毕业论文-YJQ02-Z 127220 1 800电力电缆结构设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文-PAGEII--PAGEII-YJQ02-Z127/2201800电力电缆结构设计摘要本文所计算的电力电缆型号为YJQ02-Z127/220电力电缆，绝缘层厚度的设计方法是兼顾最大梯度和平均梯度。电力电缆的结构符合国标额定电压220kV（kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件的规定要求，通过《电力电缆设计原理》一书中的有关结论公式计算出了电力电缆的交直流电阻，绝缘电阻，电感，电容，损耗，安全裕度，允许载流量，短路电流和质量等一些基本的参数。电力电缆的敷设方式为三相平行敷设。在计算时，通过改变平均脉冲击穿强度和平均长期工频击穿强度就可以得到不同的绝缘厚度，从而得到不同尺寸的电力电缆。通过比较绝缘的安全裕度和电力电缆的总质量，从成本经济上考虑可以得出一个较为理想的结构尺寸的电力电缆。本论文设计出了五种不同结构尺寸的电力电缆，通过比较得出的结论是第二种结构更为理想。关键词电力电缆；设计计算；载流量；温升计算THESTRUCTURALDESIGNOFYJQ02-Z127/2201800AbstractInthispaper,thecalculationmodelfortheYJQ02-Zpowercablepowercable。Insulatinglayerthicknessdesignmethodisthemaximumgradientandaveragegradient。Structureofthepowercablewithratedvoltageof220kVstandardofcross-linkedpolyethyleneinsulatedpowercablesandtheiraccessoriesrequired,Through"powercabledesignprinciple"inonebooktheconclusionabouttheformulatocalculatethepowercableoftheACandDCresistance,insulationresistance,inductance,capacitance,loss,safetymargin,allowcarrycurrent,shortcircuitcurrentandthequalityofsomebasicparameters.Powercablelayingmethodforthree-phaseparallel。Inthecalculation,bychangingtheaverageimpulsebreakdownstrengthandaveragelong-termACbreakdownstrengthcouldbeobtainedwithdifferentthicknessofinsulation,resultingindifferentdimensionsofpowercable。Bycomparingtheinsulationsafetymarginandpowercablesgeneralqualitycost,fromeconomicconsiderationscanreachanidealstructuresizeofpowercable.Thispaperdesignedfivedifferentstructuraldimensionsofthepowercable,throughthecomparisonofsecondconcludedthatidealstructure.Keywordspowercable；designcalculations；carryingcapacity;calculationofTemperaturePAGEII---PAGEIV-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 51.1课题背景 51.2交联聚乙烯电力电缆的发展 51.3我国交联聚乙烯电力电缆现状 61.4本论文研究内容 7第2章YJQ02-Z电力电缆结构 82.1确定电缆结构，材料，尺寸 82.1.1导体 82.1.2导体屏蔽层 92.1.3绝缘层 92.1.4绝缘屏蔽层 112.1.5缓冲层 112.1.6纵向阻水结构 112.1.7金属套 122.1.8外护套 122.1.9电缆结构尺寸表 122.1.10该电缆的结构图 122.2电缆的各电气参数的计算 132.2.1导电线芯的直流电阻 132.2.3电缆绝缘电阻 142.2.4电容 142.2.5电缆的电感 152.2.6金属护套中的感应电压 152.2.7绝缘介质损耗 162.2.8金属护套损耗 162.2.9电缆各部分热阻计算 172.2.11电缆连续允许载流量的计算 182.2.12电缆允许短路电流的计算 182.2.13电缆绝缘裕度的求取 192.2.14电缆各个部分质量的求取 192.2.15五种参数电力电缆的比较 202.3本章小结 22第3章电力电缆的试验 23结论 28致谢 29参考文献 30附录 31-PAGE10--PAGE52-绪论课题背景随着中国经济的快速发展，城市现代化水平的不断提高，电力电缆作为城市电网中的重要设备，发展速度极快，平均年增长量达到百分之三十五。中国生产及运行的高压电缆以交联聚乙烯电缆为主，因为与充油电缆相比，交联聚乙烯绝缘电缆它的辅助设备少，安装与维护方便以及在一定防护条件下火灾危险较少，所以交联聚乙烯绝缘电力电缆成为了大城市大容量电能传输进入城市负荷中心的地下输电系统的首选产品。110kV和220kV交联聚乙烯电力电缆已经逐步取代充油电缆用于城网改造和建设工程。这就为我国高压交联聚乙烯电缆的发展和规模生产带来了良好的机遇。国内的电缆企业已经具有生产各种电压等级的电力电缆的实力，其中，110kV和220kV交联聚乙烯电缆已经能批量生产，国网电科院电缆所正在推动500KV电缆系列的国产化[6]。交联聚乙烯电力电缆的发展采用地下输电方式建立城市输配电网络以改善人类生活环境为各国学者竞相研究的课题。1884年，MacCracken提出了使用螺旋纸带绝缘的设想后，VincentdeFerranti于1890年制造出著名的10kV的同轴电缆，首次安装在英国伦敦。从此地下电力传输的研究不断取得新的进展。1891年，在芝加哥安装了第一天13kV电缆。1902年在蒙特利尔安装了第一条3根导线的25kV电缆，并成功的运行了五十多年。1914年，Hochstadter提出了绝缘屏蔽原理，让电缆内部的静电场保持均匀分布。在其后的1917年，Emanueli设计出中空的充油电缆，最终解决了高压和超高压的电力传输问题[7]。地下电力电缆的电压等级在逐步提高，1922年在Cleveland的电缆达到69kV。1926年在蒙特利尔的电缆达到66kV，1927年在米兰的电缆达到70kV，1936年在巴黎的电缆达到220kV，1952年在瑞典的电缆达到380kV。最近几年在加拿大和美国的电缆分别达到525kV和535kV。在意大利安装的地下输电电力电缆更高达1000kV[7]。地下电力电缆输配电技术的发展经历了110多年的风雨历程。电缆绝缘材料有油纸绝缘，不滴流油纸绝缘，充油绝缘，充气绝缘，挤出绝缘等，电压等级有早起的几百伏低压电到当今的大于500kV特高电压。尤其是二十世纪70年代以后，材料科学，电工电子技术的发展极大的推动了电力电缆制造技术进步[7]。然而在80年代初，我国尚未开发110kV和220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件产品。1981年沈阳电缆厂率先从瑞典引进二手的悬挂式交联生产线，并取得生产110kV附件的技术转让。与此同时，一些大城市的电力工业单位开始从国外进口高压交联聚乙烯绝缘电缆及其附件，用于城网改造与建设工程。广州供电局首先与1984年从日本进口并安装4.1km110kV交联聚乙烯绝缘电缆线路。接着上海供电局和北京供电局分别于1986年和1988年进口110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件用于电缆输电工程[8]。而对于国产的电力电缆，在1897年，上海首次采用低压路灯电力电缆开创了我国应用地下电力电缆输电的先河。1951年，国产6kV油纸绝缘电力电缆问世，1953年开始生产10kV油纸绝缘电力电缆，1956年生产出35kV油纸绝缘电力电缆，1969年我国第一条220kV充油电缆投入运行，1982年500kV充油电缆试运行。我国交联聚乙烯绝缘电力电缆的制造和推广应用起步较晚，1970年我国正式投产10—35交联电缆，1985年广州，南京等城市引进110kV交联聚乙烯电力电缆以后，相继在发电厂，变电站和抽水蓄能电站引进220kV，330kV，500kV，交联聚乙烯绝缘电力电缆。1990年第一条国产110kV交联聚乙烯电力电缆线路在首钢投运，1996年国产220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆通过技术鉴定，并于2002年5月30号通过武汉高压研究所鉴定试验（长期老化试验）和产品验收并逐步推广应用。大量采用地下电力电缆线路取代架空输电线路的输配电方式已经成为国内外城市的输配电网今后发展的主要趋势[8]。我国交联聚乙烯电力电缆现状现在我国建成投产的交联聚乙烯电力电缆生产线百余条，比10年前增加三倍以上，是世界上电力电缆制造大国。其中，引进芬兰，美国和德国生产线60多条，高压交联聚乙烯绝缘电力电缆生产线超过29条，220kV—750kV电压等级的交联聚乙烯电力电缆的立塔或悬链生产线超过15条，产品质量已经达到国际先进水平。我国1—35kV电压等级的中低压电力电缆已经全部采用交联聚乙烯绝缘电力电缆取代油纸绝缘电力电缆，并逐步取代PVC绝缘电力电缆；110kV以上的高压，超高压电力电缆以充油电力电缆和交联聚乙烯绝缘电力电缆为主导，同存并举，大力发展交联聚乙烯绝缘电力电缆。现在国产100kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及110kV预制附件已经进入市场。四家电缆制造企业包括一家合资企业生产的220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆已经通过国际大电网会议推荐的型式试验规定。该合资企业的各类220kV预制附件以及由专业化附件生产企业与国外合作生产的220kV预制附件包括户外终端及绝缘接头通过国际大电网会议推荐型式试验规定。上述四家电缆企业中有一个电缆制造企业生产的220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆以及由专业化附件生产企业合作生产的220kV户外终端及绝缘接头，按照国际大电网会议推荐的预鉴定试验规定，通过了为期一年施加1.73倍工作电压，在比工作温度提高5℃条件下的预鉴定试验。预计国内生产的220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及相关的附件在本世纪初将进入市场[8]本论文研究内容220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆的结构设计已经越来越成熟。本论文所要设计的就是220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆。金属套采用铅套，外护套采用的材料为聚氯乙烯。通过查阅资料而得到220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆的结构设计方法和电气参数的计算方法。YJQ02-Z电力电缆结构交联聚乙烯绝缘电力电缆设计，确定交联聚乙烯绝缘电力电缆的绝缘设计应该考虑以下几个关键因素：1由于缺陷在交联聚乙烯绝缘中的随机分布，绝缘的击穿不一定从电场梯度最大处发生和发展，因此有两种交联聚乙烯电力电缆绝缘设计原则，即交联聚乙烯电力电缆绝艳的击穿取决于绝缘的最大电场梯度以及绝缘的击穿取决于平均电场梯度。高压交联聚乙烯电力电缆的绝缘设计以及确定绝缘厚度需要兼顾考虑绝缘的最大梯度和平均梯度。2交联聚乙烯电力电缆附件的增强绝缘，如终端的应力锥绝缘与电缆绝缘表面的电场梯度密切相关。确定电缆绝缘厚度时必须考虑附件的绝缘设计要求。3当单根电缆敷设长度增加而电缆装盘运输成为电缆长度的限制因素时，应在绝缘安全裕度范围内力求减薄电缆的绝缘厚度，以减少电缆尺寸，增加电缆发运长度。4220kV交联聚乙烯电力电缆的绝缘厚度及其工作电场梯度，考虑上述因素，我国电线电缆标准化技术委员会起草的技术规范规定的绝缘设计原则为兼顾最大梯度和平均梯度。YJQ02-Z型的220kV交联聚乙烯绝缘电力电缆的结构是由导体，半导电包带，导体屏蔽层，绝缘层，绝缘屏蔽层，缓冲层，金属护套，防腐涂层，外护套和半导电涂层组成。下面将介绍各个结构的作用以及材料和尺寸等。确定电缆结构，材料，尺寸导体220kV电力电缆的导体铜单线采用GB/T3953中TR型圆铜线作为材料。导体表面应光洁无油污，无损伤屏蔽及绝缘的毛刺以及凸起或断裂的单线。这里选取的标称截面积为。GB/Z18890.2——2002中规定标称截面积为的铜导体结构中使用的铜单线最小根数为53,20℃时导体直流电阻最大值为0.0221.本文采用1+6+12+18+23的圆形紧压结构。查国标铜导体的电阻率为，由单位长度导电线芯直流电阻得截面(2-1)其中，为由于多根导线绞合使单线长度增加所引入的系数，取；为因为紧压过程使导线发硬，引起电阻率增加所引入的系数，取。解得：截面由1.08为延伸系数得到单线直径为，导体紧压系数为0.9，导体实际截面（2-2）因为=，所以导体实际直径D==33.7查国标：标称截面导体最大直径为,满足要求导体屏蔽层导体屏蔽层由半导电包带和挤包的半导电层组成，其厚度近似值为2.0，其中挤包半导电层的厚度近似值为1.5。半导电料以聚乙烯为集料加碳黑组成。挤包的半导电层应均匀地半导电包带外，并牢固地粘在绝缘层上。在与绝缘层的交界面上应光滑，无明显绞线凸纹，尖角，颗粒，烧焦和擦伤的痕迹。半导电屏蔽层的主要作用是均化电场，使偶然形成的凸纹突起屏蔽于半导电屏蔽层内，防止了电场的集中；因为半导电层和导电线芯是等电位的，所以它们之间的气隙不受电场力的作用。半导电层的物理性能介于导体和绝缘层之间，可以使三者紧密的结合在一起，减少了气隙，也减少了气隙放点的可能。半导电层还有一定的隔热作用，防止由于运行时损耗产生的过热使绝缘加速老化。绝缘层电缆绝缘厚度的确定，是电力电缆设计的核心。电力电缆绝缘的质量和绝缘水平，决定了电缆的使用寿命。设计电缆的绝缘厚度，应从多方面进行分析。首先要分析电缆绝缘内的电场分布，一般以最大场强作为设计的依据。然后要考虑电力电缆在运行中所要承受的各种电压及绝缘材料击穿的统计规律，还要考虑绝缘的机械强度和工艺性能等。2.1.3.1材料的选择220KV高压电力电缆的绝缘材料一般使用交联聚乙烯，通过和其他材料的对比可以体现出它的优点。1橡皮绝缘普通的合成橡胶有丁苯橡胶，丁基橡胶，氯丁橡胶和氯磺化聚乙烯等。但其分子结构中含有双键，故耐臭氧差，在电晕作用下会发生开裂，击穿场强较低，所以不能用于高的电压等级，只能用于低压配电系统和经常移动的场合。2聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯塑料是以聚氯乙烯树脂为基础，配以增塑剂，稳定剂，防老剂等多组份的混合材料。它具有一定的优点：加工简单，生产率高，成本低，耐油，耐腐蚀，化学稳定性好。但由于它是极性材料，介质损耗大，耐热性低（最高允许工作温度为70℃3聚乙烯树脂聚乙烯的介电系数和介质损耗因数较低，并且它是非极性材料，电气性能良好。但是它的耐热性低，力学性能较差，在环境应力作用下易形成开裂。因为它的分子结构是结晶相和屋顶形相两相并存，在生产和运行中由于温度和应力的变化容易在界面上产生气隙而引发树枝化放电。目前在我国聚乙烯塑料仅用来做电缆的护套使用。4交联聚乙烯为了克服聚乙烯的缺点，主要采用交联的方法使聚乙烯的线型分子结构变成三维空间的网状结构，即通过物理方法或者化学方法将聚乙烯进行交联，可以极大的提高其击穿强度和耐热性能，而保持了聚乙烯原有的优点。物理方法主要是利用高能射线将C-H键断开使聚乙烯生产游离基，游离基相互结合形成C-C键而形成交联聚乙烯。化学方法是通过交联剂（如过氧化二异丙苯DCP）夺取分子中的氢原子使之游离基进而进行交联。其交联生产方式主要是通过惰性气体保护，电加热和惰性气体保护冷却，即所谓“全干式”交联，最大限度的在生产过程中防止水分进入绝缘以免生成水树枝。2.1.3.2绝缘厚度的确定对于塑力缆，由于击穿场强受半径等几何尺寸的影响较大，所以可以采用平均击穿场强来确定绝缘层厚度。1按照脉冲电压确定塑料绝缘厚度(2-3)式中，为基本绝缘水平，查国标脉冲试验电压为；为脉冲电压老化系数，交联聚乙烯可取；为绝缘层温度系数，交联聚乙烯取；为平均脉冲击穿强度，交联聚乙烯为50—70kV/mm，这里取。解得:2按照工频电压确定塑料绝缘厚度(2-4)式中，为最大工作相电压，；为工频电压老化系数，交联聚乙烯可取4；为平均长期工频击穿强度，交联聚乙烯为，这里取。解得：所以取绝缘厚度为，国标中规定标称截面取，所以这里取绝缘厚度为。绝缘屏蔽层绝缘屏蔽为挤包半导电层，其厚度为，绝缘屏蔽应与导体挤包屏蔽层和绝缘层一起三层共挤。绝缘屏蔽应均匀地包覆在绝缘表面，并牢固的粘附在绝缘层上。在绝缘屏蔽的表面以及与绝缘层的交界面上应光滑，无尖角，颗粒，烧焦或者擦伤的痕迹。绝缘屏蔽层的作用主要是静电屏蔽。电缆敷设时通过绝缘屏蔽层接地使其电位为零。在单芯或者分相屏蔽电缆绝缘内的电场径向分布，消除了切向分量。可防止绝缘表面产生滑闪放电。绝缘屏蔽层也可以作为部分短路电流的回路缓冲层在绝缘半导电屏蔽层外应有缓冲层，可采用半导电弹性材料或者具有纵向阻水功能的半导电阻水膨胀带绕包而成。绕包应平整，紧实，无褶皱。纵向阻水结构对电缆的金属套内间隙有纵向阻水要求时，绝缘屏蔽与金属套间应有纵向阻水结构。纵向阻水结构应由半导电阻水膨胀带绕包而成，半导电阻水带应绕包紧密，平整，无擦伤。如果电缆导体亦有纵向阻水要求时，导体绞合时应加入阻水绳等材料。金属套采用铅套作为径向不透水阻隔层。查国标可知标称截面的电力电缆选取铅套的标称厚度为。外护套金属套的外护套应采用绝缘型的聚氯乙烯或者聚乙烯护套，这里才用聚氯乙烯护套。金属套表面应有电缆沥青（或者热熔胶）防腐涂层。防腐涂层与外护套之间允许加绕塑料袋或者相当带材。铅套上允许绕包自粘性橡胶带代替防腐涂层。外护套的颜色一般为黑色，但是为了适应电缆的某种特殊使用条件，经供需双方协商也可以采用其他颜色。查国标可知，铅套的标称厚度为，最小厚度为。这里采用标称厚度。电缆结构尺寸表由以上的计算和叙述可以得到电力电缆的基本结构尺寸，如表1所示表1名称导体半导电包带半导电层绝缘层绝缘屏蔽层金属套外护套厚度0.51.52512.85外径33.734.737.787.789.795.3105.3该电缆的结构图本文设计的交联聚乙烯绝缘单芯电力电缆的结构图如下图1所示图11线芯导体3绝缘层5缓冲层7外护套2导体屏蔽层4绝缘屏蔽层6金属套电缆的各电气参数的计算导电线芯的直流电阻最高工作温度下，单位长度导电线芯的直流电阻由下式计算(2-5)为线芯截面积,为；为线芯材料在温度为20℃时的电阻率，对于标准铜：其为；为20℃时每度温度系数常数，对于铜导体为0.00393；为最高工作温度，查国标可知为90；为单根导线加工过程中引起金属电阻率增加所引入到的系数，它与导线的直径大小，金属种类，表面是否有涂层有关，线径越小，系数越大，一般可取1.02—1.07，这里取1.05；为由于多根导线绞合使单线长度增加所引入的系数，对于以上的截面取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，一般取1.01；为因成缆绞合，使线芯长度增加所引入的系数，一般取1.01；为因考虑导线允许公差所引入的系数，对紧压结构一般取1.01。将数据代入上式可得2.2.2电缆的交流电阻最高工作温度下，单位长度导电线芯的交流电阻由下式计算(2-6)R为最高工作温度下，导电线芯的单位长度的直流电阻，为；为集肤效应因数，即由于集肤效应使电阻增加的百分数，可由下式求得(2-7)式中，其中f为电源频率，工频为；R为单位长度电缆导体线芯的直流电阻，R=2.7410/m；为除了分割导体取0.435外均取1。算得为邻近效应因数，即由于邻近效应使电阻增加的百分数，可以用下式计算：(2-8)式中，，其中，f为电源频率，工频为50；R为单位长度电缆导体线芯的直流电阻，其值为；除了分割导体取0.37外，其他形式的线芯取0.8—1，这里取1；为线芯外径，为33.7；为线芯中心轴间距离，因为电缆外径为105.3，所以取为150；所以算得：R电缆绝缘电阻绝缘电阻的确切含义，是指绝缘在用直流电压度量时，在电导电流下的电阻值。在计算时，是由绝缘材料的电阻率和电缆的结构尺寸所确定。对于单芯电缆可以用下式计算：(2-9)为电缆绝缘的电阻率，对于交联聚乙烯其值为，这里取；G为电缆的几何因数，可以在《电力电缆设计原理》书中的32页图3—2中查找。图表的横坐标是，为内外半导电屏蔽层间的绝缘厚度，为，为电缆内半导电屏蔽外径，为，所以横坐标为，查表可知。解得电容电缆本身就是一个标准的的圆柱形的电容器。电缆线芯和接地的金属套构成了电容器的两个极。电容电流将会限制电缆的传输容量和长度。通过电容的测量，也可以检查电缆的质量和工艺。所以电容也是电缆的较重要的一个电气参数。单芯电缆电容的计算可以忽略边缘效应，介质中任何一点的电场均沿着半径方向分布。单位长度电缆的电容可以用下式计算：C=55.7εr×10-12/G（F/m）(2-10)其中ε为交联聚乙烯绝缘相对介电常数，查《电力电缆设计原理》书中第三十四页的表3-3可知，其值取2.5；G为电缆的几何因数，同上一样，取0.86。解得电缆的电容为：电缆的电感在实际工程中，可以将线芯内部的磁通链所产生的电感称为内感；线芯外部磁通所产生的电感称为外感。整个回路的电感为二者之和(2-11)(2-12)为真空磁导率，其值为。解得：(2-13)为电缆中心间距离，其值为；为电缆内屏蔽的外径，其值为。解得：电感金属护套中的感应电压当电缆在交变电压下运行时，线芯中通过的交变电流必然会产生交变的磁场。磁场产生的磁链不仅和线芯相链，也和金属护套相链，必然会在金属护套上产生感应电动势。金属护套一般均采用单点接地或者交叉互联接地方式，这样就会在金属护套上产生感应电压。各相感应电压值可以用下式计算：(2-14)(2-15)式中，为电源角频率，其值为；为金属套外径，其值为；为电缆的线芯中心距离，其值为。为电缆线芯的实际截面积，其值为；为线芯通过的电流，在后面得到了它的数值，为。解得：绝缘介质损耗介质在电压作用下有能量损耗。一种是由电导引起的损耗，另一种是由极化引起的损耗。如：极性介质中的偶极子转向极化，夹层介质界面极化等。电介质的能量损耗简称介质损耗。在实际工程中以功率来用下式来计算：(2-16)式中，为电缆绝缘承受的相电压，其值为；为电源角频率，其值为；为绝缘材料的损耗因数，查《电力电缆设计原理》书中第三十四页的表3-3可知其值为0.008；为单位长度电缆的每相电容，前面已经算出。解得：金属护套损耗线芯回路产生的磁通，也和金属护套相链，必然在金属护套上产生感应电动势，也就会产生电磁损耗。在实际工程中，一方面为了减少感应电动势，另一方面，保护系统需用护套做为接地电流的通路，所以大多数情况下，金属护套两端都是接地的，则必然会残生环流损耗。又由于金属护套各点的感应电动势不同，形成电位差，又会造成涡流损耗，所以金属护套损耗应为二者之和。但实际上涡流损耗是非常小的，所以工程上只计算环流损耗。可用下式计算：(2-17)实际工程中，常以线芯损耗作为基值的百分比表示，即损耗因数(2-18)为单位长度金属护套的感抗，其值为；为导体线芯的交流电阻，其值为；为金属护套的电阻，可用下式计算：(2-19)为金属护套铅的电阻率，其值为；为金属护套的有效截面积，可用下式计算：(2-20)为电缆金属护套的外径，其值为；为绝缘屏蔽层的外径，其值为。解得：电缆各部分热阻计算绝缘热阻T1单芯电缆绝缘层热阻可用下式计算：(2-21)式中为绝缘层热阻系数，由教材表6-3知的值为；为电缆几何因数，前面已经提到，其值为。解得：外护套的热阻外护套的热阻计算公式为：(2-22)为电缆外护套的外径，其值为；为电缆外护套的内径，其值为；为聚氯乙烯热阻系数，查教材可知其值为。解得土地中的热阻(2-23)为电缆外径，其值为；为敷设深度，若无特殊要求，一般地下敷设可取标准深度为；查国标可知，土地的热阻系数为1。解得：2.2.11电缆连续允许载流量的计算电缆导体上所通过的电流叫做电缆的载流量，有时候也叫做电缆的负载或者负荷。电缆连续允许载流量是指电缆的负载为连续恒定电流时的最大允许量。由上可知：绝缘热阻为；内衬层热阻为0；外护套的热阻为；土地中的热阻为；金属护套的损耗因数为；电缆导体最高允许的工作温度为90℃；周围媒介的温度，即土地的温度为40℃；电缆导体的交流电阻R为。所以IN==1031电缆允许短路电流的计算输电线路发生短路故障时，短路电流可以达到额定值的几十倍或者上百倍。短路电流使线路的保护装置迅速动作，在几秒或者更短的时间内使线路切断。强大的短路电流在电缆导体通过时将产生很大的热量，使导体的温度很快升高。但是电缆的温度不应该超过短路时允许的最高工作温度。由查国标可知最大短路时间t=5s,XLPE绝缘电缆正常运行下最高温度为90℃,短路时的最高温度250(2-25)为导体的交流电阻，前面已经算过，其值为；为短路时间，查国标可以知道其值为；为导体铜的温度系数，其值为；为线芯在短路期间的温度，可以取其为最高允许短路温度，查国标其值为℃；为电缆正常运行下的最高温度，为℃；为线芯的热容，查教材可知其值为。所以可以解得：电缆绝缘裕度的求取电缆的绝缘安全裕度可以用下式计算：(2-26)式中，为工频试验电压，其值为2.6—3.3倍的相电压，这里取3倍的相电压，所以值为381kV；E为击穿场强，查教材中表9—1可知，交联聚乙烯电力电缆的击穿场强为；为导电线芯的半径，一般包含内半导电屏蔽层，其值为；R为绝缘层外径，其值为。所以计算可得：电缆各个部分质量的求取在以下的计算当中，各部分电缆质量均以一米为单位计算。铜导体线芯的质量铜导体线芯质量(2-27)铜的密度为；导体线芯的实际截面积为。所以铜导体的质量为:绝缘层的质量绝缘质量(2-28)交联聚乙烯的密度为；绝缘外径为，内径为；所以计算得绝缘层的质量为：铅套的质量铅套质量(2-29)铅的密度为；铅套外径为，内径为；所以计算得铅套的质量为：聚氯乙烯外护套的质量外护套质量(2-30)聚氯乙烯的密度为；外护套外径为，内径为。所以计算得外护套的质量为：2.17电力电缆的总质量电力电缆的总质量为：23.84(2-31)五种参数电力电缆的比较计算电力电缆的绝缘厚度有两种算法：1按脉冲电压确定电力电缆的绝缘厚度2按工频电压确定电力电缆的绝缘厚度在计算时，通过改变平均脉冲击穿强度和平均长期工频击穿强度就可以得到不同的绝缘厚度，从而得到不同尺寸的电力电缆。为了得到较为合理的绝缘厚度，本文计算出五种绝缘厚度，得到五种不同尺寸的电力电缆，下面一一列出。表2名称第1方案第2方案第3方案第4方案第5方案导电线芯外径33.733.733.733.733.7半导电包带厚度0.50.50.50.50.5半导电包带外径34.734.734.734.734.7半导电层厚度1.51.51.51.51.5半导电层外径37.737.737.737.737.7绝缘层厚度23.42527.333.950.8绝缘层外径84.587.792.3105.5139.3绝缘屏蔽层厚度11111绝缘屏蔽层外径86.589.794.3107.5141.3金属套厚度2.82.82.82.82.8金属套外径92.195.399.9113.1146.9外护套厚度55555外护套外径102.1105.3109.9123.1156.9由五种不同结构的尺寸计算出五种不同的电气参数，如表3所示。通过比较可以看出哪种尺寸的电力电缆比较理想。表3名称第1方案第2方案第3方案第4方案第5方案绝缘厚度（）直流电阻（）交流电阻（）绝缘电阻（）电容（）电感（）绝缘损耗（）金属套损耗因数长期载流量(A)短路电流(A)安全裕度导体质量()绝缘质量()铅套质量()外护套质量()总质量()23.05如表3所示，通过比较可以看出：从绝缘的安全裕度上考虑，第一种方案的安全裕度显然太小，不安全；后面的四种方案虽然安全裕度够，但是质量较大，浪费材料；只有第二种方案的安全裕度比较合理，所需要的质量又最小，有效的为厂家节省了成本，所以第二种方案比较合理。本文上面所有的计算均为第二种电力电缆的参数计算。本章小结由本文通过查阅有关材料确定了本论文研究型号的交联聚乙烯绝缘电力电缆的基本结构和结构尺寸及电气参数的计算方法。通过选取不同的耐电强度而计算出五种不同的结构尺寸。再通过绝缘的安全裕度和制造成本的计较而选择了第二种方案。电力电缆的试验3.1电缆的例行实验3.1.1下列试验应在每根制造长度电缆上进行，以检查每根电缆是否都符合要求。A）局部放电试验;B）电压试验C）非金属护套的电气试验这些试验的次序由制造方安排确定。3.1.2应根据GB/T3048.12-2007对电缆进行局部放电试验，并且按GB/T3048.12-2007定义，其灵敏度应该优于或等于5pC。附件的试验按相同原则进行。试验电压应逐渐升至222kV（1.75U0）并保持10s，然后慢慢地降至190kV（1.5U0）。在190kV下被试品应无可检测出的放电。3.1.3应在室温下以工频交流电压进行电压试验。按规定应将导体与金属屏蔽和（或）金属套之间的试验电压逐渐上升至318kV（2.5U0），然后保持30min。绝缘不应发生击穿。3.1.4按GB/T2952.1-1989规定，在金属套和外护套表面导电层之间以及金属套接负极施加直流电压25kV，历时1min，外护套应不击穿。可以在外护套上包覆导电层，也可以将电缆浸入水中进行试验。3.2电缆抽样试验3.2.1下列试验应在代表批的试样上进行。对试验项目b)和g)可以将成盘电缆作为试样。a)导体检验b)导体电阻测量c)绝缘和外护套厚度测量d)金属套厚度测量e)外径测量，(如有要求)f)XLPE绝缘热延伸试验g)电容测量h)雷电冲击电压试验和随后的工频电压试验i)透水试验3.2.2抽样实验项目a)~g)项应在每批相同型号，相同导体截面电缆中抽取一根试样上进行，但抽样根数应不超过任何合同的电缆根数的10%修约至最接近的整数。实验项目h)~i)的试验频度应根据协议的质量控制方法。在无此协议的情况下，试验应按以下抽样方法进行。当合同总数（单芯长度）L/km没在4到20的范围内的试样数应是1。大于20的时候试样数为2。3.2.3如果取自任一根电缆上的试样,未通过第3.2章规定的任何一项试验,则应从同一批电缆中再取两根试样,对未通过的项目进行试验.假如这两根加试电缆都通过了试验,则该批其它电缆应认为符合本标准要求.如任一根加试电缆未通过试验,则该批电缆应认为不符合要求。3.2.4应采用适当的检验及测量方法来检查导体结构是否符合GB/T3956-1997要求.3.2.5整盘电缆或电缆试样在前应放在温度比较稳定的试验室内至少12h.如怀疑导体温度与环境温度不一致时,则电缆应放在试验室内24h后再测量电阻。或者可将导体试样放置在可控温的恒温槽内至少1h后再测量电阻。导体直流电阻应按GB/T3956-1997给出的公式和系数校正到温度为20℃长度为1KM使用时,20度时的导体直流电阻应不超过GB/T3956-1997与GB/T20078.2-2008表2规定的相关的最大值。3.2.63.2.6.1试验方法应按GB/T2951.11-2008的规定。应从每根选作试验的电缆的一切切除部分（如果必需）取出代表被试验的试件。3.2.6.2最小测量厚度应不小于标称厚度的90﹪；绝缘偏心率应不大于8%：tmin≥0.9tn(tmax-tmin)/tmax≤0.08式中：tmax为绝缘最大厚度，单位是毫米（mm）tmin为绝缘最小厚度，单位是毫米（mm）tn为绝缘标称厚度,单位是毫米（mm）注：tmax和tmin在绝缘同一截面上测得。绝缘厚度应不包含导体和绝缘上半导电屏蔽厚度。3.2.73.2.7.1最小测量厚度应不低于标称厚度的85﹪-0.1mm：tmin≥0.85tn-0.1式中：tmin为最小厚度，单位毫米（mm）；tn为标称厚度，单位为毫米（mm）。此外包覆在基本为光滑表面上的外护套，其测量值的平均值按附录修约至一位小数，应不小于标称值。对包覆在不规则表面诸如金属丝和（或）金属带屏构成的表面或皱纹金属套上的外护套没有测量值的平均值的要求。3.2.7.21）电缆有铅或铅合金套或铝套，采用下列试验方法。如果电缆具有铅或铅合金套，金属套的最小厚度应不小于标称厚度95﹪-1.0mm：tmin≥0.95tn-0.1铅套厚度由应制造方确定用下列的一种方法测量。⑴窄条法应采用测微计进行测量。测微计的俩个平面端的直径4mm-8mm，测量精度为±0.01mm应从成品电缆取出一段长约50mm的铅套试件进行测量。应将试件纵向剖开，并小心地展平。在试件做清洁处理后，应沿着铅套圆周，在距展平的铅片边缘不小于10mm处作足够多点的测量，以确保测得最小厚度。⑵圆环法应采用测微计进行测量，测微计的一个测量头为平面，另一测量头为球面，或一个测量头为平面，另一测量头为宽0.8mm，长2.4mm的矩形面。球面测量头或矩形平面测量头应置于圆环的内侧。测微计的精度应为±0.01mm。应从试样上熊爱心呢地切下铅套圆环进行测量。应沿圆环四周足够多的点上测量厚度以确保测得最小厚度。2）皱纹铝套应采用俩个具有半径约3mm的球面头测微计进行测量，其精度应为±0.01mm。如果电缆具有铝套，其最小厚度应不小于标称厚度85﹪-0.01mm，即：tmin≥0.85tn-0.1应小心地从成品电缆取宽约50mm的铝套圆环，对其进行测量。应沿圆环四周足够多点上测其厚度以确保测得最小厚度。3.2.83.2.8.1概述线芯绝缘外径和护套外径的测量可以作为一项单独的试验亦可作为其他试验过程中的一个步骤，除非特殊试验程序规定了不同的或替代的方法，下面规定的是通用的测量方法。在所有情况下，取样方法均应符合有关电缆产品标准的规定。3.2.8.2测量步骤a电缆外径不超过25mm时，用测微仪、投影仪或类似的仪器在互相垂直的两个方向上分别测量。例行试验允许用刻度千分尺或游标卡尺测量，测量时应尽量减小接触压力。ｂ电缆的外径超过25mm时，应用测量带测量其圆周长，然后计算直径。也可使用能直接读数的测量带测量。3.2.8.3测量结果的评定测量结果按有关电缆产品标准中试验要求的规定进行评定。3.2.9XLPE绝缘的热延伸3.2.9.1从每一被试试样上切取两个绝缘样段，按GB/T2951.11-2008规定的试验方法制备试样及测量截面积后进行试验。试片应取自所有交联工艺中通常绝缘度最底处的绝缘内层、中层和外层。试片厚度应不小于0.8mm，不大于2.0mm。如果不能制备0.8mm厚的试片，则允许其最小厚度为0.6mm。3.2.9.2试验设备a试验应在如GB/T2951.11-2008第8.1条规定的烘箱中进行。试验温度按有关电缆产品标准中对相关材料的规定。b在烘箱内每一试件应从上夹头悬挂下来，用下夹头夹住，并在下夹头上加重物。3.2.9.3试验步骤a试件应悬挂在烘箱中，下夹头加重物。所产生的作用力应按有关电缆产品标准对相关资料的规定。b在烘箱内15min后，测量标记线间距离并计算伸长率。如果烘箱没有观察窗而必须把门打开进行测量，则应在打开门后30s内测量完毕。烘箱温度按有关电缆产品标准对相关资料规定。c然后从试件上解除拉力，并使试件在规定温度下恢复5min。然后从烘箱中取出试件，慢慢冷却至室温，再次测量标记线间的距离。3.2.9.4试验结果的评定a在规定温度下负重15min后，伸长率的中间值应不大于有关电缆产品标准的规定。b试件从烘箱内取出冷却后标记线间距离的增加量的中间值对试件放入烘箱前该距离的百分比应不大于有关电缆产品标准的规定。3.2.10应测量导体与金属屏蔽盒（或）金属套间的电容。测量值应不超过制造方申明的标称值的8﹪。3.2.11雷电冲击电压试验及随后的工频电压试验应在不包括试验附件，长度至少10m的成品电缆上，于导体温度95℃应根据GB/T3048.13-2007规定的方法施加雷电冲击电压。电缆应耐受电压值1050kV正负极各10次雷电冲击而不击穿。雷电冲击电压试验后电缆试样应经受254kV（2U0）,15min的工频电压试验，由制造方任选，可在冷却过程中或在室温下进行。绝缘应不不发生击穿。结论本设计是在郑殿春老师的指导下，经过我多次认真的计算与校核，才得以最终完成。通过本次的毕业设计，我对电力电缆的课程有了一个系统和综合的了解。在学习中，已经认识到了自己对新知识的学习能力还并不够强。通过本次设计我得到了很大的锻炼，受益匪浅。而且更进一步拓宽了学习内容，开阔思路，了解了该系列产品的设计方法，为以后的工作打下了基础。此外，还使我进一步提高了查阅资料的技巧和写作能力。设计该产品，使我熟悉了改系列产品的设计过程和试验方法。总结如下：本型号电力电缆的基本结构为：导体，导体屏蔽层，绝缘层，绝缘屏蔽层，缓冲层，金属套和外护套。电缆导体线芯结构采用1+6+12+18+23的圆形紧压结构导体，导体直径为33.7mm，单线直径为4.26mm。其导体的结构和直流电阻符合GB/T3956-1997和GB/T22078.2-2008中表2规定。本产品的电缆绝缘很重要，本产品绝缘的安全裕度为1.25，符合规定中1.2-1.6的要求本产品的电缆长期允许载流量为1031A基本符合GB/T3956-1997的规定检验项目均按国标要求进行。致谢本学位论文是在我的指导老师郑殿春老师的亲切关怀与细心指导下完成的。非常感谢我的导师郑殿春老师。他为人随和热情，治学严谨细心。从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。郑老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨，正是郑老师的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢郑老师。参考文献卓金玉.电力电缆设计原理.机械工业出版社.1999.4:5~104国家电力公司.电线电缆及其附件实用手册.中国电力出版社.1996.7:112~132王春江主编.电线电缆第一手册.机械工业出版社.2001:198~231杜伯学等.电力电缆技术的发展与研究动向.2010:1~8罗俊华等.电力电缆及试验技术回顾.2004.4:1~6应启良等.我国超高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的应用与发展.电线电缆.2001.3:1~7JB/T8996——1999高压电缆选择导则:16~21GB/T2952.1——1989电缆外护套总则:1~9GB/T3048.13——1992电线电缆冲击电压试验方法:1~9GB/T3956.27——1997电缆的导体:19~20GB/T2952.2——1989电缆外护套金属套电缆通用外护套:8~12GB/T3953——1983电工圆铜线:15~17GB6995.1——1986电线电缆识别标志方法第1部分：一般规定:3~7JB5268.2——1991电缆金属套铅套:1~18GB/Z18890.1——2002额定电压220KV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件第1部分：额定电压220KV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件,2002:1~35附录TheDielectricLOSSMechanismsofXLPEPowerCablesLIUTong，JohnFothergill，SteveDodd，UlfNilssonAbstract：Basedontheclassicaltheoryofdielectricphysicsandrecentdevelopmentonpolymericinsulation，themechanismsofdielectriclossareexplainedandthelatestprogressforXLPEcableinsulationsystemisreported．Carryingoutalotofexperimentalworkandusingequivalentcircuitmodelsandmicroscopicanalysis，thispaperfindsthreelossoriginsthatarethemaincontributiontodielectriclossinXLPEpowercableinsulationsystematdifferentfrequenciesandtogethercontributetothe50Hzfrequency．Withthisnewfindingthecablemanufacturerscanimprovetheproductiontechnologyandtheelectricalengineerscanbetterunderstandthepowercableinsulationsystem，andthusresultinginthepossibilitytoreducethedielectriclossandincreasethelifetimeoftheXLPEpowercables．Keywords：powercable；XLPE；dielectricloss；dielectricspectroscopyApowercableisanassemblyusedfortransmissionofelectricalpower．Inpowersystems，powercablesarecriticalcomponentsusedallthroughthenetworkinpowerplants，substations，highvoltagetransmissionlines．andmainslines．Theoil．paperinsulatedpowercablewasinventedbyFerrantiinl89landusedforalongtimewithoutfundamenta1changesinthebasiccableinsulationsystemuntiltheearly1960s．whenpolymericinsulation，predominantlypolyethylene，cross-linkedpolyethylene(XLPE)andethylenepropylenerubber(EPR)，wereintroducedBecauseoftheintrinsicbreakdownstrengthofupto800kV／mmandenhancedoperatingtemperaturefrom75℃to90℃aftercrosslinking,XLPEcablesarethebestchoiceanddominatinginpowerindustrynowadays．ThetypicalstructureOfXLPEcablesisshowninFig1．TheconductorisinsulatedbytheXLPEinsulationlayer,whichissandwichedbytwoscreenlayers．Thiscomprisesthebasisofapowercablewithmetallicshieldingandoutercoveringlayersusedforfurtherprotection．0verhepast30yearsXLPEcablesystemfailurerateshavedramaticallydecreasedeventhoughthevoltagestresspermillimeterofinsulationhascontinuouslyincreased．500kVpowercableshavebeenalreadydevelopedformorethan10yearswithaninsulationthicknessof27mmHowever．withmoreandmoredemandingrequirementsfortheinsulationsystemsofpowercables．XLPEcablesarestillsubjecttofurtherimprovements．Theyhavetheproblemssuchasdielectricenergylossduetorelaxationandionicconduction，appearanceofwaterand／orelectricaltrees，whicharenormallyfoundafterlongtermoperating．Enormoustechnicalimprovementbasedontheresearchofhighvoltageengineeringandinsulationdielectricshasbeenthereforecarriedouttominimizethedefectsinpolymericpowercables，Thedielectricloss．asitexistsinevery1nsulationsystemforalltypesofpowerequipment，isconsideredasoneofthemostimportantparameterstoassessthequalityofapowercable．Dielectriclosstangent，ortangentdelta，iscommonlymeasuredat50Hztomakesurethatthecableinsulationsystemdoesnothaveexcessiveenergyloss，whichisproducedduringpowertransmission／distribution．ThetanvalueofverylowlossXLPEpowercables，typicallyrangingfrom10to10foranewdegassedMVcableatroomtemperature，canbemeasuredwithhighprecisionScheringbridgeasanon—destructiveevaluation．XLPEhasbeenfoundtohavethelowesttansofar,withthebestinsulationpropertiesforhighvoltagepowercables．However,theunderlyingmechanismsthatcontributetothemeasuredspotfrequencyvalueat50Hzarenotclearandsubjecttoresearchstudynowadays．Thedielectriclossmechanismstudyofpowercablescanprovidenotonlydeeperknowledgeonunderstandingthepowercableinsulationsystem，butalsohelptothecableindustryforbetterdesigningofpowercableswithlowerlossandlongerlife．ThispaperintroducesthestudyontheoriginsofdielectriclossinXLPEpowercables．basedonboththeoreticalandexperimentalworkattheUniversityofLeicester,UKincooperationwithBorealisCompanyinSweden．1TheTheoriesonDielectricLoss1.1MacroscopicExplanationoftanThedielectriclossisdefinedfrompermittivity,whichisthemostimportantparameterforaninsulationmateria1．ThecomplexpermittivityrepresentsthematerialsenergystoragecapabilityanddielectriclossrateAsshowninFig．2(a)，theequivalentcircuitofaninsulatorunderappliedpowerfrequencysinusoidalvoltagecouldsimplyexplaintheoriginofdielectricloss．Theresistivelosscurrent，whichisinphasewiththeappliedvoltage，shiftsthecapacitivecurrentorchargingcurrentoftheinsulatorwith，asmallphaseangle，whichreflectsthedielectriclossinthisinsulationmedium.Sincethetotalcurrentisnolongerpurecapacitive，theratioofthelosscurrentoverthechargingcurrentisdefinedasdielectriclosstangent．whichrepresentstheproportionofdissipatedenergyinarepeatingcycleduringpowertransmission，ascalculatedby.Thisdielectriclossphenomenonisvalidforallinsulationmaterials.althoughthelossmechanismsarestillnotclear．AsforXLPEinsulationofpowercables.theexistingbackgroundknowledgeislimited．Twofundamenta1theories．whichareintroducedinthefo1lowingsections，areutilizedinthisworktohelpexplainthedielectriclossmechanic1.2Polarization／relaxationWhenaninsulationmaterialpreventscurrentfromflowingthroughitunderanappliedvoltage，itselectrons，atomsandmoleculesmoveelasticallytostorethevoltagepotentia1．Athighfrequencies，thereareelectronicpolarizationandatomicpolarization．Theformerisaslightdisplacementoftheelectronsofanyatomwithrespecttopositivenucleus，andthelatterisanarrangementdistortionofatomicnucleiinthemoleculeorlatticeAtlowerfrequencies，e．g．50Hz，themoleculeswithpermanentdipolemomentstendtobealignedbytheappliedfieldtogiveanetpolarizationinthatdirection．Therateofdipolarorientationishighlydependentonmolecule-moleculeinteraction．Theorientationofmoleculardipolescanmakeacontribution，whichislargebutmaybeslowtodevelop，tothetotalpolarizationofamaterialinanappliedfield．Lowfrequencydispersionexistsattheverylowfrequencieswhereresistiveconductiondominates．Inthisfrequencyrange，multipledielectriclossoflongchainmoleculesmightalsobepresentThismolecularrelaxationcanbeexaminedbydielectricresponsemeasurementonrealpermittivityandimaginarypermittivity．Polarization／relaxationofdielectricmaterialsareshowninFig．3．InFig．3，everypolarizationcorrespondsalosspeakinimaginarypermittivityandi