电力电缆线路设计课件

第二章电力电缆线路设计主讲：高广德机械与材料学院2023/6/61第二章主要内容第一节电缆线路设计基础知识第二节电缆的选择第三节充油电缆线路设计第四节直流电缆绝缘的设计特点第五节防雷保护及减少金属护套感应电压计算2023/6/62一、电缆线路的损耗

运行中的电缆线路，因其电缆结构特性，使得电缆线路产生各种损耗，这些损耗是影响电缆长期运行的允许载流量的重要因素之一。第一节电缆线路设计基础知识2023/6/631.运行中的电缆导体损耗计算导体损耗，指因电缆本身的电阻，而使得导体的一小部分功率转化为热量的损耗。

2023/6/642.电缆绝缘层的介质损耗

2023/6/653.电缆金属护套接地损耗为了安全，电缆金属护套两端接地，与大地形成通路，将会引起回路电流损耗。即使单点接地，不会形成回路电流，也会有涡流损耗（较小，可忽略）。2023/6/662023/6/674.电缆铠装层和加强层的损耗电缆铠装层和加强层的损耗产生的原因与电揽金属护套的损耗产生的原因相似，只要与大地形成通路，在导体电流的作用下，就有电能损耗。2023/6/68二、电力电缆长期允许载流量的计算和近似计算

电缆的长期允许载流量：是指在电缆内通过规定电流时，在热稳定后，电缆导体达到长期允许工作温度时的电流量。由以下三个因素决定：（1）.电缆的长期允许工作温度；（2）.电缆本体散热性能；（3）电缆装置情况及其周围环境散热条件。电缆周围环境温度越高，则电缆的载流量越小，所以一条电缆线路，在夏天的允许载流量小，而在冬天的载流量可以大些。2023/6/691.电缆的长期允许载流量计算2023/6/6102023/6/611公式分析：（1）.环境温度的变化影响电缆的长期允许载流量值环境温度，是指在正常情况下敷设电缆的场所周围环境介质的温度。通常一般情况下取决于地理、气象等条件。因此，电缆敷设的环境不同，其电缆的长期载流量是不同的。2023/6/612为了方便计算电缆的长期允许载流量，通常对不同的敷设场所设定一个环境基准温度。电缆的长期允许载流量也会随着温度的变化而发生变化，即温度越高，长期允许载流量就越小。同样的一条电缆线路，冬季的允许载流量可以大一些，夏季的允许载流量应小一些。具体到某一条线路时，若除环境温度影响，在其他条件与标准敷设条件相同环节中，则电缆允许载流量的计算式为:2023/6/6132023/6/614（2）.电缆导体载面变化影响电缆的长期允许载流量值。2023/6/615（3）.电缆周围环境的热阻2023/6/6162023/6/6172023/6/618（4）.并列敷设的电缆根数因散热问题也影响电缆长期运行载流量变化。电缆并列敷设的根数越多，间距就越近，电缆产生的热量散发越困难，其电缆的载流就必然减小。对于分别敷设设在空气和直埋敷设于土壤中的多根电缆，其相对于单根电缆的校正系数分为K1和K2。见P39表2-7和表2-82023/6/6192023/6/6202.电缆长期允许载流量的近似计算2023/6/6212023/6/6222023/6/623电缆的电气参数决定了电缆的传输性能。取决于电缆的结构和几何尺寸，以及各部分所用材料的电阻系数、介电常数和磁导系数等。1.电缆线芯电阻电缆线芯电阻计算，考虑线芯直流电阻和线芯有效电阻计算两项。三、电力电缆的电器参数计算2023/6/624（1）电缆线芯直流电阻计算最高工作温度下，单位长度电缆线芯直流电阻的计算式2023/6/6252023/6/626（2）线芯有效电阻计算在交流电流作用下，由于集肤效应和邻近效应，将使线芯电阻增大，此时的电阻称为有效电阻。该值的简化计算式:2023/6/6272.电缆的电感

线芯电感为内感与外感之和。内感是线芯内部的磁通链所产生的电感，外感是线芯外部的磁通链所产生的电感。2023/6/6282023/6/6292023/6/6303.电缆的绝缘电阻电缆绝缘电阻由绝缘材料的电阻系数和电缆尺寸确定。2023/6/6312023/6/6322023/6/6334.绝缘材料的绝缘电阻系数电缆常用绝缘材料的绝缘电阻系数与温度和测量时的电场强度有关。一般说来，它随温度和场强的上升而下降。含杂质较多、绝缘电阻系数较低的材料，随温度上升而下降得较多。聚氯乙烯绝缘比浸渍纸绝缘随场强变化的关系更为明显。2023/6/6342023/6/635计算电缆的工作绝缘电阻（交流泄漏电阻）或用交流电压测量电路的绝缘电阻时，电阻系数ρ应取其相应频率下的数值。由于绝缘电阻系数在交流情况下比直流情况下小得多，因此用直流测得的电缆绝缘电阻比用交流测得的高得多。电缆实际工作绝缘电阻等于绝缘层承受电压的平方除以绝缘层的介质损耗。2023/6/6365.电缆的电容电缆本体相当于一个标准的圆柱形电容。导线芯和接地的金属屏蔽层构成了电容器的两个电极。尤其是在超高压电缆线路中电缆的电容电流可能达到与电缆暂态电流相当的数值，成为限制电缆容量及传输距离的因素。然而，电容也是电缆绝缘本身的一个重要参数，可用来检查电路工艺质量、绝缘质量的变化等。2023/6/6372023/6/6382023/6/639正确选择电力电缆型号，对电缆投入使用确保安全运行是十分重要的。设计电路线路或选用电缆时，电缆型号和规格的选择主要从电缆绝缘种类、电缆护层种类和导体材料及截面等方面考虑。第二节电力电缆的选择2023/6/640一、电缆型号的选择电缆型号的选择应首先考虑满足电力电缆敷设场合的技术要求，并在此基础上考虑线芯以铝代铜，绝缘层以橡塑油浸纸，金属护套以铝代铅以及在外护层上发展橡塑护套或组合护套等。1普通电缆型号的选择见表1-2到1-82高压电缆的选择2023/6/641二.按电力电缆导体截面积选用电缆需满足负荷电流、短路电流以及短路时的热稳定等要求。（1）导体温度不超过允许工作温度和短路温度，应根据电缆线路的负荷电流和短路电流在电缆的标称截面系列中选择电缆导体截面。（2）对输、配电电缆线路，主要按负荷电流和电缆导体的长期允许温度选择其电缆导体截面。2023/6/6421.按电缆长期允许载流量选择电缆截面2.按电缆短路时的热稳定性选择电缆截面

2023/6/6432023/6/6443.根据经济电流密度选择电缆截面一般在电缆线路最大负荷利用而长度又超过20m时，则按经济电流密度来选择截面。2023/6/6454.根据供电网络中允许电压降校核电缆截面

2023/6/646三、按绝缘种类选用电力电缆1.一般低压线路

380V线路用电缆在一般场所多选用聚氯乙烯电缆。但聚氯乙烯电缆着火燃烧时会产生大量黑烟和氯化氢等强腐蚀性气体，故在火电厂、核电站等不宜采用,而应选择其他性能较好的电缆，如耐阻燃型电缆；而用于船舶的电缆则要选择船舶专用电缆。2.中低压电力电缆线路在6~35kv中低压电力电缆线路中，国际上多选用交联聚氯乙烯电缆，我国主要选用不滴流电缆或交联聚氯乙烯电力电缆。3.高压电力电缆

110KV及以上电压等级的电缆，可根据具体情况选用自容式充油电缆、钢管充油电缆、交联聚氯乙烯电缆。2023/6/647四、按护层种类选用电力电缆（1）明敷油纸绝缘电缆要选用裸钢带铠装（2）在易受腐蚀的环境中或在地下直埋敷设时要选用钢带外有外护套的电缆（3）在水下敷设或电缆可能受到较大拉力时要选用钢丝铠装电缆（4）有金属护套的电缆敷设在易振场所时要选用铝护套电缆（5）交联聚氯乙烯电缆敷设在水下，或者电压等级为63KV及以上时，要选用有防水金属护套的电缆，在水下敷设或受到较大拉力时也要选用钢丝铠装电缆。2023/6/648五、电缆附件的选择根据电缆的额定电压、结构、绝缘材料、芯数和截面积以及安装环境的不同，电缆中间接头和终端接头有多种型号。见第四章六、直埋电缆埋深要求直埋电缆敷设的埋深，是从防护电缆和兼顾经济性综合考虑的。见表2-182023/6/6492023/6/650一、油路分段油路分段：将油路分隔成若干油段增加供油点将油路分成若干供油段。通常采用塞止电缆接头将电缆线路的油路分隔成若干供油段，使每一供油段内的油压处在允许范围内。电缆内部暂态油压的最大值与供油段长度的平方成正比。第三节充油电缆线路设计2023/6/651当线路供油长度较长时，暂态油压最大值会超过允许值，此时常采用在电缆线路两端同时供油的方法，即将原来由一端供油时的供油长度分为等长两段，从而暂态油压的最大值就降低至原来的1/4。它不需任何特殊的接头，因此是最简单的方法。当电缆线路更长，采用此方法仍不能满足要求时，则要求在线路的适当地点安装特殊的接头，将整个油段分隔成两段以上的供油段，以降低暂态油压最大值。这种能把油路分段的特殊接头一般分塞止电缆接头和供油电缆接头两种。2023/6/652供油电缆接头是使电缆油能从供油装置进入电缆油道而又不使电缆的油路在该接头内被隔断的一种接头。因此其结构要比塞止电缆接头简单，内部电场分布也比较均匀，所以比塞止电缆接头安全可靠。对于三芯自容式充油电缆而言，直线电缆接头就可作为供油接头使用，因为三芯充油电缆的油路是在金属套内的三个缆芯之间，可通过接头的外壳直接与供油装置接通。但对于单芯电缆，它的油路在导体的中心，必须经过绝缘层才能与供油装置接通，因此须采用不同于直线电缆接头的特殊供油接头。如果电缆线路受到严重外力破坏时，电缆内部的油会大量流失而使绝缘受到不利影响。这时的线路又特别长时，需要安装塞止电缆接头分隔油路，以减小受到损害的电缆长度。2023/6/653二、电缆供油装置的选择原则（1）供油装置可采用压力箱。压力箱的可能供油量，宜按夏季高温满载、冬季低温空载等电缆可能的工况下油压的最大变化范围条件确定。（2）电缆需要的供油量，应计及负荷电流和环境变化所引起电缆线路本体及其附件的油量变化总和。（3）供油装置的供油量，宜有40%的裕度。（4）电缆线路一端供油方式，当每相仅一台工作油箱时，对重要回路应另设一台备用供应油箱；当每相配有两台及以上工作油箱时，可不设置备用油箱。2023/6/654三、油箱个数计算最好采用每相单独用一只压力箱供油的彼此独立的供油系统。正常运行时，联络阀门处于关闭状态，形成各自的独立供油系统，若有某一相得压力箱有故障或需要维护时，才打开其相关的联络阀门，使两相临时公用一个压力箱。2023/6/6552023/6/656四、电缆线路油压要求（1）电缆线路最高部位油压，在冬季最低温度空载时，不得低于允许最低工作油压。（2）电缆线路最低部位油压，在夏季最高温度满载时，不得小于允许最低工作油压。（3）电缆线路最低部位或供油装置区间长度一半部位油压，在夏季最高温度突增至额定满载时，不宜大于允许最高暂态油压。2023/6/657（4）电缆线路最高部位或供油装置区间长度一半的油压，在冬季最低温度从满载突然切除时，不得小于允许最低暂态油压。（5）自容式充油电缆的允许最低工作油压和暂态油压，必须满足维持电气性能的要求，且遵守下列规定：2023/6/658遵守下列规定：1.允许最低工作油压不得小于0.02MPa；2.铅包、铜带径向加强层构成的电缆，允许最高工作油压不得大于0.4MPa，用于重要回路时不宜大于0.3MPa：3.铅包、铜带径向与纵向加强层构成的电缆，允许最高工作油压不得大于0.8MPa，用于重要回路时不宜大于0.6MPa；4.允许最高暂态油压，可按1.5倍允许最高工作油压计。2023/6/659五、暂态压力计算当电流负载增加时，油的体积就会膨胀，油被挤入压力箱，在离开压力箱远的地点的压力就高于接近压力箱地点的压力；反之电缆负载减小时，油的体积将会收缩，压力箱又把油压入电缆，在远离压力处的压力就低于近端的压力。对于油在油道中流动时电缆线路上各点的压力随着时间变化的现象，即称为暂态压力。电缆内部的电缆油随膨胀或收缩而产生的暂态压力也可分别称为暂态压力升或暂态压力降。暂态压力的大小与电缆一端供油和二端供油有关。2023/6/6602023/6/661六、充油电缆供油系统油箱选择供油系统是自容式和钢管式充油电缆线路的一个重要组成部分。通常充油电缆的供油系统由压力箱、供油管、真空压力表，真空阀门、绝缘管及电接点压力表组成。对于自容式充油电缆来说，其电缆的油压是借助于与之相连接的供油设备来保持的，因此供油箱式充油电缆的供油主要设备。根据其油箱的结构和工作原理，可分为重力供油箱，压力供油箱（简称压力箱）和平衡供油箱（或称恒定压力箱）。2023/6/6621.重力供油箱利用供油箱安装高度形成的自然压力来维持充油电缆油压的供油装备称为重力供油箱。2023/6/663特点是供油压力与供油吞吐量的大小和环境温度无关，油压仅与油箱中的油位与该处高差有关。这种供油箱的优点是压力变化平坦、结构简单、维护方便；缺点是体积较大，需要安装在一定的高度（线路的最高处的终端）及有可利用的高建筑构架放置重力箱，才能保持电缆所需要的油压范围，需油量大，线路较短。2023/6/664重力箱一端供油特点如下：（1）.供油段的长度较长；（2）.油压稳定，压力变化比较平坦；（3）.即使电缆线路有落差，重力箱供油容量也不变化；（4）.对倾斜的线路供油段可延长。2023/6/6652.压力供油箱压力供油箱工作原理看P57图2-11根据压力箱供油的特点，分两种布置形式（1）.压力箱一端供油特点及使用条件（2）.二端压力箱供油特点及使用条件2023/6/6662023/6/6673.组合供油箱系统供油段长度为3000~4000m的电缆线路，可将压力供油箱和重力供油箱组合使用，称为组合供油系统或称混合供油系统，是一端压力供油箱、一端重力供油箱供油。2023/6/6684.平衡（恒压）供油箱由于重力供油箱必须安装在高处才能使用。这使得重力供油箱的使用受到限制。而压力供油箱正好相反，安装点可任意选择，但它的供油压力随供油量和温度变化，当压力高时，供油量相同的条件下，压力变化更大。2023/6/6692023/6/6705.其他结构形式的供油箱2023/6/671七、充油电缆构筑物的转角和结构尺寸设计计算电缆线路上的土建设施，必须根据电力敷设的允许弯曲半径进行设计，以求最大限度地满足敷设施工的要求。当井坑电缆线路路径的高程不同时，电缆会出现立面弯曲。为了满足电缆弯曲半径的要求，立面弯曲同平面弯曲一样，也要进行削角处理。有些不易进行削角处理的立面弯曲部位，在敷设前，可制作特种转角钢支架加以调整。P612023/6/6722023/6/6732023/6/6742023/6/675八、电缆固定设计安装在构筑物中的电缆，特别是充油电缆，其结构尺寸较大，且笨重，需要在电缆线路上设置适合数量的夹具加以固定，用以承受电缆的重力，以免电缆护层遭受机械损伤；同时还应充分考虑电缆因负荷或气温的变化而热胀冷缩引起的机械应力。2023/6/676一、概述交流输电系统能十分便捷地将电缆送到用户，应用电力电缆作为送电载体的最大问题是损耗大。从电缆的结构讲，这些损耗有导电线芯损耗、介质损耗、金属屏蔽损耗和铠装损耗等，电缆在运输过程中，上述总损耗占总的传输功率的1/5。对于远距离输电，电缆的电容电流也会严重地影响传输电流。第四节直流电缆绝缘的设计特点简介2023/6/677尤其是电缆的长度达到临界长度时，所有电流几乎全部转为电容电流。跨海送电可以采用交流输电方式，但必须采用电抗器补偿，而海上实不可能架设杆塔的，最好的方法是采用高压直流电缆线路。直流电缆的结构与交流电流的结构基本相同，不同点是绝缘设计差异较大。直流电缆结构设计与其电场分布有关。2023/6/678（一）直流电压下的电场分布2023/6/6792023/6/680（二）直流电缆的设计特点直流电缆的结构和交流电缆基本相同，对于附件，亦应考虑温度对场强分布的影响。直流电力系统的发展滞后于交流电力系统，尤其是高压直流电力电缆的研制远远滞后于交流电缆。目前直流电力还主要使用油纸绝缘，大多采用充油电缆。由于在直流电压下，场强和电导率成反比，绝缘中的气隙等弱点承受场强较小，电场分布合理，基本消除了局部放电，所以击穿强度大大高于交流下的击穿强度。国际大电网会议建议极性转换试验在1.5倍工作电压下进行，这相当与电缆缓慢加上2.5倍工作电压。2023/6/681二、直接电缆接头盒的设计特点1.增绕绝缘厚度2023/6/6822.直流电缆应力锥形状和长度2023/6/6833.直流电缆反应力锥的形状和长度2023/6/6844.瓷套长度由于直流电缆静电吸尘，瓷套表面的污秽状况比交流电缆严重得多，因此设计瓷套长度时，泄漏距离应取得比交流电缆大。直流电缆接头盒瓷套长度的确定方法，与交流电力接头盒瓷套基本相同。2023/6/685第五节防雷保护及减少金属护套感应电压计算一、电缆线路的防雷保护雷电将直接或间接导致电力系统的部分设备或线路产生雷电过电压危及电力系统安全运行，是电力系统发生故障的主要因素之一。尽管电缆线路大多数都埋设在地下、水下、管道等构筑物中，而架空绝缘电缆只占极少数，遭雷击可能性很小，但它必定是与架空线或其他电气设备相连的，同样有被雷击的可能。必须了解电缆线路的防雷保护和与之相关的电缆接地装置设计的基本知识。2023/6/6861.电缆主要绝缘的防雷保护措施及设备为了保证电缆线路的安全运行，必须考虑对电缆的主绝缘和金属护套进行防雷保护设计。电缆的主绝缘的防雷保护，可采用空气间隙和避雷器。另外，在发电厂、变电站，除使用避雷器，也采用避雷针（线）作为防雷保护，处于这些地方的电缆因此而受到保护。（1）保护间隙：主要用于限制大气过电压，一般用于配电系统、线路和变电站进线端保护。采用保护间隙的防雷保护措施目前已基本被淘汰。（2）避雷器：用来保护变（配）电设备和线路免受大气过电压的损害。它接于高压导线与地之间，借助于火花间隙和阀片的作用，限制被保护设备上的过电压值小于允许电压值，并在半个周期时间内切断工频续流，从而对变（配）电设备起保护作用。2023/6/68720世纪20年代，出现了铝避雷器、氧化膜避雷器和丸式避雷器。30年代出现了管式避雷器。50年代出现了碳化硅避雷器。70年代又出现了金属氧化物避雷器。现代高压避雷器，不仅用于限制电力系统中因雷电引起的过电压，也用于限制因系统操作产生的过电压。1）管式避雷器，是一种灭弧能力很强的壁雷器。2）阀式避雷器分为碳化硅避雷器和金属氧化物避雷器见P66图2023/6/6882023/6/6892.电缆金属护套的防雷保护雷电流不仅会侵入电缆的导体，还会侵入电缆的金属护套。当雷电流侵入时，雷电波在终端和绝缘接头的金属护套处会发生畸变，产生相当的过电压，以至使电缆的外护层被击穿危及电缆的安全运行。因此，必须对电缆的金属护套、外护套采取防雷保护措施，一般都使用护层保护器。电缆护层保护器，应用于单芯电力电缆线路中，限制电缆金属护层上的感应过电压，确保护层绝缘不被过电压击穿，在一端接地的电缆线路路线及交叉互联的电缆线路中都可使用它。

2023/6/690护层保护器分单相式与三相式两种，主要元件是非线性电阻的阀片。其工作原理同金属氧化物避雷器工作原理相似。单相式护层保护器是将一片或几片阀片装在一个密封罐内，或密封在一个环氧树脂的铸件内。三相式护层保护器是将三组阀片接成星形接线，并进行密封，适用于终端或工作井内的绝缘头。三根同轴引出线与绝缘接头连接。2023/6/691但从经济角度考虑，一般仅对110KV及以上电压等级的超高压电缆的金属护套、外护套作防雷保护。由于雷电流在金属护套的传输现象很复杂，迄今为止，还没有研究出好的方法对电缆金属护套进行防雷保护，对此各国正加紧研究。如日本对电缆金属护套的防雷保护主要采用气体绝缘金属封闭电器电缆终端保护。2023/6/6922023/6/6933.塔终端处电缆的防雷保护处于塔终端的电缆，其金属护套也必须做好防雷保护。间接接地方式如图2-26所示

2023/6/694电缆5的金属护套通过贴塔1间接连接接地接地。但因铁塔体与电缆金属护套处于同一电位，电缆金属护套的感应电流会流到铁塔上，对铁塔有一定的腐蚀作用。直接接地方式如图2-26（B)所示将位于铁塔1上的电缆5的金属护套用接地线3引至地面并接地。当接地线3过长时可另加装保护装置4并接铁塔。它与间接接地方式相比，电缆金属护套的感应电流不会流到塔体上，但雷电流侵入时，由于接地线长、波阻抗大，抑制雷电流不充分，将导致电缆金属护套与塔体的电位差很高。2023/6/6954.接头处的防雷保护对于电缆线路交叉换位处的绝缘接头，必须采用外护层保护装置对接头的绝缘处作防雷保护。2023/6/696二、金属护套感应电压计算及减少感应电压方法接地是将电气设备的某些部分用导线与埋设在土壤或水中的金属导体相接连。为保证电缆金属护套对地保持良好的绝缘，安装时应根据线路的不同情况，按照经济合理的原则，在金属护套的一定位置采用特殊的连接和接地方式，并同时装置护层保护器以防止电缆护层被击穿。2023/6/697单芯电缆的导线与金属屏蔽可看座一个变压器的一次绕组与二次绕组。当电缆的导线通过交流电流时，其周围产生的一部分磁力线将与屏蔽层铰链，使屏蔽层产生感应电压。感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比，电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来会达到危及人身安全的程度。在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，屏蔽上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。2023/6/698如果屏蔽两端同时接地使屏蔽线路形成闭合通路，屏蔽中将产生环形电流，电缆正常运行时，屏蔽上的环流与导体负荷堵电流基本上为同一数量级，将产生很大的环形损耗，使电缆发热，影响电缆的载流量，减短电缆的使用寿命。因此，电缆屏蔽应可靠、合理地接地，电缆外护套应有良好的绝缘。2023/6/6991.金属护套感应电压计算当电流在交变电压运行时，线芯中通过的交变电流必然会产