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发布时间:2019-08-15点击次数:
第二节电气电缆的电气参数pdf

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  第二章 电力电缆的电气参数 电气参数对电力电缆是至关重要的。它决定了电缆的传输 性能和传输容量。这是由于电缆传输容量主要取决于各部分 的损耗发热,而损耗则是根据电气参数来计算的。 2.1 导电线 电缆的长期允许工作温度和短路允许温度 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 2.1 导电线芯电阻 一、导电线芯的直流电阻R’ 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: 20  R [1(20 )]k k k k k 1 2 3 4 5 A  A为线 106 m 20  0.02864 106 m 对于标准硬铝: 20 ;  为温度系数常数,对于铜导体为0.00393,铝导体为 0.00403;θ为最高工作温度,见表2-1; 2.1 导电线芯电阻 一、导电线  R [1(20 )]k k k k k 1 2 3 4 5 A k 为单根导线加工过程中引起金属电阻率增加所引入的系数, 1 它与导线直径大小,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; k 为由于多根导线绞合使单线长度增加所引入的系数,一般取 2 1.02(250mm2 2 以下)~1.03(250mm 及以上); k 为因紧压过程使导线发硬,引起电阻率增加所引入的系数, 3 一般取1.01; 2.1 导电线芯电阻 一、导电线  R [1(20 )]k k k k k 1 2 3 4 5 A k 为因成缆绞合,使线芯长度增加所引入的系数,一般取1.01 4 左右; k 为因考虑导线允许公差所引入的系数,对紧压结构一般取 5 1.01左右。 2.1 导电线芯电阻 二、电缆线芯交流电阻 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: R R (1y s y p ) 式中,R’ 为最高工作温度下,导电线芯的单位长度直 流电阻,单位为Ω/m ;y 为集肤效应因数;y 为邻近效 s p 应因数。 2.1 导电线、集肤效应因数y R R (1y s y p ) s 导体中的交流电流,靠近导体表面处的电流密度大于 导体内部电流密度的现象。 集肤效应因数即由于集肤效应使电阻增加的百分数, X 4  s 2 8 f 7 y s 4 X s 10 k s 192 0.8X R s 其中f 为电源频率,工频为50Hz;R’为单位长度电缆导体线 芯直流电阻(见上式),单位为Ω/m ;k 为除分割导体取 s 0.435外均取1。 2.1 导电线、邻近效应因数y R R (1y s y p ) p 导体内电流密度因受邻近导体中电流的影响而分布不 均匀的现象。 由于邻近效应使电阻增加的百分数,可用下式表示 X 4 D c 2 D c 2 1.18 P y s 4 ( ) [0 .312 ( )  4 ] 192 0 .8X s s X P P 0 .27 192 0 .8 4   X 2 8 f 7 P X 10 k P P R 其中f 、R’ 同前式,k 除分割导体取0.37外,其他型式线;D 为线芯外径;s 为线芯中心轴间距离,对于扇形多芯电 c 缆,Δ为线芯间绝缘层厚度,其邻近效应因数y 为上式计算所得 p 值乘2/3 。 2.2 电缆损耗的计算 运行中的电缆线路,由于电缆结构特征,产生很多 损耗,这些损耗是影响电缆载流量的重要因素。 电缆的温升与电缆各部分产生的热量、热阻和周围 环境有关。电缆产生的热量包括导体电阻损耗、介质损 耗、护套损耗和铠装损耗等,其中以电阻损耗占比例最 大。在110kV及以上电压等级电缆线路中,介质损耗也 占较大的比例。 2.2 电缆损耗的计算 一、电缆线芯损耗 电流流过导体时,一部分功率转化成热量的损耗。 单位长度电缆线 W I R c 式中I——线芯电流,A ; R——单位长度电缆线芯的有效电阻(交流), Ω/m 2.2 电缆损耗的计算 二、绝缘层介质损耗 消耗于绝缘层的有用功率,单位长度的电缆绝缘损耗 计算式为: W 2fCU 2 tg i 式中f —频率,Hz; C—单位长度电缆的电容,F/m; U— 电缆绝缘层承受的电压,V ; tg δ—介质损耗角正切。 电缆长期允许工作温度和最高工作电压下的tg δ 最高容许值见表2-2。 2.2 电缆损耗的计算 三、护套损耗 电缆金属护套损耗的计算比较繁琐,为简便计算, 可以认为电缆金属护套损耗Ws与线芯中电流的平方成 正比,因此它与线芯损耗Wc之比为一常数,即 W W    s 1 c 1 1 1  式中 — 电缆金属护套的总损耗系数; 1  — 电缆金属护套的环流损耗系数(回路电流损耗系数); 1  — 电缆金属护套的涡流损耗系数(邻近效应损耗系数)。 1 2.2 电缆损耗的计算 四、铠装损耗 电缆具有铠装(加强层),将在不同程度上改变护套的 感应电流,从而改变护套损耗。同时,当铠装接成通路时, 铠装中也会产生损牦。铠装层和加强带中的损耗,可与护套 损耗一样简化为 W  W A 2 c 式中 —— 电缆铠装层或加强层(带)的损耗系数;  2 W ——单位长度电缆线 电缆的长期允许工作温度和短路允许温度 一、电缆的长期允许工作温度 电缆在运行中,由于导体电阻、绝缘层、保护层和铠 装层的能量损耗,都将使电缆发热,温度升高。当电缆的 运行温度超过某一定值时,会导致其绝缘性能破坏,缩短 电缆使用期限,甚至引起故障。所以,电缆的运行温度限 定在这一特定值以下,这个特定值称为电缆的长期允许工 作温度。不同电压等级和绝缘型式的电缆,其最高允许工 作温度值不同(表2-1)。 2.3 电缆的长期允许工作温度和短路允许温度 一、电缆的长期允许工作温度 电缆工作温度过高对电缆的影响主要表现在两个方面: 1、加速电缆绝缘材料的老化,使电缆使用寿命缩短。 2、电缆绝缘受热膨胀,造成铅(铝)包的过度伸展,使电缆 内部产生空隙,在电场作用下发生游离,最终导致绝缘性能 受到破坏。 2.3 电缆的长期允许工作温度和短路允许温度 二、电缆的短路允许温度 当电缆线路在运行中发生短路时,通过的电流将突然增加 很多倍。由于短路的时间一般很短,这些电流通过导体时所 产生的热量来不及散发,致使导体的温度很快升高。短路情 况下的电缆导体允许温度也列于表2-1 中。 电缆线路有中间接头时,其接头的短路允许温度:焊锡接 头为120ºC,压接接头为150 ºC (对表2-1所规定的温度低于 150 ºC的电缆,则按表2-1的规定),电焊或气焊接头与导体 允许温度相同。 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 一、电缆长期载流量 电缆载流量是指一条电缆在输送电能时所通过的电 流量,在热稳定条件下,当电缆导体达到长期允许工作 温度时的电缆载流量称为电缆长期允许载流量。 电缆长期允许载流量除了与电缆本身的材料与结构有 关外,还取决于电缆的敷设方式和周围环境。电缆长期 允许载流量主要由以下三个因素决定: (1)电缆的长期允许工作温度。 (2)电缆本身的散热性能。 (3)电缆装置情况及其周围的散热条件,电缆周围环境 温度越高,则电缆的载流量越小。 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 1、电缆长期载流量计算公式(IEC ) (  )A I C 0 n[(1)S1 (1)(S2 G)] I— 电缆长期允许载流量,A ; θ— 电缆导体长期允许工作温度,ºC; C θ— 电缆周围环境温度,ºC ; 0 2 ρ— 电缆导体在工作温度时的电阻系数,Ώ·mm /m; α—介质损耗与电阻损耗的比值; β—护层损耗与电阻损耗的比值; A—导体截面积,mm2 ; n— 电缆芯数; S — 电缆绝缘热阻,热欧姆/cm ; 1 S —护层热阻,热欧姆/cm ; 2 G— 电缆周围环境热阻,热欧姆/cm 。 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 2、常用电缆的长期载流量 敷设在空气中、土壤中的油浸纸绝缘铜、铝芯 电缆,以及聚氯乙烯、交联聚乙烯铜、铝芯电缆, 橡皮绝缘铝芯电缆的正常允许载流量分别列于表2- 5—表2-9。 注意使用限定条件。 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 二、电缆长期载流量的修正 电缆的长期载流量并不是一个恒定值,与诸多因素有 关。公式中电缆导体的长期允许工作温度,电缆的周围环 境温度、导体截面积等均会影响长期载流量的数值。 所以,在设计实际电缆线路时,一定要根据实际使用 情况对长期载流量进行修正。 1、电缆周围环境温度的修正 2 、导体截面积A 的修正 3、导体材料电阻率ρ的修正 4、电缆周围环境热阻G的修正 5、并列敷设根数n的修正 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 二、电缆长期载流量的修正 1、电缆周围环境温度的修正 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(空气、土壤)的温度。因此,电缆敷设的环境不 同,其电缆的长期载流量是不同的。电缆周围环境温度 θ发生变化时,电缆的长期允许载流量也随之改变。θ 0 0 越高,则电缆载流量越小。因此,同一根电缆,在夏季的 载流量变小,而在冬季的载流量可以大一些。 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 二、电缆长期载流量的修正 (  )A I C 0 1、电缆周围环境温度的修正 n[(1)S1 (1)(S2 G)] 对于同一根电缆,除周围环境温度 θ改变之外,公式 0 中其他参数均保持不变,则在θ 和θ 两个环境温度下 01 02 的长期允许载流量I 和I 存在如下关系: 1 2 I   1 C 01 I   2 C 02 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 二、电缆长期载流量的修正 (  )A I C 0 2 、导体截面积A 的修正 n[(1)S1 (1)(S2 G)] 当导体截面积A发生变化时,电缆长期允许载流量也 会发生改变。由于截面积A 的变化,会引起电缆绝缘热 阻S 和电缆护层热阻S 的变化,所以电缆长期允许载流量 1 2 的变化更加复杂。工程上常忽略S 和S 的变化,将电缆截 1 2 面积由A 变为A ,电缆的长期允许载流量随之由I 变为 1 2 1 I ,近似地写成如下关系: 2 I A 1 1  I A 2 2 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 二、电缆长期载流量的修正 3、导体材料电阻率ρ的修正 相同截面的两根电缆,若它们的结构和敷设条件相 同,则它们的长期允许载流量只与导电线芯材料的电阻 率ρ有关,并有下列等式成立 I 1 2 I 铜 铝 2.83 102   1.28 I 2 1 I 铝 铜 1.7241102 电缆产品,导电线芯材料一般为铜或铝,查表可得 -2 2 -2 2 ρ =1.7241×10 Ώ·mm /m ,ρ =2.83×10 Ώ·mm /m ,则 铜 铝 在相同截面、结构及敷设条件下,铜芯电缆与铝芯电缆的长期 允许载流量的比值为 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 二、电缆长期载流量的修正 4、电缆周围环境热阻G的修正 电缆周围环境热阻G越大,电缆散热情况越差,电缆的长 期允许载流量就越小。我国的东北、华北等地区的土壤热阻 系数为100~200 ºC·cm/W;华东、华南等潮湿地区土壤的热 阻系数不大于80 ºC·cm/W;山区及丘陵地区属于干燥地区, 土壤的热阻系数为200~300 ºC·cm/W 。若其他条件相同,敷 设在土壤热阻系数较大地区的电缆长期允许载流量较小;反 之较大。不同土壤的特征、热阻系数及其载流量修正系数参 见表2-11。 2.4 电力电缆的载流量计算及其修正 二、电缆长期载流量的修正 5、并列敷设根数n的修正 电缆并列敷设时,电缆产生的热量更难发散,因而载流 量较正常情况要小一些,并列电缆的根数越多,则电缆的 长期允许载流量修正系数就越小。直埋和空气中并列敷设 的电力电缆,其长期允许载流量修正系数见表2-12 和表2- 13。 载流量计算例题 电缆的长期允许载流量经修正后应为: I nK K K I   总 1 2 3 0 K C 3   C 0 式中n— 电缆并列根数; K —并列修正系数; 1 K —土壤热阻修正系数; 2 K —环境温度修正系数; 3 I —单根电缆标准状况长期允许载流量。 0 载流量计算例题 例1:求一条直埋YJLV22—6/10 3 ×185电缆在夏季(30 ºC )和冬季(-10 ºC )的长期允许载流量。 解:查表2-8 得θ =25 ºC时,I =310A 0 0 查表2-1 得θ =90 ºC C 设θ =30 ºC, θ =-10 ºC,根据式(2-11),得 01 02    90 30 I I C 01 310  30 0.961 298(A) 1 0   90 25  C 0    90 (10) I I C 02 310  30 1.24 384(A) 2 0  90 25   C 0 该电缆在夏季(30 ºC )时的长期允许载流量为298A,在冬 季(-10 ºC )时的长期允许载流量为384A。 载流量计算例题 例2 :已知ZLQ20—8.7/10 3 ×185电缆的直埋长期允许载流量 2 2 I =250A ,试求同类型的3 ×70mm 和3 ×240mm 电缆直埋长期 1 允许载流量I 和I 。 2 3 A 70 解: I 1 A1 I 2 I 1 2 250  154(A)  A 185 I A 1 2 2 A 240 I I 3 250  285(A) 3 1 A 185 1 经查表2-5得 I ’ =140 (A ),I ’ =290 (A ) 2 3 I 和I 的绝对误差为 2 3 I 2 I 2 I 2 154140 14(A) I 3 I 3 I 3 285 290 5(A) 经查表2-5得 I ’ =140 (A ),I ’ =290 (A ) 2 3 I 和I 的绝对误差为 2 3 I 2 I 2 I 2 154140 14(A) I 3 I 3 I 3 285 290 5(A) 利用公式求得的载流量具有一定的误差,这个误差的主要来 源是电缆外径变大而散热情况好转造成的。另外,A 与A 的 1 2 差值越大,计算的误差也越大。这一点应引起工程计算上的 注意。 载流量计算例题 例3 :现有两根电缆YJLV22—8.7/10 3 ×150双并直埋运行,土壤热 阻系数为80 ºC·cm/W,两根电缆净距为200mm 。当夏天土壤温度 为32 ºC时,求双并运行电缆线路的长期允许载流量I总。 解:并列运行电缆的长期允许载流量经修正后应为 式中n— 电缆并列根数; I nK K K I 总 1 2 3 0 K —并列修正系数; 1    90 32 K —土壤热阻修正系数; K C 0.945 2 3   90 25  K —环境温度修正系数; C 0 3 I —单根电缆标准状况长期允许载流量。 0 查表2-12得 K1=0.92 I 总 2 0.92 1.05 0.945 280 511(A) 查表2-11得 K2=1.05 查表2-1得 θ=90ºC C 查表2-8得 θ=25ºC,I =280 (A ) 0 0 思考题 设有三根电缆VV22—3.6/6 3 ×120电缆并列直埋地下,邻近电 缆间净距为200mm ,土壤热阻系数为200 ºC·cm/W,当土壤温 度为15 ºC时,求其最大允许载流量。 解: I nK K K I 式中各参数的意义同上例。 总 1 2 3 0 查表2-12得 K =0.88  1   70 15 K C 1.106 查表2-11得 K =0.87 3  70 25   2 C 0 查表2-1得 θ=70ºC C 查表2-6得 θ=25ºC,I =258 (A ) 0 0 I 总 3 0.88 0.87 1.106258 655(A) 2 YJLW02—64/110— 1×800mm 电缆载流量计算 YJLW02型电缆结构参数 参数 结构名称 导体外径 34.23mm 内屏蔽的厚度 1.5mm 绝缘厚度 16.0mm 外屏蔽的厚度 1.0mm 金属套厚度 2.0mm 外护套的厚度 3.2mm 电缆外径 81.63mm 2 YJLW02—64/110— 1×800mm 电缆型号进行载流量计算 电缆的敷设条件为: 土壤埋深:700mm; 土壤温度:20; 电缆间距:250mm。 根据以上的数据通过IEC60287标准提供的载流量计算公式 进行计算高压敷设载流量。 电缆载流量主要计算参数数据表 单位 数据 项目 电缆型号 YJLW02 敷设方式 直埋敷设 电缆截面 mm2 800 埋设深度 mm 700 轴间距 mm 250 导体电阻(DC 20 °C) Ω/km 0.0229 工作温度时导体的电阻 Ω/km 0.0292 导体交流电阻(AC 90 °C Ω/km 0.0298 时) 电缆各层热阻值和损耗数据表 导体与金属护套间绝缘层热阻 K ·m/W 0.4484 金属护套与铠装层之间内衬层热阻 K ·m/W 0 电缆外护层热阻 K ·m/W 0.052 电缆表面与周围媒介之间的热阻 K ·m/W 1.1159 金属护套损耗 0.4493 铠装损耗 0 绝缘介质损耗 W/m 0.2299 电缆芯数 1 最高使用温度 90 环境温度 20 导体温度与环境温度之差 70 载流量 1044.9349 电缆载流量的数值计算方法——有限元模拟 边界条件:深层土壤边界属于第一类边界条件,边界温度即为深层土壤温 度;左、右土壤边界属于第二类边界条件,其水平温度梯度为0;地表边界 对流换热系数和空气温度已知,符合第三类边界条件。 有限元模拟结果 载流量I=823.2A 思考题 1、电缆工作温度过高对电缆有哪些影响? 2、电缆的损耗主要包括哪几方面? 3、什么是电缆长期允许载流量?决定电缆长期允许 载流量的因素有哪些? 4、为什么要对电缆长期允许载流量进行修正?电缆 长期允许载流量进行修正时考虑哪些因素? 5、设有三根电缆VV22—3.6/6 3 ×120电缆并列直 埋地下,邻近电缆间净距为200mm,土壤热阻系数 为200 ºC·cm/W,当土壤温度为15 ºC时,求其最大 允许载流量。

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