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电气化铁道27.5kV电缆设计

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电气化铁道27.5kV电缆设计

发布日期:2018-03-07 作者:电缆 点击:

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

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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