1、本科毕业论文（20 届）220kV 大截面电缆结构设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -220kV 大截面电缆结构设计摘要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。近几十年来，电能需求量的不断增长，远离工业中心的大型水电站的开发，更需远距离输送电能，使输电电压水平迅速上升。交联聚乙烯绝缘电力电缆以其合理的工艺结构，优良的电气性能和安全可靠的运行特点，近年来在国内外获得了迅猛的发展。尤其在高压输电领域更取得了巨大的发展。
2、超高压、大长度、大截面和高可靠性已成为当今电力电缆技术发展热点。在这里介绍了高压大截面电缆的用处，高压大截面电缆的在国内外的应用，并举出了实例，描述了高压大截面电缆的发展前景。对 220kV2500mm2 的电缆进行了设计，2500mm2 截面的电缆线芯采用的是分割导体，详细的计算了电缆的绝缘厚度、缓冲带、纵向阻水层、绝缘屏蔽、金属护套和外护套的外径厚度尺寸。并计算了电缆的电气参数，其中有导电线芯直流电阻的计算，电缆交流电阻的计算，电缆绝缘电阻的计算，电缆电容的计算，电缆电感的计算，绝缘介质损耗的计算，金属护套损耗的计算，电缆各部分热阻的计算，电缆连续允许载流量的计算以及电缆允许短路电流的计算
3、。关键词 220kV；大截面；电缆；应用；设计哈尔滨理工大学学士学位论文- II -220kV large cross-section cable structure designAbstractAlong with the rapid development of Chinas economy, City modernization level unceasing enhancement, power cable in the grid as a city of important equipments, the speed of development fast, average annu
4、al growth reached thirty-five percent. In recent decades, the growing demand for electricity, away from the center of the industry development of large hydropower station, need more to long-distance transmission of electricity, make the transmission voltage level up rapidly. Crosslinked polyethylene
5、 insulated power cables with its reasonable technical structure, excellent electrical properties, safe and reliable operation characteristics, in recent years at home and abroad and the development of the obtained rapidly. Especially in the high voltage electricity field in more made great developme
6、nt. High pressure, big length, large cross-section and high reliability has become the power cable technology development hot spots. Here introduces the high voltage large cross-section cable use and the high pressure large cross-section cable in the application of both at home and abroad, and the e
7、xamples,describe the high pressure large cross-section cable development prospects.In 220 kV2500mm2 cable to carry on the design, 2500 was the section cable core USES is the segmentation conductor,Keywords 220kV; Large cross-section; cable；application；design哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1
8、章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 大截面电缆在国内外的应用 .11.3 设计内容 .2第 2 章 220kV2500mm 2电缆结构 .32.1 分割导体的股块构成。 .42.1.1 2500mm2五芯分割导体结构设计及制作 .52.1.2 分割导体关键参数的选取和设定 .52.1.3 填充系数的选取和成缆外径的设定： .52.1.4 计算单个股块的截面积 SA.62.1.5 单线直径选取。 .62.2 绝缘厚度的确定 .72.2.1 按照冲击场强计算绝缘厚度 .72.2.2 按工频场强计算绝缘厚度 .82.3 缓冲带和纵向阻水层结构确定 .92.4 绝缘屏蔽层 .102.5 金属护
9、套的选择 .102.5.1 金属护套的种类 .102.6 金属护套选用的一般原则 .112.7 外护套选择 .122.8 基本参数 .12第 3 章 220kV2500mm 2电缆各参数的计算 .143.1 导电线芯的直流电阻 .143.2 电缆的交流电阻 .143.3 电缆的绝缘电阻 .153.4 电缆电容 .153.5 电缆的电感 .163.6 绝缘介质损耗 .173.7 金属护套损耗 .173.8 电缆各部分热阻计算 .183.8.1 绝缘热阻 T1.18哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -3.8.2 外护套的热阻 T3.183.8.3 土地中的热阻 T4.193.9 电缆连续允许载流
10、量的计算 .193.10 电缆允许短路电流的计算 .193.11 电缆电气参数 .20结论 .21致谢 .22参考文献 .23附录 .24哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 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 3。发电厂把机械和热等形
11、式的能量转换成电能，电能经过变压器和输电线路输送并分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的各种形式的能量。这些生产、输送、分配和消费电能的各种电器设备连接在一起组成的整体称为电力系统。电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网。它包括升降变压器和各种电压的输电线路。为了降低发电成本和保证供电的可靠性，现代的电力系统都是将分散的电力系统并网联成一个大的电力系统整体运行。在 80 年代初，世界各国几乎 90%的电厂容量集中的国家大力电力系统中，甚至建立巨大的国家间联合电力系统。大系统的远距离输电必须使用较高的电压。架空的交流输电线路传输的功率大致碎系统运行电压的二次方成正比增加。近几十年来
12、，电能需求量的不断增长，远离工业中心的大型水电站的开发，更需远距离输送电能，使输电电压水平迅速上升。交联聚乙烯绝缘电力电缆以其合理的工艺结构，优良的电气性能和安全可靠的运行特点，近年来在国内外获得了迅猛的发展。尤其在高压输电领域更取得了巨大的发展。敷设安装方便运行维护简单，没有油的流淌问题，较之充油电缆有着巨大的优越性 8。1.2 大截面电缆在国内外的应用目前日本已开发 750kV 级交联聚乙烯剧院电力电缆，俄罗斯 220kV级交联聚乙烯绝缘电力电缆已稳定运行 10 年左右。目前我国交流输电系统额定电压最高仅达 500kV，而入国外如俄罗斯输电电压已达 1150kV，并开始对 1500-250
13、0kV 输电建设的技术进行开发研究，美国在 1985-1995年间就采用 1000/1100kV 高压输电。随着城市供电量的增长，各电压等级的主变容量亦在不断提高，因此电缆的输送容量亦需不断提高。为了迎合日益增长的输送容量的需求，中、低电压等级最常用的方法就是使用双拼电缆。从电缆成本角度来讲，双拼电缆约为单根大截面电缆的 1.2 倍。并且前者终端及接头是后者的二倍。敷设及安装费用也是后者的二倍。同时，哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -由于双拼电缆敷设占用的空间也是单根的二倍，相应的土建费用也需增加。对运行维护来说复杂程度增加一倍，安全性相对降低。而双线并联的开关及变压器比单套的开关及变压器复
14、杂系数增加，成本相应增加。国外开发高电压等级大截面电缆的主要原因正是由于采用双拼电缆成本太高。在日本，为了对应架空线的大容量化进行研究，开发了 2500mm23000mm 2 的大截面电力电缆。1986 年开始相继使用 66kV275kV 的大截面电缆。如向东京都中心城区输电的 275kV 地下电缆采用的大截面电缆初期建成的输送容量约为 900MW,后期建成的设有冷却系统的电缆其容量已能达到1360MW。面日本古河电缆公司在 19811999 年期间向日本供应的2500mm2 大截面电缆总长就有 210.745km。上海作为全国最发达城市之一，大截面电缆的使用已提到议事日程上，220kV 浦建
15、站 4 回进线因受外部因素影响，均采用 2500mm2 大截面电缆，电缆单相长度 1.2km。该项目电缆线路投运于 2006 年 6 月，是国内首条 2500mm2 大截面电缆线路。目前上海地区 500kV 世博变电站和 500kV 虹杨变电站的 500kV 大截面电缆进线也正在设计阶段 4。1.3 设计内容本文设计的是 220kV 截面 2500mm2 的电缆。对 220kV 截面 2500mm2 的电缆的结构进行了设计，包括分割导体截面的计算，绝缘厚度的确定，缓冲带阻水层结构的确定，绝缘屏蔽层的确定，金属护套的选择，外护套的确定。并且计算了 220kV 截面 2500mm2电缆的各种电气参
16、数。包括导电线芯的直流电阻，电缆的绝缘电阻，电缆的电容，电缆的电感，绝缘介质损耗，金属护套损耗，电缆各部分热阻的计算，电缆允许载流量以及电缆允许短路电流的计算。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -第 2 章 220kV2500mm2 电缆结构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，实则为电测能的传播。电磁能流动传播的矢量成为坡印亭矢量s，其和电场强度 及磁场强度 的关系为 它的切向分量()S()EHES标志着有电磁能量沿导线传输。它的法线分量 标志HESnt ESn着还有电磁能量由导线表面穿入到内部化为热能散失。由于导体传输电流的容量并不是随着导体截面的增加而线性增加
17、，这种现象是由于导体在传输交流电流的过程中“ 集肤效应 ”（所谓集肤效应又称趋肤效应 ,当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中）和“邻近效应” 造成的 3。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(2-1)1( psyR式中 为最高工作温度下，导电线芯的单位长度直流电阻，单位为 /m；R为集肤效应因数； 为临近效应因数。集肤效应因数即由于集肤效应sypy使电阻增加的百分数，可由下式求得(2-2)48.0192SssX式中 其中f 为电源频率，工频为50Hz
18、； 为单位长度电缆sSkRfX72108 R导体闲心直流电阻，单位/m； 为分割道题取0.435 外均取1。临近效应sk因数 ，即由于临近效应是电阻增加的百分数，可用下式表示py(2-3) 27.08.192.3.08.0192 424 pCcpp XsDsX式中， ，其中 、 与上面相同， 除分割道题取0.37ppkRfX72Rfk外。其他形式线芯取0.8-1； 为线芯外径，对于扇形线芯电缆，等于截c面积相同的圆形芯的直径，如 为线芯截面，则扇形等效园的直径为A(2-4)Dc4哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -为线芯中心轴间距离，对于扇形多心电缆 ， 危险新间绝缘层s cDs厚度，其临近效
19、应因数 为计算值乘2/3。随着导体截面的增大，这种现py象会越来越显著，因此110-220kV 交联聚乙烯绝缘高压及超高压电力电缆标准中，明确规定了截面在800mm 2以上的电缆导体必须采用分割导体，以减小“集肤效应 ”和“邻近效应”引起电缆的导体电阻增加对传输能量的影响。一种大截面铜芯五分割导体，包括五个大小和截面形状均相同的铜芯股块，由该五个铜芯股块按一定方向扭合成缆，所述的大截面铜芯五分割导体还包括设置在该铜芯股块之间、将各股块隔离开来的绝缘皱纹纸，以及包裹在该铜芯股块外围的半导电尼龙带、包裹在最外层的无纺布保护层。本实用新型通过将大截面铜芯导线化整为零，将原来的铜芯截面均匀分割成五个相
20、互隔离的股块，从而将“集肤效应” 和“临近效应”的不利影响降到最低限度，大大提高了导线的传输容量。分割导体的结构设计分割导体是由分割股块、隔离绝缘皱纹纸、扎带、半导电尼龙带、导体填充等部分组成，其中，每个股块外要纵包隔离绝缘皱纹纸，股块成缆后在分割导体外首先要用扎带捆紧，再绕包半导电尼龙带，最后缠绕无纺布保护层。另外，分割导体中心采用导体填充。分割导体实际截面积的计算。在GB/T1017-20021及GB/Z18890-2002 2中规定了 2500mm2的导体电阻值。由此可以推算出导体的最小截面积。2.1 分割导体的股块构成目前实际生产中，分割导体一般有四芯、五芯、六芯分割等几种类型。分割股
21、块的形状有扇形、瓦愣形中间加圆形等形状。分割导体中股块越少，在生产时绞合、紧压、成缆等工艺上比较容易实现，但从结构稳定性和耐弯曲性能及避免产生“ 集肤效应 ”和“邻近效应”的作用上，多股块分割导体更优越一些，因此，采用五芯结构。1）分割导体的直径及单个股块的截面积的计算。依据分割导体的实际截面积，计算在实芯状态时分割导体的最小直径。然后选择适当的填充系数，确定分割导体的直径（应考虑到分割导体的股块成缆时的反弹） 。根据所确定的扇形股块的芯数，计算单个股块的截面积。2）设计每个股块的形状，确定每个股块的单线组成及排列。并依据所选择的填充系数，计算出单丝直径的大小。3）设计分割导体的结构尺寸及单个
22、分割股块的外形尺寸。4）分割导体的制造分割导体的制造主要分为股块的绞制和股块的成缆两部分。在股块绞制过程中，包括工艺参数设定，线盘装载，分层穿线、排线，绞制，压型，牵引、收线等部分。依据工艺规定，在绞合设备上设定好该产品的工艺参哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -数，包括每层绞线的节距、绞向、预扭节距等。依据每个股块的单丝结构及排列，进行分层穿线、排线。在绞合好线芯后，分层压型时，仔细调整压型模具，并测量所压制的股块尺寸，使之符合工艺要求；调整好压型模之间的预扭角，测量所形成的预扭节距，是否符合工艺规定。成缆过程分为设备工艺参数设定，股块线芯的放线，分线板的角度控制，并线模的安装，股块的成缆，
23、绝缘皱纹纸的纵包，包带的绕包，牵引，收线等部分。在成缆过程中，注意股块的预扭节距和成缆节距之间的配合是否合适，不能有股块翻身现象出现。在穿过成缆并线模时，细心调整并线模直径大小，仔细测量成缆后分割导体的直径，使之符合工艺规定。成缆后的分割导体，应扎紧，不能松散，最外面还应绕包防护层，防止半导电带破损。2.1.1 2500mm2五芯分割导体结构设计及制作计算2500mm 2分割导体的实际截面积有关标准规定了2500mm 2导体在20摄氏度时导体直流电阻应不大于0.0073，同时规定了2500mm 2导体结构最少根数不小于265根，由此可计算出最少根数的分割导体实际截面积(2-5)123ksr式中
24、， 为导体系数，取为1.02（与导电线芯组成的单线直径、金属种类1k有关） ； 为绞合系数，按本厂经验取为1.03（与导电线芯绞合方式有关，2考虑到导线在绞制及紧压时单丝变细变硬所引起的电阻变化） 为成缆系3k数，按本厂经验取为1.01（与股块线芯成缆状况有关） ； 为导体电阻率，mm2/m; 为分割导体20摄氏度时的直流电阻，按标准的规0.174R定，2500mm 2截面导体 /km。将上述有关参数代入式(2-5) 可得：0.73mm212506.9ks2.1.2 分割导体关键参数的选取和设定计算2506.09mm 2截面在实芯时的分割导体直径 ADmm4/51.9ADS2.1.3 填充系数的选取和成缆外径的设定：根据文献 3可知，采用分层紧压方法由圆单线构成的扇形线芯填充系数 可提高到 88%-92%本设计采用五分割扇形股块成缆构成的分割导体，
