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    淺談分割導體的結構與設計及部分國外分

    日期:2019-04-29 03:41
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    摘要: 淺談分割導體的結構與設計及部分國外分… 1.前言 電纜被譽為國民經濟建設的血管,是實現我國現代化建設必不可少的要素。 隨著我國國民經濟的迅猛發展,“十二五”規劃中明確指出要加快農村城鎮化進程和城鄉電網的改造,用戶在電纜的選擇中越來越趨向于大截面、高壓及以上電壓等級的電纜。但由于集膚效應的存在,電流趨于在導體表面流動,使得導體載流量不與導體截面呈線性增加,導體截面積越大,集膚效應越明顯。在GB/ T 11017-2002、GB/T 18890-2002等標準中明確規定,截面積在800mm2及以上...
    淺談分割導體的結構與設計及部分國外分…

    1.前言

    電纜被譽為國民經濟建設的血管,是實現我國現代化建設必不可少的要素。

    隨著我國國民經濟的迅猛發展,“十二五”規劃中明確指出要加快農村城鎮化進程和城鄉電網的改造,用戶在電纜的選擇中越來越趨向于大截面、高壓及以上電壓等級的電纜。但由于集膚效應的存在,電流趨于在導體表面流動,使得導體載流量不與導體截面呈線性增加,導體截面積越大,集膚效應越明顯。在GB/ T 11017-2002、GB/T 18890-2002等標準中明確規定,截面積在800mm2及以上時必須采用分割導體結構(雖然沒有明確規定金屬導體種類,但是業內基本默認為銅導體),以降低集膚效應對電纜載流量的影響。

    2.分割導體的結構與設計

    2.1 分割導體結構

    分割導體顧名思義,一般的分割導體由扇形或瓦楞股塊、皺紋紙、半導電尼龍帶及中心填充單元組成(本文主要探討由扇形股塊構成的分割導體),中心填充單元位于整個分割導體的中心,其材料一般為絞合銅絲(國內)和實心銅(國外),但由于集膚效應的存在,中心填充單元幾乎很少起到傳輸電流的作用,國內外資料中未見到對大截面分割導體中心填充單元的介紹,如中心填充單元材料、性能、載流量等。扇形股塊的以中心填充單元為中心按同一方向成纜,皺紋紙隔離于各個扇形股塊之間,半導電尼龍帶繞包在分割導體之外,*后外層繞包無紡布。

    分割導體的主要形式有四分割、五分割、六分割、七分割等,我國以五分割導體應用*為廣泛,如圖1所示。GB/T3956-2008中規定分割導體的截面積范圍是800mm2-2500mm2,如表1所示,但有的企業已經制造出截面積為3000mm2,甚至3500mm2的分割導體,但該標準中只規定到了2500mm2。我國的GB/T3956-2008是參照IEC 60228-2004制定的,隨著電纜行業技術的進步,相信會有越來越多的企業有能力生產3000mm2及以上的大截面分割導體,所以會加速相關標準的修訂速度,相信未來的相關標準中會增加對于分割導體截面積范圍限制,以及相關的參數說明。

    圖1 四種分割導體示意圖

    表1  銅導體結構和直流電阻

    2.2 分割導體的設計

    分割導體的設計思路,首先是計算分割導體實際截面積、設計分割導體股塊的構成、計算分割導體直徑及單個股塊實際截面積、設計單個股塊與單絲形狀及排序、綜合考量分割導體整體結構尺寸、分割導體除了導體外所需原輔材料等,本章節主要介紹分割導體實際截面積設計與股塊設計。

    2.2.1分割導體截面積設計

    普遍方法之一是參照GB/ T 11017-2002、GB/T 18890-2002等標準中20℃的導體電阻值,進而進一步計算出所需導體的截面積。但實際截面積要根據實際情況而定,分割導體實際截面積計算公式如下所示:

    S=(K1×K2×K3×ρ×1000)÷R

    式中

    S------分割導體實際截面積

    K1-----金屬電阻增值的調整系數(1.0-1.5)

    K2-----多根導線絞制的絞合系數(1.0-1.5)

    K3-----股塊成纜的絞合系數(1.0-1.2)

    ρ----- 20 ℃ 銅導體電阻率(0.017241)

    R-----20 ℃ 銅導體直流電阻(見表1所示)

    從理論上講,一般情況下分割導體實際截面積與設計截面積相差率不超過5%,大多數電纜企業生產的分割導體實際截面積要略微大于理論截面積,進而使得電纜外徑偏大。但如果分割導體截面積超過了2500mm2,那么就要按上述公式反推計算了。

    2.2.2分割導體其他參數設計

    分割導體直徑:D12=4xS/π            

    填充系數與成纜外徑:根據公開資料表明,分層緊壓法由圓單線構成的扇形纖芯填充系數η約為86%-94%,

    分割導體成纜外徑:D22=4xS/(πxη)   

    此處需注意的是,由于扇形股塊在成纜時會產生肉眼不看見反彈現象,所以建議在計算出分割導體成纜外徑后再稍微放大一點。

    分割導體單個扇形股塊截面積:S1=S/N  其中N是分割導體扇形股塊個數。

    分割導體扇形股塊單絲直徑的計算:相關標準有關于分割導體截面積對應的導體單絲根數的說明,比如截面積為1200mm2的分割導體中單絲根數下限是170根,假設分割導體是五分割,則每個扇形股塊的單絲根數應不少于34根,如六分割則不少于28根。如圖2所示為一種六分割導體和一種五分割導體。

    在分割導體的設計中,要充分考慮生產廠的設備生產能力、產品尺寸范圍、絞合系數等實際情況,以免受返工之擾。

     

    圖2 一種六分割和一種五分割導體示意圖

    2.3國外分割導體的介紹

    我國國內分割導體材料一般都是銅導體,也存在一些如“3000mm2鋁分割導體”等實用新型磚利,但在實際生產中卻未曾見過?!?th International Conference on Insulated Power Cables》會議文摘B.10.1中刊登了《*佳導體設計的選擇》一文,文中介紹了幾種國外銅、鋁分割導體,其中鋁分割導體截面積*大已達到1600mm2,甚至通過了290/500Kv XLPE絕緣電纜的測試,如圖3所示,是幾種銅、鋁絞合及分割導體示意圖。左面三個依次是銅絞合導體、銅分割導體、表面經漆包處理的銅分割導體;右面三個依次是鋁絞合導體、鋁分割導體、表面經漆包處理的鋁分割導體,該文中指出,表面經漆包處理的分割導體可以更好的降低集膚效應對導體的影響,更大程度的提高電纜載流量。

    圖3 幾種銅、鋁絞合及分割導體示意圖

    《8th International Conference on Insulated Power Cables》會議文摘A8.2中介紹了幾種分割導體的直流或交流電阻比較,如圖4、圖5、圖6所示。分別介紹了20℃時不同導體截面積的交流電阻、導體損耗、DC與AC之間的導體電阻對比等信息。

    圖4   20℃時不同截面銅導體的交流電阻

    圖5  載流量計算:*大電流@50W/m導體損耗

    圖6  20℃時 DC與AC不同導體截面之間的電阻關系

    3.結束語

    2012年我國電纜行業總產能已過萬億,成為了世界電纜制造**大國,但我國電纜行業缺少像上述2.3章節中的國外線纜企業的深度研究,大多還是憑借經驗做事。分割導體從本身設計角度講已經不是陌生的技術了,但很多基礎性的研究卻沒有大的突破,如分割導體中心填充單元是否起到傳輸電流的作用,如果其傳輸的電流小到可以忽略,是否可以用價格更加便宜、硬度更好的鋼芯代替,如果其可以傳輸電流,那么分割導體截面與中心填充單元之間的關系又是怎么樣的;分割導體壓輪、模具的設計如何更加合理;分割導體的結構設計上如何更加有效的降低集膚效應等等。這一系列問題正等著我們去解決、攻關。*后附圖一張國外電纜企業的2500mm2 490Kv XLPE絕緣超高壓電力電纜,以供參考。

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