大截面瓦形五芯塑力缆的设计与制造

1、哈尔滨理工大学成人(继续)教育学院毕业论文大截面瓦形五芯塑力缆的设计与制造摘要对于五芯电力电缆，从现有产设备情况出发，并考虑到电缆结构稳定性几何尺寸小、节约原材料、缩小结构外径、降低成本及接续安装方便等因素，开发了第五芯为中心圆形线芯，其外为瓦形主线芯和工作零线的五芯电缆。本文介绍了大截面瓦形缆芯五芯塑力缆的结构型式的选择，并提出了简化后的三种基本结构及其参数计算，以及导体中单线根数的选择与徘列。并着重对瓦形导体及其紧压轮孔型几何尺寸的设计计算作了介绍，并提出了五芯电缆生产工艺应注意的问题。关键词五芯电缆 瓦形导体 结构 计算A design of large cross-section fi

2、ve-cored power cable with segment conductorAbstract For five core power cables, from the current situation of production equipment, and considering the structure stability of cable geometry size is small, saving material and structure of narrow diameter, cost reduction and convenient installation fa

3、ctors in the fifth core, development as the center circle line, its core is the main core and tile five core work neutral cables. Article introduces large cross-section tile core five core plastic force cable structure, and puts forward the basic structures and three parameters are calculated, and t

4、he number of single conductor choice and the sanqu columns. And focuses on the tile conductors and tight pressure roller type geometry dimension design calculation are introduced, and puts forward five core cable manufacturing process problems should be paid attention to.Keywords： five-cored power c

5、able；segment conductor；const ruction design不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景1第二章 电缆线芯的结构形式 . 2第三章 瓦形线芯结构的计算形式 .6 3.1四瓦一圆结构计算 .63.2三扇一瓦一圆结构计算.73.3三扇二圆结构计算 . 7第四章 三大二小瓦形结构线芯的计算. 8 4.1几何模型的建立.9 4.2求解瓦形线芯大圆弧半径R . 10 4.3求解瓦形线芯其它参数.11 4.4塑力缆瓦形线芯的搭配 .12第五章 塑力缆瓦形线芯的模具设计.15 5.1瓦形线芯的外层压辊模

6、具设计 .15 5.2瓦形线芯的内层压辊模具设计 .16 5.3塑力缆瓦形线芯压辊模具设计示例. .17 5.3.1导体大圆弧半径计算17 5.3.2外层压辊的尺寸计算19 5.3.4内层压辊的尺寸计算20第六章 导体中单线根数及其线径的选择 .21 6.1单线根数的选择. 21 6.2瓦形线芯的关键工艺.22.结论23致谢24参考文献25千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- III -第1章 绪论1.1 课题背景电线电缆就是用以传输电磁能信息和实现电磁能转换的线材产品。电力的传输

7、实则为电磁能的转换。电力电缆是电力系统主网的主要元件。一般敷设在地下的廊道内，其作用是传输和分配电能，电力电缆主要用于城区，国防工程和电站等必须产用地下输电的部位。电力电缆主要由三大部分组成：（1）导体：出书电流，指导功率传输方式。（2）绝缘层：承受电压，起绝缘作用。（3）保护覆盖层：保护电缆绝缘不受外界环境的影响和防止机械损伤等。为了提高电气装置的用电安全和电器保护能力, 满足通信、自动化设备抗干扰接地的需要, 在低压配电线路中逐渐采用三相五线制将中性线和保护地线分开的五芯电力电缆越来越普遍。大截面五芯力缆采用瓦形结构, 实践证明是完全可行的, 也是最经济的。在此前, 电缆行业有很多作者发表

8、过多篇有关五芯电缆设计的论文, 我们都认同, 也从中学到了许多东西。但总有一个这样的感觉, 那就是几何模拟、数学计算太复杂, 太繁琐; 有些参数的加入好象是凭经验, 如瓦形弓弧所占角度、瓦形内外圆角的圆弧半径等。下面, 我们提出的这种新的, 自认为更直观、更准确、更简便的算法, 定有不足之处, 希望同仁多提宝贵意见。第二章 电缆线芯的结构形式IEG 364一5- 5480标准对零线导体和保护导体最小截面(两者均以S4表示)的规定为：当主线芯截面S16m ，S4= S；当主线芯截面为16<S<35mS4=16m。；当主线芯截面S>35m ，则S4=S/2。但是， 我国使用单位提

9、出的五芯塑力缆的零线和保护导体截面， 可以说是多种多样的。例如， 主线芯为3×70电缆的其他两芯有：50十16，50+10。35+10 25+10， 2×35，2×50，2×70，70+35等， 共8种组合。主线芯导体截面从25至240m 就有9个规格， 若再考虑每种规格的其他两芯各有8种组合， 则总共可有72个规格的五芯塑力缆。有时客户还要求生产VV 型3x 240+25+16的结构， 其他两芯的截面都只有s10。由此可知， 客户提出的五芯塑力缆的总规格数其实要大于72种。规格过多，会给生产上带来许多不便。以VV 型3×70+50+10为例，

10、 采用图1所示的四瓦一圆结构时， 若不考虑圆形绝缘线芯所用的模具，光四瓦中就有两种瓦形结构，其工模具需要两副并线模、两副压轮、四副成缆导向轮， 生产这一种规格的电缆就需准备8副摸具。72个规格的电缆，就应备有576副模具。图1 瓦形绝缘线芯结构示意图 有一张订单共有15种规格的五芯塑力缆，若按图1结构生产，同一截面线芯压制成瓦形对，其瓦形角就有51°、54°、60°、90°、95°、100°、103°等，内外圆弧半径又不一样，光模具就需要120副。为了在极短的交货期内完成生产任务， 尽可能使用厂中已有的扇形模具， 对以下5种

11、截面组合采用了3种基本的结构型式。(1)对于VV 型3×240+25+16的结构，采用了3个240m 的100°扇形线芯；将25和16 m 两个辅助线芯做成圆形线芯，并放在60°的扇形空间内，如图2所示。图2 3扇2圆五芯电缆结构示意图（2）对于vv型3×955010和vv型3×953516等结构，都是采用3个95m的93°扇形线芯，以及将10或16 m线芯制成圆形，而将50或35 m线芯制成瓦形为81°的瓦形线芯；圆形和瓦形的绝缘线芯都放在81°的扇形空间内，如图3所示图3 三扇一瓦一圆五芯电缆示意图 （3）对于

12、VV 型3×95+ 35+25、3×70+25+10及3×70+35+lO等结构，主线芯都采用90°的扇形线芯； 小的辅助线芯做成圆形， 大的辅助线芯做成90°瓦形， 都放在90°的扇形空间内，如图3所示。后因25 m的90°瓦形导电线芯的压轮设计有困难，故改为85°的瓦形， 但放在90°的扇形空问内略有空隙。( 4)对于VV 型3×95+2×50、3×70+50+16、3x150+2 X70以及其他三大两相等小截面的五芯电缆的结构， 都可采用如图1所示的这种型式，但应注意如

13、下两点：的取值可参见表2。从表中数据可以推论其他规格电缆的“和 的选取方法； 表2 2 及2 选取实倒芯数×截面（芯×m） 瓦形角芯数×截面（芯×m） 瓦形角 2 2 2 23×25+3×16100603×120+2×70100603×35+3×16103513×150+2×70103513×50+3×50102543×185+2×95103543×70+2×35102543×240+2×1201

14、02543×95+2×50100603×70+50×169575中心圆形的线芯一定是最小截面的绝缘线芯，如3×70+50+16中的16m及如3×95+2×50中的50。若后者的中心放的是95 m ，则外侧的95m 的瓦形角为112°，其压制困难较大些。(5)对于VV 型5×95和4×25+6，也就是五大和四大一小的结构， 都采用90°瓦形角的瓦形线芯。其排列同图1，只是2a=2=90°第三章 瓦形线芯结构的计算形式3.1四瓦一圆的结构计算 瓦形结构的计算，就是要求出图1中瓦形

15、导体的内圆弧半径R2（=OA），外圆弧半径R3（=OI）和瓦形角2及2，对于导电线芯相对应的是图1中的OA,OI和2或2，以及与之对应的绝缘线芯内圆弧半径R1(=OT),R4(=OL)和瓦形角2及2（2=2及2=2），再求出五芯电缆的缆芯成缆外径；然后根据GB 2952.3-89标准选定护套厚度。这就完成了整根电缆的结构设计计算。 计算时， 圆形绝缘线芯及扇形绝缘线芯的绝缘厚度t 按标准规定选取， 所以都作为已知量； 瓦形角2及2的选取原则参照表2。以下只叙述各圆弧半径如何求得。鉴于中心圆形绝缘线芯的半径R l=OT为已知，而且R1即为瓦形绝缘线芯的内圆弧半径，所以瓦形导体的内圆弧半径R2为：

16、R2=OA=R l+ t=OT +tB点为瓦形导体两边线延长线的交点。由于同一截面瓦形导电线芯和瓦形绝缘线芯的瓦形角相同， 所以B点到瓦形绝缘线芯两边线的垂直距离都是 t,所以OB=tsinBA=R 2一OB=OAOB而瓦形导体的计算截面S 1l为其标称截面S标与紧压系数比，即 S计=S标所以，瓦形导体的外圆弧半径风为：所以，瓦形导体的外圆弧半径 R3为： R3=OI=BL+OB瓦形绝缘线芯外圆弧半径R4为 R4=OL=R3+t=OI+t最后得出的成缆外径为： 成缆外径=2R4=2×OL从上述可知，通过计算可求得R1,R2,R3,R4,以及成缆候外径。3.2三扇一瓦的结构计算圆弧半径

17、，R设为圆形绝缘线芯半径（已知）；R1为瓦形绝缘线芯内1=OT=+sin。其他符号和计算步骤和四瓦一圆的结构计算相同。由此，瓦形导体的内圆弧半径R2为 R2=OA=OT=tB点为瓦形导体两边线延长的交点。由于同一截面瓦形导体和瓦形绝缘线芯的瓦形角相同，所以B点到瓦形绝缘线芯两边线芯的垂直距离都是t。所以 OB= t/ sin BA=R2-OB=OA-OB与图1计算同理， 所以，瓦形导体的外圆弧半径R3为： R3=OI=BI=OB瓦形绝缘线芯外圆弧半径R4为： R4=OL=R3+t=OI+t 为了利用已有的扇形模具和节约材料，必须使用OL扇形绝缘半径（即图3中R5）。 最后得出成缆外径为 成缆外

18、径=2×R53.3三扇二圆的结构计算 由于扇形绝缘半径R5是一直的所以与上述相同，成缆外径=2×R5，并同样要求O LR5。 第四章 三大二小瓦形结构线芯计算4.1几何模型的建立图l为瓦形线芯结构的轮廓形状，图中各符号及其说明见表l。在瓦形线芯结构设计中，确定瓦形线芯大圆弧半径R是关键。根据图l，可逐步分析进行。 由以上各式经整理得 由此建立如下方程 当瓦形线芯结构和工艺参数确定后，可用S1逼近瓦形线芯计算截面S，所以视S1为已知参数。由工艺设计知 式中，d为单线直径，mm,g1为内层单线根数；g2为外层单线根数；为紧压线芯延伸系数（1.0351.040）；为紧压线芯填充系

19、数（0.830.90）。方程f(R)为超越方程，采用一般数学方法较难求出R值.4.2 求解瓦形线芯大圆弧半径R经典求解瓦形线芯打圆弧，一般采用“牛顿迭代法”，其迭代公式为采用“牛顿迭代法”，只要少数几次迭代就可以得到结果。其计算精度完全满足工艺上的要求。为了优化计算法，减少迭代次数，引入方程f(R)初解R0。令r1=r2=0，因TR，故认为：2T/R,ctg2R/T,f(R)化解为此方程为一个以R为未知数的一次二元方程，解此方程（取其正根），得4.3 求解瓦形线芯其它参数 在求解出R的基础上，即可求出瓦形线芯的全部参数。(1)内弧半径 内弧半径r1 、r2 由下式给出，修正系数由表2给出。式中

20、，k 1为瓦形线芯底侧圆弧半径修正系数； k2为瓦形线芯边侧圆弧半径修正系数；S0为瓦形线芯标称截面m 。 表2 圆弧半径修正系数 （2）瓦形线芯其它参数瓦形线芯高度 瓦形线芯最大高度 瓦形线芯宽度瓦形线芯周长瓦形线芯相当圆直径4.4 塑力缆瓦形线芯的搭配按国家标准GBl270691的规定，主线芯、地线芯和保护线芯的搭配规则如表3，对塑力缆瓦形线芯的搭配来说，也可以按表3搭配。其结构如图2所示。表3 瓦形线芯的搭配 图2 瓦形线芯结构示意图根据文献2，图2中瓦形绝缘线芯各参数的几何关系符合下列方程组式中，S 为瓦形主线芯计算截面积，m；R 1为瓦形主线芯圆弧半径，mm；t1为瓦形主线芯绝缘厚度

21、，mm； 1为瓦形主线芯半中心角，rad；r11 为瓦形主线芯中弧半径，mm； r12为瓦形主线芯z中弧半径，mm；11为瓦形主线芯半中心角与瓦形主线芯内圆弧半中心角之差，rad；12 为瓦形主线芯半中心角与瓦形主线芯外圆弧半中心角之差，rad；S0为瓦形地线芯计算截面积，m ；R。为瓦形地线芯圆弧半径mm；t0为瓦形地线芯绝缘厚度，mm；2 为瓦形地线芯半中心角，rad；r 31为瓦形地线芯边弧半径，mm；r32 为瓦形地线芯边弧半径，mm；21以，为瓦形地线芯半中心角与瓦形地线芯内圆弧半中心角之差，rad；22 为瓦形地线芯半中心角与瓦形地线芯外圆弧半中心角之差，rad； m为瓦形主线芯个

22、数； n为瓦形地线芯个数；R。为保护线芯绝缘半径mm。使用MATHCAD软件中求解方程组模块 J，在Given和Find关键诃中间列出上述方程组，并由其附录1程序即可求出表3所示的推荐搭配.6.4瓦形绝缘线芯搭配的扩展应用由于受到生产设备和工艺条件的限制，地线芯仍有采用非紧压和紧压圆形绝缘线芯，其结构如图3。根据文献2，并设圆形地线茄导体直径为D则有如下方程组图3 瓦形线芯结构示意图适当调整 、D 和R。，并且使R 一(R。+D+)05，即可满足工艺计算的要求。表4为由线芯截面积185、95、70m 组合结构计算结果。 表4 组合结构计算 第五章 塑力缆瓦形线芯的模具设计由瓦形线芯结构设计可得

23、图7-1瓦形线芯压辊示意图，压辊一般由二层上下压辊构成，上下压辊间留有间隙 (如0。5mm)图7-1 瓦形线芯压辊示意图5.1瓦形线芯的外层压辊模具设计 由结构图知，得：下压辊宽度： 下压辊高度： 上压辊宽度： 上压辊高度： 上压辊圆弧半径：5.2 瓦形线芯的内层压辊模具设计假定经紧压后外层导体的平均厚度为E外层占有面积为Sw ，则有式中，Sw为外层占有面积，m;E为外层导体的平均厚度，mm;Do瓦形线芯相当圆直径，mm；g2为外层单线根数；为紧压线芯延伸系数(1O351040)； 为紧压线芯填充系数(08309O)。解得：令：则：下压辊宽度：下压辊高度：上压辊宽度：上压辊高度：上压辊圆弧半径

24、：5.3 塑力缆瓦形线芯的压辊模具设计示例下面以塑力缆VV061 kV，4×185+1×95瓦形线芯的压辊模具设计为例，展示用MATICAD的计算过程。5.3.1 导体大圆弧半径计算令：（1）典型法示例标称截面（m）：S0=185，绝缘厚度：t=2,单线直径：d=2.53，线芯扇形角（°）：=90 线芯扇形角之半：=2·drg=0.785内层单线根数：g1=19外层单线根数：g2=18紧压填充系数：=0.85紧压延伸系数：=1.040底弧半径修正系数：边弧半径修正系数：线芯边弧半径：输入中心绝缘半径：ro=7.4;计算扇形瓦形线芯结构（y）; 取中心绝缘

25、半径：导体计算轮廓截面：利用求解瓦形线芯方程：大圆弧半径：线芯中心部位高度：线芯最大高度：高度差：线芯宽：线芯周长：线芯相当圆直径：（2）MATHCAD编程语言的牛顿迭代法示例建立自定义函数 调用该函数：5.3 .2外层压辊的尺寸计算 令：得：外层下压辊宽度：外层下压辊弓高：外层上压辊宽度：外层上压辊高度：外层上压辊底弧半径：5.3.3内层压辊的尺寸计算我们设想，经紧压后内层与外层之间的平均厚度为E，由图可得：令：内层下压辊宽度：内层下压辊弓高：内层上压辊宽度：内层上压辊高度：内层上压辊底弧半径：第六章 导体中单线根数及其线径的选择6.1单线根数的选择为了压制成不同角度的瓦形， 选用的导体结构

26、如表3所列。其确定的原则是t(1)单芯的和BV型产品结构相同。理由是GB 5023标准有明确规定的单线根数和单线直径它又符合GB 12706和GB 3957等标准的要求。统一采 用， 可以简化线芯的管理。(2)50m 及以下的多芯电缆的导体，都采用12根单线的结构，其中心3根单线平行放置。根据中心滑移原则， 它能随着半圆形、扇形和瓦形的需要，排列成不同的形状。3根单线排成水平直线时，压成瓦形最好。单线根数再多，则单线直径太小，易断。表8-1 导体的结构表 【单位：单线根数单线直径】(3)7050 m导体都可能是主线芯或辅助线芯。当它们的瓦形角为51°、5 4°或60

27、6;时， 即采用单芯的圆形结构； 瓦形角大的，采用4+2+13或7+2+15的结构，其中2根单线是平行排列的。加大线芯的宽度，用并线模控制，使压型的成品能接近设计的瓦形宽度。并线后线芯的高度太于瓦形高度l并线后线芯的宽度不能大于瓦形压轮槽形的宽度， 否则就会有飞边现象。但并线后线芯宽度太小，瓦形宽度就难以保证。(4)185300 m的线芯，因该厂只有12+18500型绞线机， 故都只能采用4+2+13+18的结构。按GB 12706及GB 3957标准的规定，紧压铜线芯中的单线不能小于30根或34根。该厂现都用37根单线，故是符台标准要求的。6.2瓦形结构的关键工艺(1)成缆时，为防止某相瓦形绝缘线芯翻身， 对于能生产扇形绝缘线芯的电缆厂则是可通过预扭来解决的。照好在成缆机的分线盘上装上一些导向轮， 使每一瓦形芯有一对导向轮， 导向轮的槽形就是绝缘线芯的外形，这样则使翻身的可能性更小了。(2)挤绝缘时，圆弧形的凹面向上，采用挤管式挤出。这可防止因塑料自重而在导体凹型面中有堆集， 使绝缘线芯能保