电力电缆设计计算软件的开发

1、电力电缆设计计算软件的开发 上海交通大学 硕士学位论文 电力电缆设计计算软件的开发 姓名王苏梅 申请学位级别硕士 专业控制工程 指导教师李建勋张筱云 20050928 上海交通大学工程硕士学位论文 摘 要 电力电缆设计计算软件的开发 摘 要 电力电缆的电气参数决定了电缆的传输性能而电缆的电气参数是 由电缆各组成部分的材料性能如电阻率介电常数磁导系数等和 电缆结构几何尺寸所决定例如电缆线路的电压调整率就是由它的线 芯电阻和电感来决定又如在绝大多数情况下电缆各部分损耗发热 电缆绝缘材料的允许最高温升和热阻影响电缆的传输容量而各部分的 损耗发热就需要根据电缆的电气参数来计算而根据电缆的结构计算 电缆

2、的电气参数和利用结构尺寸与材料性能函数关系来选择电缆的结构 以满足线路对电缆参数的要求是电缆设计制造过程中一项很重要必不 可少的任务 为了缩短产品开发周期提高设计精度降低产品设计成本和产品 制造成本达到设计要求和经济性两方面都兼顾的设计方案应用计算 机来完成大量的重复性手工计算已十分必要但因各企业在产品和制造 技术上存在差异我们无法用通用软件来完成一些特殊的任务这就需 要我们根据企业的具体情况来开发专业的应用软件为此我们使用 visual basic 60 语言来开发高效实用的电力电缆设计计算软件以满 足现代企业的设计技术的发展要求 本文首先介绍了电力电缆的四个基本组成部分的材料性能和结构形

3、式即导电线芯绝缘层屏蔽层及外护层重点描述了电力电缆的各 种结构形式的电气参数和电缆结构尺寸的关系并详细推导了较为完整 的电力电缆设计计算公式本文还对电缆热流场的基本原理及电缆热场 第 i 页 上海交通大学工程硕士学位论文 摘 要 方程进行了深入分析并讨论了电缆在恒定负载下的稳态发热特性即 电缆稳态运行状态下的长期允许载流量同时本文还对电缆的短时过载 载流量也进行了讨论在文章中笔者提出了电力电缆优化计算的方法 即在不含复杂工艺并满足约束条件下的单位长度电力电缆的材料成本最 低并详细给出了优化设计程序流程图 本文还重点阐述了如何应用visual basic 60 语言开发高效实用的 电力电缆设计计

4、算软件并详细描述了应用软件的各模块包括参数输 入模块电阻计算模块电容计算模块电感及阻抗计算模块损耗计 算模块及载流量计算模块等实现的功能及技术处理的方法 本软件是根据实际的功能需求而设计开发的根据设计目标将一 个设计计算分解为若干个步骤以菜单形式提供选择对每一步骤构造 若干个模块每个模块都清晰易懂设计人员只需简单操作即可完成设 计故该软件具有结构清晰功能明确可读性好维护和扩展容易等 优点特别具有实用性为电力电缆产品开发工艺检查及预防性试验 提供了及其有效的工具可在各专业电力电缆制造单位中推广应用 关键词电力电缆电气参数计算visual basic 60 语言模块 第 ii 页 上海交通大学工程

5、硕士学位论文 abstract the calculation software developing of electric power cable abstract the transport performance of electric power cable is under the control of its electric parameters which is under the control of each material property such as resistance rate dielectric constant magnetic coefficient

6、 and so on and its geometry size for instance voltage-regulating rate depends on the resistance and inductance of conductors in many instances the transport capability of electric power cable is affected by the heat wastage of each part of cable permitted imum temperature rise and heat resistance of

7、 insulating materials as to the heat wastage of every part of cable it is rest on the electric parameters we can summarize that calculating the electric parameters and analyzing the function relationship between performance and construction of insulating materials so as to choose the right construct

8、ion of electric power cable is and important and absolutely necessarily task in the field of electric power cable design to shorten the developing period make more design accurate cut down designing and producing costs and reach the requests with an economic design decision it is essential to accomp

9、lish the design of electric power cable using computer but there are many differences in products and manufacture technique between each manufacturer we cant accomplish some special task using general software its necessary for us to develop special software based on every enterprises circumstance t

10、herefore we have developed efficient and practical software for electric power cable with visual basic 60 language to meet modern enterprises needs in this paper we introduced construction material properties and the structural design of four parts of electric power cable namely conductor insulation

11、 shield and jacket the type of cable structure and the calculation of 第 iii 页 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract electrical parameters have been summarized in detail and the complete calculation of cable electrical parameters has been got by our study we studied theory of heat flow filed equation of heat flow

12、field and steady exothermic characteristic systematically such as continuous current rating of cable under stability status and short-term current rating an optimized way to the calculation of electric power cable has been put forward thats to say without complicated techniques how to make the mater

13、ial costs the lowest under the required conditions and the detailed program flow charts of optimized design have been offered how to use visual basic 60 language to developing a high effective and practical calculation software for electric power cable is narrated in the paper the function of every

14、module and the method of the technology manipulation in the application software are described in detail this software is based on the practical needs according to the designing purpose one calculation will be divided into several steps which can be selected from a menu every step is composed of som

15、e simple models so that a designer can complete his job with very easy operation hence simple structure and specific functions are its advantages moreover it is comprehensive and easy to maintain and expand it is an effective and practical tool especially for developing electric power cable techniqu

16、e inspection and preventive test and it can be widely applied by those professional electric power cable producers keywords electric power cable electrical parameter calculation visual basic 60 language model 第 iv 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集

17、体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式 标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名王苏梅 日期 年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名王苏梅 指导教师签名李建勋 日期

18、 年 月 日 日期 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引 言 第一章 引 言 11 课题意义 随着计算机和信息技术的迅速发展与广泛应用人类正在步入信息化社会没 有软件的应用就无法实现计算机的应用但因各企业在产品和制造技术上存在差异 我们无法用通用软件来完成一些特殊的任务这就需要我们根据企业的具体情况来 开发专业的应用软件visual basic 和access 是当今最优秀的程序设计语言之一它 非常适合企业技术人员根据本企业的特点开发实用程序来实现计算机辅助计算设 计 电力电缆和架空导线在电力系统中都用于输送和分配电能电力电缆和架空导 线相比它能完成架空线路不易或无法完成的任务

19、例如跨越大江和海峡的输电 以及直接将超高压线路引进城市和工业区中心受气候条件和周围的环境影响小 传输性能稳定可靠性高线间绝缘距离小占地少基本不占用地面空间等特点 电力电缆用于传输大功率电能它的结构设计应考虑能承受电网的电压不仅 工作电压而且包括故障过电压操作过电压等能传递需要的传输功率允许通 过正常和故障情况下的电流具有足够满足安装敷设使用所需要的机械强度 性能稳定可靠 电力电缆的电气参数决定电缆的传输性能例如电缆线路的电压调整率就是 由它的线芯电阻和电感来决定又如在绝大多数情况下电缆各部分损耗发热电 缆绝缘材料的允许最高温升和热阻影响电缆的传输容量而各部分的损耗发热就 需要根据电缆电气参数来

20、计算而电缆的电气参数由电缆各组成部分的材料性能电 阻率介电常数磁导系数和电缆结构几何尺寸所决定所以根据电缆的结构 计算电缆的电气参数和利用结构尺寸与材料性能函数关系来选择电缆的结构以满 1 足线路对电缆参数的要求是电缆设计制造过程中一项很重要必不可少的任务 在电缆的新品开发时需要进行大量的结构及电气参数计算在平时的生产中 对于客户急需的特规产品也需要技术人员在较短的时间内完成设计和计算 用手工方法进行电气计算较为繁琐且很难得到设计要求和经济性两方面都兼顾的设 计方案为了缩短产品开发周期提高设计精度降低产品设计成本和产品制造成 本应用计算机来完成大量的重复性手工计算已十分必要为此我们使用 vb

21、语 第 1 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引 言 言来开发高效实用的电缆计算软件以满足现代企业的设计技术的发展要求 12 国内外研究现状 目前已存在用多种计算机语言写成的电力电缆的优化设计软件从最早的在 dos 状态下运行的用fortran 语言编成的设计软件到最近的在windows 9x2000 状态下运行的用 visual c写成的设计软件它们无疑为电力电缆新产品的设计开 发提供了极其有效的工具 vertex cable cad 电缆计算机辅助设计程序 是vertex systems oy 公司开发的 一套集成电缆所有关键要素的软件系统 包括电缆的设计计算生产文档生成 成本核算

22、及其评估等vertex systems oy 开发的这套软件可以在各种设计中提供 细节而详细的平面和立体图形它无疑是一套非常优秀的电缆辅助设计软件但是 此软件价格太高一般的小公司和企业难以承受 claymont pty ltd 开发的cable calculations 软件它是应用vb 开发的一个电路 特性匹配计算软件但不是电缆的设计计算软件选择电路的相数输入电缆的导体 类型电路的额定电压电路允许的电压差电缆的材料和芯数以及排列方式可以 计算出匹配电缆的尺寸电压电流温度以及所需电缆的长度此软件可将输出 数据直接保存为 excel 文件使繁杂的人工演算转化为计算机计算大大节省计算 时间提高了计

23、算速度而且节约材料和人工成本虽然此软件并不是单纯的电缆 设计计算软件但是它的一些界面处理值得我借鉴 cable solver software 是tension member technology 公司开发的用于电缆设计 分析和性能优化的工程工具 该公司根据大量的不同类型不同结构电缆的试验数 据来确认软件计算结果的精确性此软件具有几个特点输入和输出表格很容易读 取和打印电缆的截面可以用图显示可以编辑电缆的结构和材料特性可以运算 多至 16 层绝缘和外被但是此软件和vertex systems oy 公司开发的软件一样价格 太高 13 visual basic 语言简介 microsoft vi

24、sual basic 它提供了开发microsoft windows 应用程序的最迅速 最简捷的方法不论是 microsoft windows 应用程序的资深专业开发人员还是初学 者visual basic 都为他们提供了整套工具以方便开发应用程序 visual 指的是开发图形用户界面 gui 的方法不需编写大量代码去描述界 面元素的外观和位置而只要把预先建立的对象加到屏幕上的一点即可basic 第 2 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引 言 语言是一种在计算技术发展历史上应用得最为广泛的语言visual basic 在原有 basic 语言的基础上进一步发展至今包含了数百条语句函数

25、及关键词其中很 多和windows gui 有直接关系专业人员可以用visual basic 实现其它任何windows 编程语言的功能而初学者只要掌握几个关键词就可以建立实用的应用程序 visual basic 不仅是visual basic 编程语言visual basic 编程系统和vba 都使 用这一语言visual basic scripting edition vbscript 是广泛使用的脚本语言它是 visual basic 语言的子集这样在学习visual basic 中得到的经验可应用到所有这 些领域中 从开发个人或小组使用的小工具到大型企业应用系统甚至通过 interne

26、t 的 遍及全球分布式应用程序都可在visual basic 提供的工具中各取所需 数据访问特性允许对包括microsoft sql server 和其它企业数据库在内的大 部分数据库格式建立数据库和前端应用程序以及可调整的服务器端部件 有了activex 技术就可使用其它应用程序提供的功能例如microsoft word 字处理器microsoft excel 电子数据表及其它windows 应用程序 在应用程序内通过internet 或intranet 访问文档和应用程序或者创建internet 服务器应用程序 基于 windows 通过磁盘cd或网络共享来发布应用程序创建setupexe

27、 标准软件包 14 本章小结 电性能是电线电缆最基本的特性对于电力电缆尤为重要由于电力电缆在高 电压即强电场下工作对其电性能的要求是多方面的也是极为严格的 若是在 dos 环境下使用basic 或c 语言开发其可视性和数据输入输出与调试方面等都 不太理想且对软件编程软件维护人员要求较高 微软公司的visual basic 60 是windows 应用程序开发工具也是目前最为广泛 的易学易用的面向对象的开发工具由于visual basic 是一种可视化的编程语言 利用这种可视化技术进行编程我们将主要精力集中在解决实际问题和设计友好界 面上从而有效的提高了应用程序的运行效率和可靠性用vb 语言开发

28、本系统 是一个相对较好的选择vb 中activex 技术就可使用其它应用程序提供的功能例 如microsoft word 字处理器microsoft excel 电子数据表及其它windows 应用程序 同时我们利用visual basic 60 强大的功能实现了电力电缆计算软件全汉化的基本 第 3 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引 言 界面设计人员只需根据菜单选择相应的操作 简单易学故而用vb 语言开发 本系统是一个相对较好的选择 无论哪种电力电缆设计计算软件都不可能是最完美的总会有自身存在的不 足对于电力电缆设计人员而言实用才是硬道理在实际的设计工作当中我们 常常会对原有的产品

29、进行改型或是适应客户的特殊要求设计出一些不常用的规 格或是对某种产品的仿造因此应用 vb 语言开发电力电缆设计计算软件具有 非常实用的价值其友好的用户界面使计算单使用和开发起来非常的方便我们 还可以在设计实践中不断地进行完善使其功能越来越强成为一种既直观又高 效实用的计算机辅助设计软件 第 4 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 电力电缆概述 第二章 电力电缆概述 21 电力电缆概述 现今电能已成为人类生活中不可缺少的能源将电能从发电厂输送到各工厂 矿山农村送到千家万户离不开电线电缆可以说哪里有电哪里就有电线电缆 传送大功率电能的输配电线路通常用的是架空线和电力电缆而传送功率较 2 小在

30、工厂矿山船舶以及建筑照明用的都属于电气装备用电线电缆 电力电缆结构较复杂它不仅可以敷设于空气中而且还可敷设于地下水底 等可靠程度要求高的地方所以它除了有导电线芯外还有专门的绝缘层以及保 护绝缘层的保护层在电压等级稍高的情况下导体及绝缘还需要有屏蔽层 电力电缆结构复杂造价远比架空线贵的多但是它有以下的优点是架空线 无法比拟的 线间绝缘距离小占地少作为地下敷设时不占空间 对人身较安全送电可靠不受自然环境的影响 不易污染环境运行维护工作量较小 22 电力电缆基本结构 com 线芯结构及材料性能 电缆中线芯的作用是传送电流为了减少线路损耗的电压降一般采用高电导 系数的金属材料来制造电缆的线芯同时考虑材

31、料的机械强度价格来源是否合 适一般采用铜和铝作为电缆的线芯铜的电导率大机械强度相当高加工容易 易压延拉丝焊接铝的电导率仅次于银铜和金重量轻 为了增加电缆的柔软性和可曲度较大截面的电缆线芯由多根较小直径的导线 绞合而成由多根导线绞合的线芯柔软性好可曲度较大因为单根金属导线沿某 一半径弯曲时其中心线圈外部分必须伸长而其圆内部分必须缩短如线芯是由 多根导线平行放置而组成导线之间可以滑动因此它比相同截面单根导线作相 同弯曲时要省力的多但弯曲后变直时由于导线的塑性变形可能在线芯表面产生 凸出部分使电缆绝缘层中电场分布产生畸变并损伤绝缘为了保持线芯结构形 状的稳定性和减小线芯弯曲时每根导线的变形采用绞合结

32、构在绞合结构中线 第 5 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 电力电缆概述 芯中心线内外两部分可以互相移动补偿弯曲时不会引起导线的塑性变形因此线 芯的柔软性和稳定性大大提高 一般电缆线芯的绞合形式分为规则绞合和不规则绞合规则绞合指导线有规则 同心且相继各层依不同方向的绞合它还可以分正常规则绞合和非正常规则绞合 后者系指层与层间的导线直径不尽相同的规则绞合不规则绞合束绞是指所有 组成导线都依同一方向的绞合规则绞合的稳定性高几何形状固定在空间利用 和绞合设备成本方面来说束绞较为有利束绞填充系数较高相同截面面积外径 2 较小可曲度较高 电力电缆线芯按结构分为实心导体和绞合导体按外形分为圆形和扇

33、形 2 31 国家标准gb12706 规定的电力电缆的导体标称截面 mm 见下表所列 表2-1 导体标称截面 table 2-1 nominal cross-sectional area of conductor 15 25 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800 1000 com 绝缘层结构及材料 电力电缆的绝缘层材料应具有的主要性能有 高的击穿强度脉冲工频 低的介质损耗角正切tg 相当高的绝缘电阻 优良的耐树枝放电局部放电性能 具有一定的柔软性和机械强度 绝缘性能长期稳定 本文所介绍的绝缘材料主要是塑料材料例

34、如聚氯乙烯聚乙烯和交联聚乙烯 塑料绝缘的绝缘厚度一般按绝缘的工频和冲击强度的平均值计算确定但是在实 际工厂设计时根据标准中规定的一定绝缘材料一定电压等级一定导体标称截面 所对应的绝缘标称厚度来选取绝缘厚度然后再按绝缘的工频和冲击强度的平均值 计算绝缘厚度取其中大者 塑料电缆的击穿主要是由于绝缘层中的气隙杂质以及屏蔽层与绝缘层之间的 第 6 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 电力电缆概述 表面不平等缺陷在电场下引起部分放电而导致绝缘树枝放电而引起因此在实 际生产中应尽可能消除绝缘层中的气隙杂质 com 电缆的屏蔽层及护层材料 屏蔽层分为导体屏蔽层和绝缘屏蔽层 电缆线芯一般由多根导线绞合而

35、成线芯表面和绝缘层间易形成间隙另外表 面的不光滑会造成电场集中这样将使电缆电性能降低如局部放电特性树枝放 电特性等下降因此可以在线芯表面加一层半导电屏蔽层它能与绝缘良好接触 半导电屏蔽层与线芯等电位它们之间存在的间隙由于周围等电位则无电场作用 避免了局部放电另一方面在绝缘层表面与护套之间也可能存在间隙所以在电 压等级较高时绝缘表面上也需要屏蔽 多芯电缆按屏蔽形式分为统包型和分相屏蔽型两大类统包型电缆是指每相绝 缘线芯制成后绞合成缆在缆芯外再统包绝缘分相屏蔽指每相绝缘线芯制好后 包上屏蔽然后再成缆屏蔽形式不同绝缘内电场分布也不同统包型电缆的电 场分布时刻都在变化分布很不均匀电力线不沿绝缘芯径向这

36、类电缆称为非径 向型电缆其电场分布见图2-1 分相屏蔽型电缆各相间电场互不相关电力线沿绝 4 缘芯径向消除切向分量绝缘击穿强度将高的多其电场分布见图2-2 图2-1 非径向型 图2-2 径向型 fig 2-1 non-radial type fig 2-2 radial type 电缆护层的作用是保护绝缘在敷设运行过程中免受机械损伤和各种环境因 素如水日光生物等引起的破坏以保证电缆长期稳定的电气性能保证绝缘层 的性能不变护层分为金属护层和塑料护层金属护层的材料一般为铝钢带或钢 丝铠装铜带等因聚氯乙烯具有较高的机械强度和耐酸耐碱耐油性能所以 塑料护层的材料主要是聚氯乙烯 第 7 页 上海交通大学

37、工程硕士学位论文 第二章 电力电缆概述 23 电力电缆工艺流程及工艺控制 com 1kv10kv 电力电缆工艺流程 额定电压为 1kv 的电力电缆工艺流程见图2-3 所示额定电压为3kv10kv 的 电力电缆工艺流程见图2-4 所示 单线拉制 绞线 绝缘挤出 铜带屏蔽绕 成品检测 外护套挤出 金属铠装 内护套挤出 成缆 非铠装型 图2-3 1kv 电力电缆工艺流程图 fig 2-3 1kv power cable produce flow 单线拉制 绞线 绝缘内外屏蔽挤出 铜带屏蔽绕 成品检测 外护套挤出 金属铠装 内护套挤出 成缆 非铠装型 图2-4 3kv10kv 电力电缆工艺流程图 fig 2-4 3kv10kv power cable produce flow com 35kv 及以上电力电缆工艺流程 额定电压为35kv 及以上的电力电缆工艺流程见图2-5 所示 第 8 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 电力电缆概述 单线拉制 绞线 绝缘内外屏蔽挤出 铜带屏蔽绕 单芯局放测试 成品检测 外护套挤出 金属铠装 内护套挤出 成缆 非铠装型 图2-5 35kv 及以上电力电缆工艺流程图 fig 2-5 35kv power cable produce flow com 电力电缆工艺控制