2
44.8
47.5
绝缘屏蔽层
半导电屏蔽料
厚度/直径
1.2/44.2
1.2/46.6
1.2/47.2
1.2/49.9
半导电阻水层
半导电阻水带
规格
0.30×50
0.30×50
0.30×50
0.30×50
层数/直径
1/44.6
1/47.0
47.6
50.3
金属屏蔽层
软铜丝
根数/直径
60/0.86
70/0.80
70/0.95
80/0.89
铜带
规格
0.12×40
0.12×40
0.12×40
0.12×40
层数/直径
1/46.56
1/48.84
1/49.74
1/52.32
包带
或PE塑料带
PVC塑料带
规格
0.4×50
0.4×50
0.4×50
0.4×50
搭盖率/直径
50%/48.16
50%/50.44
50%/51.34
50%/53.92
外护层
PE护套料或
PVC护套料
厚度/直径
3.0/54.16
3.0/56.44
3.0/57.34
3.0/59.92
5 总结
为了满足对电气化铁道27.5kV铜芯交联聚乙烯绝缘电缆的需求，结合国家标准，本公司顺利完成了150mm2及185mm2两种截面27.5kV铜芯交联聚乙烯绝缘电缆的制作以及400mm2以下电缆的设计工作，产品各项指标均达到设计要求，经检测符合国家标准规定。
随着我国经济建设的飞跃发展，国家对基础设施建设的力度加大，铁路建设作为重要部分，也得到了快速发展的机会，于此同时对铁路沿线敷设输电线路的需求也进一步增大，做好电气化铁道用电缆，为国家在电力能源的输送上提供可靠的保证，也必将为国家经济飞速发展做出贡献
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