电力电缆设计原理(电缆设计)

1、第一章 绪论1.1电线电缆的分类电线电缆作用：用于传输电能、磁能信息以及实现电磁能转换的线材产品。基本分类：1. 裸电线：无绝缘，包括金属单线和架空线；2. 电力电缆：在电力系统的主干线路中用以传输和分配大功率电能的电缆；3. 电气装备用电线电缆：从电力系统的配电点把电能直接送到各种用电设 备的电源连接线路用电线电缆及各种电器安装线。a 低压配电电线电缆b 信号和控制电缆c 仪器和设备连接线d 交通工具用电线电缆e 地质资源勘探和开发电线电缆f 直流高压电缆g 加热电缆（油田使用）（自限温电缆）h 特种电缆：耐高温、防水、核电站4. 绕阻线（电磁线）：漆包线、绕包线 5. 通信电缆和通信光缆：

2、用于电能传输和分配的电缆（1）电流形式：交流电缆、直流电缆（2）电压等级 交流 中低压35KV 高 压330 KV 超高压1000 KV 特高压1000 KV 直流 高 压200 KV 超高压800 KV 特高压800 KV 按绝缘材料分类 橡皮绝缘电线电缆、塑料绝缘电缆（PVC、PE、PP、PTFE、XLPE） 浸滞纸绝缘电力电缆、充油电缆、充气电缆（惰性气体）：六氟化硫 按安装位置分类架立电缆、架空电缆、地下电缆、水下电缆（跨河、跨江、海底电缆）架立电缆与架空电缆相比，架空电缆安全性高，占用空间小 按导电性能分类：普通电缆、低温和超导电缆12电线电缆基本组成部分及材料1. 线芯作用：传导电

3、流要求：导电能力要好；易加工；价格适中；机械性能好。主要材料：铜、铝铜：电阻率=0.017241×10-6 ·m， 电阻温度系数=0.00393/，导电性仅此于银铝：电阻率=0.026×10-6 ·m，电阻温度系数=0.00403/，导电性在银、铜、金之后，位居第四。电阻温度系数：表示温度每升高1，电阻的增加倍数。1. 质量相同时的体积2. 电导值相同时的截面3. 负载相同时的截面4. 电阻值相同时的质量 主要结构 a. 单线：导线截面较小的为单线，截面I一般10mm2以上16 mm2以下的电缆；截面较大的优先考虑绞合线芯，截面I一般10mm2以上25

4、mm2以下的电缆； 结构有：圆线、双金属圆线、有镀层圆线、中空圆线 扁线、双金属扁线、中空扁线 弓形单线、Z型单线、扇形单线、梯形单线、多边形单线、双形单线 b. 绞合线芯：柔软、弯曲性好 绞合形状：圆形、扇形、椭圆形 c. 扇形线芯：电缆的导电线芯截面在35 mm2以上的多采用多芯扇形芯结构 特点：结构紧凑，减小电缆外形尺寸，节省材料，结构稳定 d. 铜芯铝绞线：自承重电线电缆（架空线） e. 分割线芯：减小集肤效应，临近效应；每块扇形外层均包绝缘膜，由于等电位不会击穿。 集肤效应：指工作时，电缆表面电流很大，而中间很小。 临近效应：指两端靠近电缆工作时，靠近部分电流大于远离部分。 分为两种

5、：一种是非紧压型；一种是紧压型。 紧压型特点：结构紧凑，线芯表面光滑，减小多导丝效应，节省材料。 f. 中空线芯：主要用于充电电缆。2. 绝缘材料 作用：承受电压 要求：电性能好，损耗小，耐电晕性好，化学稳定性好，耐低温性好，耐热性，易加工，寿命长，价格合理 种类： a. 橡胶、丁苯橡胶塑、天然橡胶、PVC、PEb塑料c纸、油d气体、SF6第二章 电力电缆结构110KV以上输电线路；35KV及以下配电线路2.1 浸油纸绝缘电力电缆 电缆纸：纤维素（C6H10O5）n、电缆油、松香 典型结构： 单芯：线芯、内半导电层（材料：金属化纸、半导电纸）、绝缘、外半导电层、铝套、内衬层、铠装、外护层 半导

6、电层作用：a 均化电场，绝缘内外平整，使突起屏蔽于半导电层之内；b 避免线芯局部放电，内半导电层与线芯等电位，使二者之间的气隙不受此场力的作用。内衬层：非金属材料作用：防腐防潮；衬垫防止两层金属之间摩擦。外护套：a 防腐防潮（保护铠装）；b 机械保护；c 单绝缘电力电缆（贫乏浸渍纸绝缘），用于10KV以下；d 不滴流电力电缆：带绝缘，在线芯成缆之后，在相绝缘外绕包一层绝缘带。（见P8图2-3）为什么要加带绝缘？因相绝缘厚度是按相间平板电场分布计算的，即2倍的相绝缘承受线电压，则对金属层间仅有一个相绝缘承受相电压，而每个相绝缘只能承受倍相电压，故要加带绝缘。径向型电缆：只存在径向电场，单芯及分相

7、屏蔽（铅包）多芯电缆。非径向型电缆： 存在径向和与其垂直的切向电场，降低电缆击穿强度。（分相铅包的目的是得到径向型电缆） 电缆弯曲时，带绝缘将变形，易产生气隙，降低其电气性能。2.2 橡皮绝缘电力电缆橡皮绝缘弹性好，具有低的透水性，较好的化学稳定性和电气性能，最早绝缘电线是用马来树胶做绝缘的。常用于电缆绝缘的橡胶种类：（1） 天然橡胶（2） 丁苯橡胶（丁二烯、苯乙烯聚合）（3） 丁基橡胶（异丁烯、异戊二烯共聚物）（4） 氯丁橡胶以上几种橡胶由于含不饱和双键，故耐臭氧性、耐老化性较弱，击穿场强较低，主要用于6KV及以下电压等级。（5） 乙丙橡胶（乙烯、丙烯共聚物）不含双键，故故耐臭氧性、耐老化性

8、极大提高，为了改善其硫化性能，加入第三单体（双环成二烯），得到三元乙丙橡胶，可用于高压绝缘。电缆典型结构：1. 单芯2. 二芯：可平行排列或制成扁平电缆3. 三芯、四芯：结构基本同浸渍纸绝缘电力电缆，6000V以上加半导电屏蔽层。成缆后加护套，作用是不受光、潮气、化学侵蚀和机械损伤材料：为PVC、氯丁橡胶、铅等。金属材料比塑料（非金属材料）防水性好。（如：铅套、铝套）2.3聚氯乙烯绝缘电力电缆 PVC塑料由PVC树脂添加增塑剂、润滑剂、防老剂、抗氧化剂等，其价格低，生产效率高，化学稳定性好，但由于其为极性材料，介质损耗大，击穿场强低，故只能用于较低电压绝缘。（6KV以下）。 此材料绝缘电力电缆

9、价格低，较浸渍纸绝缘电力电缆生产、敷设方便。电缆的典型结构：单芯： 线芯、绝缘、护套二芯： 线芯、绝缘、填充、无纺绕包带、护套（PVC或PE） 线芯、绝缘、填充、无纺绕包带、内护套（内衬层）、铠装（涂漆钢带或镀锌钢带）、外护套三芯： 线芯（圆形或扇形）、绝缘、填充、无纺绕包带、护套（PVC或PE） 线芯、绝缘、填充、无纺绕包带、内护套（内衬层）、铠装（涂漆钢带或镀锌钢带）、外护套 四芯：结构同上 线芯：四个扇形、三个扇形+一个圆形、四个圆形 五芯：结构同上 线芯：同截面的五个圆形、三个同截面+二个同截面、四个同截面+一个同截面电缆型号：类别、用途：N农用 C船用 K控制 P信号绝缘：VPVC绝

10、缘 Z纸绝缘 YPE绝缘 YJ交联聚乙烯 FYJ辐照交联聚乙烯线芯：L铝 T铜 可省略内护层（衬层、护套）：VPVC YPE Q铅 H橡套 F氯丁橡皮 L铝铠装：0无铠装 1连锁钢带铠装 2双钢带铠装 3细圆钢丝铠装 4粗圆钢丝铠装外护套：0无护套 1纤维护套 2PVC护套 3PE护套特征：CY充油 D不滴流 F分相护套 P屏蔽 Z直流 ZR阻燃 TZR特种阻燃 WZR无卤阻燃例：YJLV23-21/35 3×150（GB12706.3-91） 表示铝芯聚乙烯绝缘双钢带铠装聚乙烯护套电力电缆，额定电压为21/35（表示相电压/线电压），三芯，标称截面150mm2的电力电缆。 2.4

11、聚乙烯、交联聚乙烯绝缘电力电缆 优点：具有良好物理机械、介电和工艺性能。 交联聚乙烯具有空间网状结构，耐热性、耐环境、应力开裂性等提高，近年来广泛用于低、中、高压电缆绝缘。 （预计上两种绝缘电缆在中低压领域最终完全取代浸渍纸和聚氯乙烯绝缘电缆） 存在四种PE交联方法： 两种物理交联：辐照交联、紫外光交联 两种化学交联：过氧化物交联、硅烷交联 交联聚乙烯电缆优点：电性能好 传输容量大，长期工作温度可达90 重量轻 可垂直、高落差敷设 耐化学稳定性好 安装、维护方便（1） 中、低压电缆的典型结构：线芯、绝缘内屏蔽（交联聚乙烯绝缘）、半导外屏蔽、铜带屏蔽、护套 三芯结构：铜或铝导线、内半导电屏蔽、交

12、联聚乙烯绝缘、聚烯烃外半导电屏蔽、铜带屏蔽、聚丙烯绳或PVC填充条、无纺布包带、聚氯乙烯或聚乙烯绝缘、涂漆钢带或镀锌钢带、聚氯乙烯或聚乙烯外护套 35KV三芯胶料聚乙烯绝缘水低电缆结构（见P7 图2-2）半导电屏蔽作用：均化电场，绝缘内外平整，使突起屏蔽于半导电层之内； 限制电场 避免线芯局部放电，内半导电层与线芯等电位，使二者之间的气隙不受此场力的作用。 金属屏蔽作用： 统包或分相绕包 传导泄露电流，充电电流和故障电流（主要用于中高压电缆） 降低外来电磁场的干扰 保证电场径向分布（2） 高压电缆结构 （220275KV）P18结构是老结构新结构是：导体、导体屏蔽、XLPE绝缘、绝缘屏蔽、缓冲

13、层（半导电材料）、皱纹铝层、外护套、半导电涂层（石墨） 皱纹铝套作用：径向阻水，同金属屏蔽 波纹铝护套内加钢丝层是在出现故障时导电流提交联聚乙烯绝缘电缆绝缘性能的措施： 挤内外屏蔽层 采用超净绝缘料 多层共挤 干式交联工艺（无水）高压下交联聚乙烯绝缘的树枝化老化：根据树枝化放电的形态和生成机理，可分为电树枝和水树枝：（1） 电树枝 分枝少而清晰，呈树枝状 电树枝产生的根源：绝缘层内部的气隙、杂质和屏蔽层的缺陷；气隙可能产生于电缆的制造过程，机械应力，气隙中的放电导致了树枝的形成和发展 杂质和屏蔽层缺陷的存在导致局部的电场集中，因而导致树枝化的形成和发展 在高电场作用下，电极发射的电子进入介质并

14、与介质分子碰撞，引起介质破坏，导致树枝的引发（2） 水树枝 主干树枝较粗，分枝多且密集，树枝管有的大体不连续，内凝聚有水分 水树枝主要是由于水分浸入绝缘层在电场作用下形成。 引发树枝的空隙含有水分，较低电压下即可发生。 电树枝、水树枝的产生与发展是电缆的击穿场强下降，寿命缩短，抑制树枝化放电的形成，主要方法如下：1. 采用半导电屏蔽，消除导致电场集中的缺隙2. 净化原料，采用多层共挤技术和干式交联工艺，进行封闭式生产，防止杂质的引入和水分污染3. 减小气隙数目和尺寸4. 加入电压稳定剂，减少电子注入的能量2.5 充油、冲气、超导电缆2.5.1 充油电缆 特点：用补充浸渍剂的办法消除因负荷变化而

15、在油纸绝缘层中形成气隙，以提高电缆的工作场强。 分类（根据护层结构） 自容式充油电缆：铅或铅护套 钢管充油电缆：整根屏蔽电缆拖入一无缝钢管内（1） 自容式充油电缆阻止式连接头盒：使电缆油流互不相通，以限制电缆净压力和故障影响区。 电缆的典型结构： 单芯：中空线芯 a具有螺旋支撑 b. 由型线构成 c. 分割导体 油道位于线芯的优点：即使补充电场强度最大处的绝缘层，提高电气性能，集肤效应小。（金属对电缆油老化有催化作用，铜的催化作用显著，而锡、铝较小，因此铜和铜带需要镀锡） 螺旋支撑结构柔软性好，型线结构稳定性好，分割线芯结构可消除集肤、临近效应。型线表面刻有沟槽，以保证油道与绝缘相通。 护套采

16、用铅、铝或合金。（2） 钢管充油电缆 特点：无中心油道 内屏蔽用半导电纸，外屏蔽用打孔铜带 打孔铜带屏蔽层外缠23根半圆形青铜丝，增加强度，防止损伤屏蔽层、绝缘层，便于浸渍剂流动2.5.2 冲气电缆 主要用于超高压、大容量传输电能，绝缘为SF6压缩气体。 线芯：铜或铝 绝缘支撑：氧化铝或双酚环氧树脂，单芯园板式，三芯柱式。 单芯：非铁磁性材料，不锈钢或铝，防止产生感应电势 三芯：无缝钢管或铝管2.5.3 低温及超导电缆 低温电缆：高纯度铜和铝的电阻在低温下大幅度降低。在液氢（20K）或液氮（77K）下，损耗降低，散热能力提高，传输容量增加。 绝缘层：液氢或液氮浸滞非极性合成纤维纸（如聚乙烯合成

17、纸）、真空 液氢、液氮结构：1.导线 2.绝缘 3.护层 4.液氢 5. 电磁屏蔽压力管 6.真空热绝缘 7.防蚀钢管 真空绝缘：1. 液氮 2.导线 3.真空绝缘 4. 屏蔽管 5. 热绝缘 6. 防蚀钢管 超导现象：某些金属和金属化合物在某一温度下直流电阻率几乎等于零的现象。 超导临界温度：导体呈现超导现象的最高温度。 超导电缆：工作在导体线芯超导临界温度以下的电缆（液氦4.2.K） 线芯材料：基体（铜、铝） 超导体：钛铌合金（NbTi）及铌三锡化合物（Ni3Sn） 绝缘层：液氮、真空、浸滞液氦的塑料薄膜或纤维。第三章 电力电缆的主要电气参数电力电缆的主要电气参数：导电线芯的有效电阻 绝缘

18、电阻 电感器 电容电缆的电气参数决定电缆的传输性能电缆的传输容量由它的各部分损耗发热、绝缘材料的允许最高温升和热阻来决定，而各部分损耗发热需根据电缆的电气参数来计算。电缆的电阻、电容或其变化量往往用来作为电缆工艺检查或预防性试验的指标。电力电缆的电气参数由电缆各组成部分材料性能（电阻系数、介电常数、磁导系数）和电缆结构的几何尺寸所决定。因此，根据电缆结构尺寸可以计算电缆的电气参数，根据线路对电气参数的要求可选择、设计电缆的结构尺寸。导电线芯电阻 单位长度导电线芯的直流电阻 A 线芯截面积。 或20 20时线芯材料的电阻率 电阻温度系数，表示温度每升高一度，导体电阻增加的倍数k1 考虑单根导线加

19、工引起电阻率增加引入的系数（1.021.12），与导线直径大小，金属种类，表面是否有涂层等有关k2 考虑多根导线绞合会使单线长度增加引入的系数（1.001.04） 实芯k2=1 紧压绞合线芯k2=1.02（200mm2以下）1.03（250mm2以上） 非紧压绞合线芯k2=1.03（4层以下）1.04（5层以上）k3 考虑紧压引起电阻率增加而引入的系数（1.01）k4 考虑成缆绞合使线芯长度增加引入的系数（1.01）k5 考虑导线允许公差引入的系数（1.01） 紧压绞合线芯k51.01 非紧压绞合线芯k5=，d 线径，e 公差 单位导电线芯交流电阻（有效电阻） R=R（1+Ys+YP） Ys

20、集肤效应因数，由于集肤效应电阻增加的百分数 YP 临近效应因数，由于临近集肤效应电阻增加的百分数 当Ys、YP不大于2.8时，其值可按P29 （3-3）、（3-4）、（3-5）公式计算。 线芯外径，对于扇形芯它等于截面积相同圆形芯的直径；S线芯中心轴间距离，对于扇形多芯电缆，S=,为线芯间绝缘厚度，其值为前面的计算值的。 常数，1500以下的四扇形分割线芯，;图像中空线芯 线芯内径（中空油道直径）具有相同中心油道等效实线芯外径，其它结构线芯.常数，1500以四扇形分割线芯，=0.37，其它结构线芯=0.8或13.2电缆的绝缘电阻圆形单芯电缆的绝缘电阻单位长度上dR=dx 绝缘体积电阻率单位长度

21、上绝缘电阻RR=dx=ln=lnR=G G= ln几何因数 其他也可利用曲线图求得多芯多电缆的绝缘电阻圆形多芯电缆：R=G 扇形多芯电缆R=GFF扇形校正系数，其值可利用曲线图求得D与扇形线芯截面积相同圆形芯的直径（D绝缘层的外径，D绝缘层的内径）G三芯（双芯）电缆之三芯（双芯）连接在一起对于护套间的几何因数G每相工作绝缘电阻的几何因数交流下的泄漏电阻（介质耗损）W=UCtg R=3.3电缆的电容电缆线芯与接地的金属屏蔽层构成下电容器的两极电缆电容决定着线路中电容电流的大小在超高压电缆线路中，电容电流可能达到与电缆额定电流相比拟的数值，成为限制电缆容量和传输距离的因素。电缆电容也可用于检查电缆

22、工艺质量、绝缘质量变化等。C= C=(平板电容器，均匀电场)C电容，Q电量， U电压， S电容器面积， d电容器极板间的距离圆形单芯电缆的电容（线芯对金属护套的电容）= E×2x×1=则有E= q单位长度线芯所带电荷（电荷线密度）又=dx=ln C= =8.86×10F/m从而有C=(F/m)圆形多芯电缆的电容（线芯连在一起对金属护套的电容）C=(F/m)扇形多芯电缆的电容（线芯连在一起对金属护套的电容）C=(F/m)例3-3计算例3-2电缆的绝缘电阻与电容（单芯）已知：=5×10 =3.5 tan=0.003解：D=线芯直径+内屏蔽层厚度×2

23、 =29.3+0.85×2=31.0（mm）=20mm/D=20/31=0.645 查表得：G=0.82单位长度绝缘电阻：R=G=6.5单位长度电缆电容：C=2.39F交流电压下绝缘电阻:R=4.4R几乎为R的100倍3.4.1 单相线路电缆的电感（H/m）与线芯相链的磁通分为两部分：线芯内部的磁通链，它所产生的电感称为内感（Li）线芯外部的磁通链，它所产生的电感称为内感（Le）=BS 线芯电感L：L=Li+Le或L11-M21L11、M21自感、互感（1）内感据安培环路定律可得： 线芯材料铜、铝为非铁磁性材料，其磁导率为0（4×10-7）在圆筒（厚度为dx，长为l）内的储

24、能为：从而长为l的线芯储能为：又有： 所以单位长度线芯的内感为： 多根导线综合线芯的内感值比计算值略大，但在工频范围内，内感值所占比例很小，仍可按上式计算。 对于中空线芯（D0中空油道内径） 上式比较复杂，通常利用简化公式进行计算： （3） 外感 由图有：穿过单元面积ldx的磁通因此在单相线路线芯外磁通：若s，则对每根电缆而言，磁通链为其一半，固每单位长度电缆外感Le为：固单相电缆回路每单位长度电缆线芯之电感为+（H/m）3.4.2 多相线路电缆的电感（H/m）（1）三根电缆组成的三相对称交流回路，正三角形敷设 +（2）三根单芯电缆组成三相对称 交流回路在同一平面内等距平行敷设 + + 若ln

25、2，则可近似认为： （H/m） 在实际运行中，为了保证传输线路平衡运行，需进行换位，此时电感可取三段电缆电感之平均值。 （H/m） 当 （等距平行敷设）3.5 电缆金属护套中的感应电势3.5.1 平衡负载下电缆金属护套中的感应电势 电缆金属护套可以看成一薄壁圆柱体 金属护套的厚度比护套层的直径小得多，因此与外感相比，内感可以忽略不计。 单位长度电缆护套的电感可表示为： Ds电缆护套平均直径从而单位长度电缆金属护套的感应电势为：或 3.5.2电缆线芯短路情况下电缆金属护套（屏蔽）中的感应电势 电缆允许短路电流一般为额定负载电流的十几倍至几十倍 电源原有负载电流可忽略不计 （1）单相短路 Se土地

26、等值回路深度，即等值回路与短路电缆中心距离 忽略B、C相的影响，则A相护套中的感应电势为： A相电缆金属护套对E（接地）点和对地最大电势（电缆长为l）（p37图3-6，7） Se可取1000m，或按经验公式计算 Se= e土地电阻系数 （2）两相短路 两边相短路时在金属护套中产生的感应电势最大 两相短路时短路电流不以大地为回路，没有短路电流流经接地电阻，故接地点（E）电位为零。A相金属护套对地最大电势也就是金属护套中最大感应电势。 单位长度电缆金属护套的感应电势为： （3）三相短路 三相短路电流也不以大地为回路 两相、三相短路时，短路电流不以大地为回路，它在金属护套产生的感应电势比单相对地短路

27、时小。因此为降低护套对地感应电压，首先必须降低单相对地短路时的感应电势和接地电阻。 为降低单相对地短路时金属护套上的感应电势，通常采用“三七开”回线。 短路电流经过回线 （p38图3-8） 排除电网接地电阻的影响 回线与三根电缆的距离相等 在正常运行条件下回线感应电势为零，不产生损耗 极大降低了单相短路电流在金属护套中感应电势 S1=1.7S S2=0.3S S3=0.7S3.5.3 为减小电缆金属护套感应电势所采用的几种护套连接方法 电缆金属护套中的感应电势与电缆长度和线芯电流成正比 一般应使金属护套两端或多点牢固接地 若护套通过接地形成回路，则会产生感应电流，形成损耗，降低了电缆的传输容量

28、 为减小电缆金属护套感应电势所采用的具体措施 电缆长度较小，感应电势不超10-50V时，电缆护套对地绝缘，中点或线路端点一点接地。中点接地时，电缆长度可增加一倍，但端点接地方便。 对于长电缆线路，可采用绝缘外套连接接头盒，其作用为使两段线芯相连，而两段护套绝缘。此时每段电缆长度仍需保证感应电势为10-50V安全值。 换位连接法。两端接地，中间采用绝缘外套连接接头盒。在电缆对称敷设，且每段电缆长度相等时，金属护套两接地点的感应电势为零。（p39 图3-10） 绝缘外套连接接头盒：两段线芯相连 （金属）护套绝缘 电缆对称敷设且每段电缆长度相等，金属护套两接地点的感应电势为零 电缆非对称敷设 每段电

29、缆长度不相等时，金属护套两接地点间有感应电势，将产生感应电流，但损耗比两端点直接接地时小得多。3.6 电缆的损耗 单位长度电缆线芯损耗 单位长度电缆绝缘损耗3.6.1 电缆金属护套及铠装中的损耗 多数情况下，电缆金属的两端都接地。这种连接方法简单，可避免感应电势对电缆运行的危害。但由于形成电流通路，感应电势会在护套中形成电流，从而产生损耗，限制传输容量。 单相回路 单位长度电缆金属护套的感应电势 若护套形成通路，其中感应电流 Rs 单位长度护套电阻 单位长度电缆护套损耗 护套损耗因数 单芯电缆组成三相电缆系统 正三角形敷设 单位长度三电缆护套的总损耗 在同一平面内等距平行敷设外侧的滞后相的损耗

30、最大 另一侧电缆的损耗因数中间电缆的损耗因数 P=Xs+Xm 环流损耗因数 涡流损耗（临近效应损耗）同一截面上各点感应电势不同护套中总损耗3.6.2 电缆铠装损耗 当电缆具有铠装时，在铠装中也会产生感应电势。若铠装接成通路，则铠装中也会产生损耗。 推导计算铠装损耗公式的过程比较复杂。只介绍IEC推荐的计算公式。 非铁磁性材料铠装损耗 以护套电阻Rs和铠装并联电阻RA代替护套电阻Rs； 以代替Ds 用前面计算护套损耗的公式表来求得护套和铠装的总损耗。 钢带属于铁磁性材料，因而单芯电缆一般不允许使用钢带铠装，如单芯充油电缆，用钢带作为径向或轴向加固。但对于高落差或水底敷设单芯电缆，为了使其能承受较

31、大的轴向拉力，允许采用钢丝铠装。但此时需采用大的绕包节距或在钢丝中夹以非铁磁性金属丝。钢丝铠装圆形三芯电缆RA工作温度下单位长度铠装的电阻 DA铠装层平均直径C 电缆中心与线芯中心距离分相铅包钢丝铠装电缆 由于护套的屏蔽作用，钢丝铠装中的损耗减小钢丝铠装扇形三芯电缆 r1 包围三扇形导体圆的半径第四章 电缆绝缘层厚度的确定4.1 电缆绝缘层中的电场分布4.1.1 单芯电缆绝缘层中的电场分布 均匀介质圆形单芯电缆绝缘层中的电场分布电缆长度一般比直径大得多，且在多数情况下，线芯和绝缘层表面具有屏蔽层，因此，单芯或分相屏蔽圆形多芯电缆的电场，均可看作同心圆柱体电场。由高斯定理有：= 电荷线密度所以

32、绝缘层的平均场强 绝缘层的利用系数 其值越大，电场分布越均匀如平板电容器 Emax=Emin=Eav =1随绝缘层厚度增加时，绝缘层利用系数下降。当u、R为常数时，Emax为rC的函数当 即 Emax有一最小值单位长度单芯电缆所用绝缘料的体积 令，则有当Emax、u为常数时，V为N的函数，则当 即 N=2.22时 r有一最小值最小绝缘层体积 当线芯由多数导线绞合而成，如果线芯表面屏蔽不完善或无屏蔽，线芯表面的电场分布不均匀。比圆形线芯表面电场强度增加32%。 非圆型单芯电缆最大电场强度的计算 椭圆形线芯 点A或B的电场强度可近似视为相同绝缘厚度，半径 为该点曲率半径的圆形电缆的最大电场强度。

33、扇形芯电缆 圆形单芯分阶绝缘电缆最大电场强度的计算 随绝缘层厚度的增加，绝缘层利用系数下降 高压电缆，常采用分阶绝缘，提高绝缘层利用系数，均化电场。电场强度与介电常数成反比，而单芯电缆随绝缘半径的增加场强降低，故从线芯表面到绝缘表面 第k层内径为rk =+ = + = 分阶绝缘使线芯表面电场强度降低，降低程度与有关，相差越大降低越多 绝缘厚度越大，因分阶而降低线芯比安眠电场强度越多 分阶提高了第二层的最大电场强度，在分阶处电场发生了阶跃各层绝缘的利用系数分别为：（4.1.1 多芯电缆绝缘层中的电场分布 多芯电缆绝缘层中的电场分布比较复杂，一般用模拟实验方法来确定，在此基础上，再近似计算它的最大

34、电场强度。 三芯电缆绝缘层中的电场可视为一平面场。外施加三相平衡交流电压时，它是一随时间变化的旋转电场。 三芯圆形芯电缆绝缘层中最大电场强度近似计算 在三相平衡系统中，各相瞬时电压 1）wt=0 ， 2）wt=30° 2）wt=90° A 当线芯1、2间的瞬时电压为线电压U时，最大场强出现在a点 B当线芯2和3间的瞬时电压为0.5相电压时，最大场强出现在b点。 三芯扇形芯电缆绝缘层中最大电场强度近似计算（P55 图5-4） S 每相电缆线芯标称截面 相绝缘厚度，对于油浸纸带绝缘电力电缆，含带绝缘厚度 U 线电压 一般情况下，固C点处场强最大。4.2 电力电缆在运行中承受的电

35、压4.2.1电力电缆在运行中承受的电压 额定工频电压 通常所说的6、10、35、110、220、330、500、750、1000KV电缆是指电缆的额定工作电压为6、10、35、110、220、330、500、750、1000KV。 电缆线路的电压在正常工作条件下允许有一波动范围，电压越高，允许波动范围越小； 220KV及以下，最大波动范围为额定值的15% 330KV 10% 500、750KV 5% 故障条件下最大工频相电压 中性点有效接地系统： 80%线电压 中性点非有效接地系统： 1000%线电压 过电压 过电压包括外部过电压和内部过电压 A 外部过电压 外部过电压是指雷电过电压，也称大气

36、过电压，它是由大气雷电所引起的系统过电压。 大气过电压波形为脉冲波，它的波形与雷击距离、系统参数有关。它的波头一般为几微妙，半波时间为几十微妙。 系统大气过电压的幅值大小主要由避雷器特性决定。 保护水平：避雷器的充放电电压或残压 线路上出现的最高脉冲电压 灭弧电压：避雷器放电间隙电弧熄灭电压（通常取工频过电压）灭弧电压=（100%-80%）×系统最高线电压（线电压×15%-10%-5%）保护比、；保护水平/灭弧电压B内部过电压内部过电压 由于电源、负载断开或合闸及短路故障时产生的过电压。其中电源，负载断开或合闸所产生的过电压称为操作过电压。操作过电压的波形比大气过电压的波形

37、变化缓慢得多，波头时间可达几十至几百微妙，半波时间可达几千微妙。其幅值主要由系统参数（特别是开关特性）来确定，同时也与线路长短有关，线路越长，线路中可能出现得最大操作过电压幅值越大。4.2.2 进入电缆脉冲波的幅值 电缆一般与架空线相连接，发生雷击时，架空线上的脉冲波将向电缆传播。（P64 图5-15）Za 架空线的波阻抗Z12 电缆线芯对金属护套的波阻抗Z2 金属护套对地的波阻抗Zs1、Zs2 金属护套两端的等值接地阻抗在连接点处，波阻抗不等，产生波的反射与投射。（P65 图5-15等效电路）根据柏费法则等效阻抗 总电流： 线芯 护套4.3 电缆绝缘层击穿强度的统计理论 当为常数时，随rc增

38、大，Emax减小。但实际中，当一定时，电缆绝缘层的Eb随rc增加而减小，二者矛盾。通过统计理论来解释这一现象。4.3.1 绝缘材料的寿命统计规律在绝缘材料的内部取一单元立方体，其中电场强度为E。设其在场强E作用t时间不发生击穿，而在t+t期间发生击穿的几率为，式中为与t有关的常数，则该单元体在E作用时间t不击穿，并在t+t也不发生击穿的几率为，在t时间内不发生击穿的几率内的平均值 将上式取对数 若 ，则 从而有： 设 （0、nt为常数），则有 在恒定场强E的作用下，材料不发生击穿的几率随时间增长而迅速减小。 作用时间恒定，在场强E作用下不发生击穿的几率单元立方体绝缘材料在场强E作用t时间不发生

39、击穿的几率 a、b、c为E，t无关常数若条件（E1,t1）和（E2，t2）下不击穿几率相等，则有 令 n 寿命指数4.3.2 电缆绝缘击穿强度与电缆几何尺寸的关系最大电场强度Emax时，在t时刻发生击穿的几率 取两根电缆，其尺寸分别为 若其在电压U1作用时间t发生击穿的几率相等，即其具有相同的击穿电压，则有常数b、bL称为形状参数，其大小与绝缘层的材料性质、工艺质量等有关，具体值见表5-2（p72）主要几何尺寸对击穿场强的影响 a . 绝缘层厚度 当， b=7.5 绝缘层厚度增加对击穿强度影响不大 b. 电缆长度 由表可知b1，故电缆长度对电缆击穿场强的影响不显著。 c. 线芯半径 当， b值

40、越小，线芯半径对电缆击穿场强的影响越大，反之，电缆质量越好，形状参数b值越大，电缆绝缘击穿场强受线芯半径的影响越小。4.4 电缆绝缘层厚度的确定4.4.1 决定绝缘层厚度的主要因素 工艺上规定的最小厚度 电缆绝缘层厚度应该是工艺上可能实现的厚度 橡塑绝缘线最小绝缘厚度（0.2-0.3mm） 粘性浸渍纸绝缘的最小层数为5-10层 机械性能 电缆绝缘层必须有足够的厚度，以承受在制造、使用过程中因弯曲、拉伸等而产生的拉、压、弯、扭、剪切等机械应力。 对于小截面电缆，主要由工艺允许的最薄绝缘决定其厚度，而对于较大截面电缆，当绝缘厚度能满足可能承受的机械损伤要求时，其击穿场强能完全满足要求，因而绝缘厚度

41、主要由在生产和安装过程中可能受到的机械损伤来决定。对于船用、石油、矿用电缆，因需要承受较大的机械应力，绝缘厚度往往是根据制造和运行经验或机械实验来决定其厚度。 击穿强度 10KV及以上级电缆 根据电缆绝缘层内最大电场强度等于其击穿电场强度时,电缆发生击穿的原理来确定电缆绝缘层的厚度。 考虑到击穿强度的分散性并保证电缆绝缘有一 定的安全裕度，对于不分阶绝缘 2 G 对于U为工频、脉冲、操作波最大电压时的长期工频、脉冲、操作波击穿强度 m 安全裕度，一般1.2-1.6，较大数值属于易老化材料 对于n层分阶绝缘电缆从而 对应于U为工频、脉冲、操作波最大电压时各层绝缘材料的长期工频、脉冲、操作波击穿强

42、度 各层安全裕度已知时，可用上式确定分阶半径而可求得，并进一步确定R。 用工频、脉冲、操作波试验电压计算的绝缘层厚度各不相等，一般采用最厚者。 一般能满足脉冲电压要求的绝缘层厚度，能够以足够安全的裕度来承担短路故障所引起的过压和操作过电压。故当电缆绝缘层厚度由其电气击穿强度决定时，主要核算其长期工频和脉冲击穿是否保证有足够安全的裕度。由于电缆绝缘层的击穿强度随线芯半径的增加而降低，而电缆绝缘层的最大电场强度随线芯半径增大而减小，习惯采用平均电场强度确定塑料、橡皮电缆绝缘厚度。脉冲电压 BIL 电缆的基本绝缘水平 Gav 绝缘层的平均脉冲击穿强度 绝缘层的冲击电压老化系数， 绝缘层的温度系数 长

43、期工频电压 绝缘层的平均长期工频击穿强度 绝缘层的工频电压老化系数 （当寿命指数n=9时）第五章 电力电缆稳态发热特性根据电缆绝缘材料的种类、运行和使用经验，规定了各种型式电缆长期和短时允许最高工作温度。如电缆工作温度高，绝缘材料老化就会加速，电缆寿命就会缩短，甚至电缆立刻破坏。在设计或选用电缆时，除了充分考虑电气、机械性能外，还应分析其热性能，使得电缆在传播容量下，各部分损耗发热不超过电缆允许最高工作温度。前面已经介绍了各部分损耗的计算方法，本章主要分析电缆损耗发热与稳态温升的关系，据此计算电缆的长期能力（传输容量），另一方面，在已知敷设运行条件时，选择和确定电缆线芯的尺寸，以满足传输容量的

44、要求。5.1 电缆发热方程及等值热路电场和热场的物理对于关系电场热场电量（C）热量（J）电流（C/S=A）热流（J/S=W）电压（U）温差（）电阻（=V/A）热阻（T= /W）电阻系数（.m）热阻系数（T.m）电容系数（C/m3.V）热容系数（J/m3.）热场中的富式定律 流过单元面积dA的热流 温度梯度 导热系数 暂态热场 热场中任意一点（x，y，z）的温度 是坐标和时间的函数 稳态热场热场中任意一点（x，y，z）的温度不随时间而变化，仅是坐标的函数热流场中的热流连续原理稳态热流场：流入热流=流出热流暂态热流场：流入热流+产生热量=流出热量+吸收热量流入热流：W流出热流：W+dW介质损耗：

45、产生热流：吸热： （A）由富氏定律: （B）B代入A式，得 单芯电缆热流场一般方程稳态热流场：例5-1：单芯圆形电缆，忽略介质损耗，求稳态温度分布方程 解： 积分得边界条件： 当X=，可得例：5-2 绝缘层等值电导率边界条件： 0=- ， ,5.2 电缆绝缘层和护层热阻5.2.1 电缆绝缘层热阻 计算单芯电缆绝缘层热阻的方法与计算绝缘电阻的方法相同，只需将电阻系数换成热阻系数。厚度为dx的同心圆柱体的热阻为： 积分得：多芯圆形芯电缆：多芯扇形芯电缆 三芯分相屏蔽电缆K 屏蔽层影响因数，可查表获得P845.2.2 电缆护层的热阻1. 电缆内衬层热阻： 电缆金属护套、铠装为同心圆结构 内衬层热阻系

46、数及其内、外径 分相铅包（屏蔽）电缆 几何因数t2 内衬层厚2度 金属护套（屏蔽）外径（P84图6-6）曲线1 适用于屏蔽（或护套）上无涂层或浸滞带包缠的电缆，曲线适用于屏蔽（或护套）上有涂层或浸滞带包缠的电缆，且金属护套间涂层和浸滞带包缠的厚度等于金属护套表面至铠装内表面的厚度2. 外被层热阻 外被层热阻系数及其内、外径5.3 电缆周围媒质热阻5.3.1 敷设于土地中电缆周围媒质热阻 假设电缆表面、土地表面均为等温面；土地为一均匀媒质，其热阻系数为；电缆散发到土地的热流均流向土地表面。 其在土壤中建立的热流场和直径为De，离地面高度为L的导体所建立的电场相类似。 根据电场镜像法类似原理，这样

47、的热场与相距为2L（与地表相距为l）线热源（W）所产生的热场完全相同。 以土地表面温度作为参考温度，任一点P（一般，De10cm，L=100cm，此时）如 ，（误差不超过1/1000）实际上，有一部分热流流向土地深处K值约等于2/3。不同情况下的地热阻系数值可查表获得。 多根电缆敷设于土地中，相互影响不可忽略，则可按镜像法原理用等效周围媒质热阻考虑相互影响。对于敷设在水中（海底、过江、过河）的电缆，由于水的对流和热容大，T4可取0，但考虑到电缆本身重力，同时为了保持电缆位置固定不变，不受水流移动，船锚损伤，电缆实际是敷设在水底泥土中。电缆周围媒质热阻敷设于地下水泥槽管道中的电缆 电缆表面至管道

48、内壁热阻 管道热阻（如为金属管道，可忽略） 管道外部热阻 A、B、C 常数，其值可由表查得m 电缆和管道间填充介质的平均温度 管道热阻系数及其内、外径的计算可分两种情况： 管道敷设于空气中，可按下面关于敷设在空气中电缆周围媒质热阻的计算方法计算 管道敷设于土地中的水泥槽中 Gb为水泥槽的几何因数 X 水泥槽长 Y水泥槽宽P水泥槽周长2（X+Y）5.3.2 敷设于空气中电缆周围媒质热阻从敷设于空气中电缆表面散发热量，主要不是传导作用，而是辐射作用。在通风良好的场合，还有考虑空气对流。辐射作用散发热量不仅与媒质有关，且与散热表面温度和表面情况有关。黑色表面散热体比较容易，而白色表面散热比较困难。实验表明：从单位电缆表明散发到周围媒质（空气）的热流可用下式计算： 电缆表面与周围媒质温差h散热系数，其数值与电缆表面情况和电缆外径大小有关。 （p89图6-11）中绘出了电缆表面两种极端情况（光