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第1章 電纜的結(jié)構(gòu)、材料和尺寸的確定

招標(biāo)方規(guī)定的系統(tǒng)（YJV-26/35  1×300電力電纜）性能要求如下：

一、使用條件：

1.系統(tǒng)額定電壓U0∕U               26∕35kV

2.沖擊耐壓水平（BIL）              250kV

3.系統(tǒng)頻率                         50Hz

4.系統(tǒng)中性點接地方式               一端接地或交叉互聯(lián)接地，水平敷設(shè)

5.導(dǎo)體最高運行溫度                 90℃

6.短路時導(dǎo)體最高溫度               250℃

7.連續(xù)工作電流                     ≧450A

8.導(dǎo)體最大短路電流∕持續(xù)時間       ≧ 40kA∕1s

9.金屬屏蔽最大短路電流∕持續(xù)時間   ≧3kA∕1s

二、環(huán)境條件:

1.最高環(huán)境溫度                     空氣：+40℃ 土壤：+25℃

2.埋地深度                         1m

3.土質(zhì)                             粉砂質(zhì)粘土，土壤熱阻系數(shù)1.0K·m∕W

1.1 導(dǎo)體的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸的確定

1.1.1 導(dǎo)體的材料及性能

    在電力電纜中，常采用銅或鋁做為線芯的導(dǎo)體，根據(jù)設(shè)計電纜型號知，本次設(shè)計采用銅做導(dǎo)體，銅的電導(dǎo)系數(shù)高，在IEC的標(biāo)準(zhǔn)中，20℃銅的電阻率的標(biāo)稱值為ρ20=0.017241Ω·mm2/m，20℃銅的溫度系數(shù)α=3.93×10-31/K。

1.1.2 導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)形式及尺寸的確定

為了增加電纜的柔軟性和可曲度，較大截面的電纜線芯由多根小直徑的導(dǎo)線絞合而成，并且導(dǎo)體線芯采用緊壓結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以節(jié)約材料、降低成本，而且可以避免擠出或交聯(lián)時在壓力作用下絕緣料擠進單線間隙，同時也可以阻止水分進入導(dǎo)電線芯。

1.1.2.1 單線直徑

導(dǎo)體截面為300mm2，由GB/T3956-97查得，線芯采用圓形緊壓結(jié)構(gòu)，單線最少根數(shù)為34根，根據(jù)本公司的實際生產(chǎn)情況，則選取根數(shù)為37根，采用1+6+12+18的緊壓結(jié)構(gòu)，實際電纜中測得的電纜直流電阻應(yīng)都小于其標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)GB/T3856-97知，標(biāo)稱截面在300mm2時，20℃導(dǎo)體的最大電阻是0.0601Ω/km

式中：

ρ20為20℃時導(dǎo)體的電阻率，導(dǎo)體為銅芯，ρ20 = 0.017241Ω.mm2/m；

    K1為導(dǎo)體加工過程中電阻率增加引入的系數(shù)，K1=1.03；

K2為成纜系數(shù)，采用緊壓絞合，K2=1；

    A為線芯緊壓的真實截面，（mm2）；

    為延伸系數(shù)，μ一般取1.05～1.10之間，根據(jù)經(jīng)驗取μ=1.08。

代入數(shù)據(jù)得 

    即 d≥3.31

根據(jù)實際生產(chǎn)情況取d＝3.31mm。

1.1.2.2 輪廓直徑

根據(jù)公式               

式中：

η為線芯的緊壓系數(shù)，η一般取0.85～0.91之間，根據(jù)經(jīng)驗取η=0.86；

    A輪為線芯的輪廓截面，（）。

    代入數(shù)據(jù)得    =3.31

                  =21.0mm

根據(jù)GB/T3956-97要求，標(biāo)稱截面在300mm2的電纜輪廓外徑在20.0mm-21.6mm之間，可見上式計算結(jié)果符合要求，即取Dc=21.0mm。

1.2 絕緣層的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸的確定

在中壓電纜中，通常采用交聯(lián)料或乙丙橡膠做電纜的絕緣層材料，根據(jù)電纜型號知，選用交聯(lián)聚乙烯作為絕緣材料。交聯(lián)聚乙烯的性能：①耐熱性好；機械性能好；②耐蠕變性好；③絕緣電阻高。

對于符合標(biāo)準(zhǔn)電壓等級的電纜，其絕緣層厚度可以直接查標(biāo)準(zhǔn)，然后采用平均場強的方法進行驗證。根據(jù)GB/T12706.3-2002可查得，對于26/35kV的電纜絕緣厚度為△i=10.5mm。驗證過程如下：

△i=10.5mm，滿足電性能的要求。

1.3 屏蔽層的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸的確定

1.3.1 內(nèi)外屏蔽層材料和尺寸的確定

電纜線芯一般由多根導(dǎo)線絞合而成，線芯表面和絕緣層間容易形成間隙，另外表面的不光滑會造成電場集中，這些因素將使電纜電性能降低。因此，在線芯表面加一層半導(dǎo)電屏蔽層，它能與絕緣良好接觸，半導(dǎo)電層與線芯等電位，它們之間存在的間隙，由于周圍等電位則無電場作用，避免了局部放電。另一方面，在絕緣表面和護套接觸處也可能存在間隙，電纜彎曲時絕緣表面也易造成裂紋，這些都是引起局部放電的因素，所以在電壓等級稍高的絕緣表面上也需要屏蔽。

屏蔽層半導(dǎo)電料可采用交聯(lián)聚乙烯加碳黑、防老劑、乙烯-醋酸混合物等混合而成。采用導(dǎo)體屏蔽可以改善導(dǎo)體表面的電場分布，提高電纜耐電強度。

根據(jù)經(jīng)驗值，該電壓等級條件下，導(dǎo)體屏蔽層厚度在0.8-1.0mm之間，取0.8mm；絕緣屏蔽厚度在1.0-1.5mm之間，取1.0mm。

1.3.2 金屬屏蔽層材料和結(jié)構(gòu)的確定

對于擠出型電纜，在絕緣層屏蔽外加一層金屬屏蔽，它的作用是在正常情況下流過電容電流，短路時作為短路電流的通道，同時起屏蔽電場作用，在三相四線制中作為線路的中性線。對于本設(shè)計型號電力電纜，采用金屬銅帶做屏蔽材料。

1.3.2.1銅帶厚度的確定

金屬屏蔽銅帶厚度通過“非絕熱效應(yīng)狀態(tài)下允許短路電流的計算方法”進行計算，短路電流的絕熱計算，適用于任何其實溫度的絕熱溫升。公式如下：

式中：

為基于絕熱方法計算出來的短路電流（A），由已知條件得=3KA；

t為短路時間(s)，由已知條件得t=1s；

為載流材料熱容常數(shù)，見表1-1；

為載流元件的幾何橫截面積（），見表1-1；

為最終溫度（℃），由已知條件得=250℃；

為起始溫度（℃），由已知條件得=90℃；

為0℃時載流元件的電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)（K），見表1-1。

表1-1 材料系數(shù)表

代入數(shù)據(jù)到公式中

得  

即金屬屏蔽用銅帶的面積為21

屏蔽銅帶的面積和銅帶的厚度有如下關(guān)系

其中：

為繞包屏蔽銅帶前的直徑，即=45.6mm；

為所用銅帶的厚度，（mm）。

將參數(shù)代入公式得

21=3.14×（45.6+）

經(jīng)過計算得出結(jié)果即

    =0.15mm

1.3.2.2 銅帶寬度的確定

銅帶的寬度不僅與其厚度有一定的關(guān)系，而且和加工過程中的工藝參數(shù)有直接聯(lián)系。本次電纜在設(shè)計中，采用單層銅帶正搭蓋重疊繞包。銅帶的寬度b由下式計算：  

其中：

為搭蓋率，取值15%；

為繞包角，由長期工作經(jīng)驗取得為15°。

即    

通過計算得出電纜所用銅帶的寬度為43.7mm，厚度為0.15mm。在實際生產(chǎn)中，所用銅帶寬度為45mm，厚度為0.15mm。

1.4 外護層的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸的確定

電纜護層是保護絕緣在敷設(shè)、運行過程中，免受機械損傷和環(huán)境因素的破壞，以保證電纜長期穩(wěn)定的電氣性能。外護層的材料采用聚氯乙烯，結(jié)構(gòu)為擠包。

 利用假設(shè)直徑的計算方法來確定擠包護套的標(biāo)稱厚度。具體通過“GB12706.3-2002 額定電壓35kV（Um=40.5kV）電纜”標(biāo)準(zhǔn)進行計算。

不考慮形狀和緊壓程度如何，每一標(biāo)稱截面導(dǎo)體的假設(shè)直徑（）由GB12706.3查表得，導(dǎo)體標(biāo)稱截面所300mm2對應(yīng)的導(dǎo)體假設(shè)直徑 =19.5mm。

對于有半導(dǎo)電屏蔽電纜的絕緣線芯,該電纜擠外護套前的假設(shè)直徑Dc=dL+2ti+3.0+di，

其中：

為絕緣厚度，即=10.5mm；

為金屬屏蔽假設(shè)直徑增加值。根據(jù)國標(biāo)，屏蔽面積S為21的對應(yīng)增加值為1.2mm。

所以Dc=44.7 mm

若無其他規(guī)定，擠包護套標(biāo)稱厚度值（以mm計）應(yīng)按下列公式計算：

=0.035Dc+1.0

代入數(shù)據(jù)得

=2.6 mm

1.5 電纜結(jié)構(gòu)尺寸表和結(jié)構(gòu)圖

1.5.1 電纜結(jié)構(gòu)尺寸表

電纜結(jié)構(gòu)尺寸見表1-2。

表1-2 YJV-26∕35 1×300電纜結(jié)構(gòu)尺寸表

1.5.2 電纜結(jié)構(gòu)圖

電纜結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

圖1-1 電纜結(jié)構(gòu)圖

第2章 電纜各種相關(guān)電氣參數(shù)的計算

2.1 導(dǎo)體電阻

2.1.1 導(dǎo)體的直流電阻

導(dǎo)體的直流電阻由材料本身的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)體工作的溫度所決定。在90℃的溫度下，單位長度電纜線芯的直流電阻，一般按下式進行計算

其中：

為導(dǎo)體工作溫度條件下，單位長度的直流電阻；

為20℃時單位長度導(dǎo)體的直流電阻，由GB/T3048.2查得，導(dǎo)體銅標(biāo)稱截面積為300 時，其標(biāo)準(zhǔn)值Ω/m；

為20℃下電阻的溫度系數(shù)，。

代入以知條件參數(shù)

/m

2.1.2 導(dǎo)體的交流電阻

由于電纜導(dǎo)體是在交流電壓條件下工作,在計算其發(fā)熱情況以及其載流量時,應(yīng)采用導(dǎo)體的交流電阻值。在考慮到導(dǎo)體在交變的電磁場下產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)時的交流電阻值,可以按下列公式計算,即

Ω/m

式中：

 R為單位長度電纜導(dǎo)體在θ℃下的交流電阻,(Ω）；

為單位長度電纜導(dǎo)體在θ℃下的直流電阻,(Ω)；

Y為集膚效應(yīng)因數(shù)；

Y為鄰近效應(yīng)因數(shù)。

鄰近效應(yīng)因數(shù)與兩導(dǎo)體之間的距離有關(guān),其鄰近效應(yīng)因數(shù)將隨距離的平方值成反比減小。

集膚效應(yīng)因數(shù)與導(dǎo)體的截面積有關(guān), 其集膚效應(yīng)因數(shù)將隨電纜截面積的增加而成正比增加。

集膚效應(yīng)因數(shù)計算公式如下:  

式中, 

對于圓形緊壓線芯且不用干燥浸漬的情況  ==1  

將=0.0000766Ω/m;  f=50Hz,  =1 代入公式

則 

鄰近效應(yīng)因數(shù)的計算公式如下: 

其中：

；

為導(dǎo)電線芯直徑，取值21.0mm；

為電纜敷設(shè)間距，設(shè)為2倍電纜外徑，即為2D，所以s=2×51.4=102.8；

則。

將已知數(shù)據(jù)代入公式

將、Yp、Ys的數(shù)值代入公式

由計算結(jié)果知，90℃時，單位長度導(dǎo)體線芯的直流電阻,單位長度導(dǎo)體線芯的交流電阻。

2.2 金屬屏蔽損耗

    電纜屏蔽中存在感應(yīng)電勢.電纜金屬屏蔽接地，這樣可以避免屏蔽中感應(yīng)電勢造成對電纜運行安全的破壞，同時系統(tǒng)屏蔽作為接地電流通路。但是，當(dāng)有環(huán)流流經(jīng)電纜屏蔽，必然會產(chǎn)生損耗；另一方面，由于鄰近效應(yīng)影響，感應(yīng)電動勢的不均勻性，在電纜屏蔽上產(chǎn)生渦流，還將引起渦流損耗。

對于系統(tǒng)中性點一端接地或交叉互聯(lián)接地的中性點接地方式，平面排列敷設(shè)（其中電纜間距S=2），屏蔽環(huán)流損耗與線芯損耗之比很小，可以忽略不計。所以金屬屏蔽總損耗與線芯損耗之比就等于由屏蔽鄰近效應(yīng)損耗與線芯損耗之比。

在對進行計算時，用到以下參數(shù)，加以說明:

為電纜工作條件下屏蔽材料的電阻率,（）；

為單位長度屏蔽材料的電阻,（）;

為屏蔽層厚度，即=2×0.15=0.3mm

為屏蔽平均直徑，即=45.9mm

為屏蔽外直徑，即=46.2mm

為屏蔽截面積，即=21

為最大工作溫度時單位長度線芯交流電阻，即R=

因為≦0.1時，、可忽略。

所以

對于中間相電纜（B相）

對于旁邊相電纜（A、C相）

=

綜合以上計算，損耗因數(shù)取三相中損耗最大的值，即==

所以，金屬屏蔽損耗因數(shù)即屏蔽總損耗與線芯損耗之比為

=+

= 

2.3 電纜絕緣層中的場強分布

對于均勻介質(zhì)單芯電纜，它的電場分布是均勻的。線芯和絕緣層表面均具有均勻電場的屏蔽層，因此單芯電纜可以看作同心圓柱體分布電場垂直于軸向的各

個截面的分布是一樣的。而且由于軸對稱緣故，這個平面電場分布僅于半徑r有關(guān)。設(shè)電纜線芯屏蔽半徑為，絕緣層外表面半徑為R,兩層屏蔽間承受的電壓為U0，那么距離電纜中心處為r厚度為的圓柱絕緣層上的電位差

式中：

E為絕緣層中半徑為r處的電場強度。

絕緣層為均勻介質(zhì)，根據(jù)同心于電纜線芯的任一圓柱體表面電通量相等原理

公式中：

為線芯表面即處的電場強度。

絕緣層承受的電壓可通過上式積分而得

從而可得任意處的電場強度E為

從上式可知，在電壓作用下，單芯電纜絕緣層中最大的電場強度位于線芯表面上即=處

最小電場強度，在絕緣層表面的絕緣屏蔽處r=R

即

其中：

為線芯屏蔽半徑，則=11.3mm；

為絕緣層外表面半徑，則=21.8mm；

為兩層屏蔽間所承受的交流電壓，則=26KV；

為絕緣中電場強度，單位為MV／m；

由上面分析可得：

最大場強

MV／m

最小場強

MV／m

第3章 電纜連續(xù)允許載流量和允許短路電流的計算

由于電力電纜是在高電壓下傳輸大電流，因此除了要求有良好的電氣性能外，還要求有良好的熱性能。在一般情況下電纜的電氣性能與其熱性能是相互影響和制約的。例如絕緣的電性能較差，就會大大增加絕緣中的發(fā)熱能量，以至使產(chǎn)品的熱性能惡化；而由于熱性能差而使電纜的溫升大大提高，這樣就會使電纜絕緣的電性能很快地下降和老化。因此，熱性能的研究和計算對電力電纜來講是非常重要的。當(dāng)電纜的工作電壓等級越高時，熱性能的影響也就愈為嚴(yán)重。

研究和計算電纜的熱性能主要從電纜工作狀態(tài)下內(nèi)部的發(fā)熱,以及向周圍媒質(zhì)散熱，而應(yīng)該使發(fā)熱和散熱處于相等的狀態(tài)這一基本點出發(fā)的。

3.1 電纜等效熱路圖和各部分熱阻的計算

3.1.1 電纜等效熱路圖

3.1.2 電纜各部分熱阻的計算

絕緣層熱阻

（）

式中：

為絕緣層材料的熱阻系數(shù)，可知材料XLPE的熱阻系數(shù)為3.5 K·m∕W；

為線芯與護套間絕緣層厚度，=10.5mm；

為線芯外徑，=22.6mm。

外被層熱阻

（）

式中：

為外被層材料的熱阻系數(shù)，可知材料PVC的熱阻系數(shù)為6.0 K·m∕W；

為外被層厚度，=2.6mm；

為外護套內(nèi)徑，=46.2mm。

3.2 電纜敷設(shè)在土壤中連續(xù)允許載流量的計算

3.2.1 周圍媒質(zhì)熱阻

對于三根電纜直線平行等距敷設(shè)，那么由電纜的敷設(shè)情況就可以判斷中間的電纜是最熱的。如果三根電纜的損耗相同，那么中間一根電纜周圍媒介的熱阻為

式中：

為電纜外徑，則=51.4mm；

為電纜敷設(shè)介質(zhì)即土壤的熱阻系數(shù)，=1.0 K·m∕W；

為電纜敷設(shè)深度，由已知條件知，電纜敷設(shè)在土壤中，敷設(shè)深度L=1m。

將已知數(shù)據(jù)代入公式

（）

3.2.2 連續(xù)允許載流量的計算

3.2.2.1 電纜的電容

（F）

公式中：

為單位長度上的電容，單位為F；

為線芯屏蔽直徑，=22.6mm；

為絕緣層厚度，=10.5；

為電纜絕緣用材料的相對介電常數(shù)，=2.5；

是絕緣介質(zhì)損耗角正切。對于材料XLPE的介質(zhì)損耗角正切為0.008。

3.2.2.2 絕緣損耗

（J）

根據(jù)電纜等效熱路圖，列出熱平衡方程，解出恒定負(fù)載下電纜的載流量。

式中：

為電纜正常運行時的載流量；

為電纜正常運行的最高溫度，即絕緣所能承受的最高溫度，所以=90℃；

為電纜未運行時的溫度，設(shè)為環(huán)境溫度，即=25℃；

為單位長度導(dǎo)體的交流電阻，。

代入以上已知參數(shù)，

A

通過查《電線電纜載流量》得，在相同條件下，其值為635A。相對誤差為=2%，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。同時也符合招標(biāo)方給定的≧450A的要求。

3.3 電纜敷設(shè)在空氣中連續(xù)允許載流量的計算

3.3.1 周圍媒介熱阻

空氣中敷設(shè)電纜，周圍媒介熱阻的計算比較復(fù)雜。經(jīng)驗認(rèn)為，從單位長度電

纜表面散發(fā)到周圍媒介中（空氣）的熱流可以用下式表示

根據(jù)熱阻的定義

h稱為散熱系數(shù)，它的數(shù)值與電纜表面情況和電纜外徑大小以及敷設(shè)狀況有關(guān)系。

式中：

為電纜外徑，=51.4mm=0.0514m；

Z、g、E由電纜自身的結(jié)構(gòu)和敷設(shè)狀況決定，其中Z=0.21，g=0.60，E=3.94.

用查曲線的方法來求的值。根據(jù)和的值查關(guān)于三者的關(guān)系曲線表，得

=2.22

則電纜敷設(shè)于空氣中的熱阻

（）

3.3.2 連續(xù)允許載流量的計算

通過上面對電纜敷設(shè)在空氣中的熱阻的計算，可以進一步計算電纜敷設(shè)在空氣中的載流量

A

通過查《電線電纜載流量》得，在相同條件下，其標(biāo)準(zhǔn)值為760A，相對誤差為 ，符合±10%范圍規(guī)定。同時也滿足招標(biāo)方≧450A的要求。

3.4 電纜短路電流的計算

電纜線路發(fā)生故障時，線芯電流可以達到額定電流的幾倍到幾十倍，但一般故障時間很短，短路電流作用時間僅幾秒甚至更短，在短路電流作用下，電纜溫

度不應(yīng)超過短路允許的最高溫度。

計算短路電流時，由于短路時間很短，可以近似認(rèn)為由短路電流產(chǎn)生的熱量來不及向外散發(fā)，全部轉(zhuǎn)化為線芯的溫升;同時認(rèn)為短路電流不隨時間的變化而變化。熱容也是常數(shù)。于是有

其中：

A為線芯真實截面積；

    t為線芯短路持續(xù)時間，t=1s。

顯然

式中：

為導(dǎo)體材料銅的熱容系數(shù)，=  。

 則 

經(jīng)過計算驗證，當(dāng)電纜短路持續(xù)時間為1s時，最大短路電流滿足招標(biāo)方的≧40kA的要求

這是你的課程設(shè)計吧！

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不錯     謝謝樓主這么詳盡的設(shè)計資料講解，不管適用不適用，流程應(yīng)該對吧

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