电线电缆毕业设计.doc

摘 要 本文粗略论述了电缆的含义、制造流程和电线电缆行业在国民经济中的地位和重要性，以及电线电缆行业的发展前景和现状。也对中国在电缆制造方面和国外制造强国进行了某些方面的比较。 本文着重探讨了此次所设计电缆的结构参数和此电缆的电气性能参数的计算。也适当讨论了无卤阻燃电缆的发展前景和阻燃实验的方法过程。关键词： 电线电缆 结构参数 电气性能 无卤阻燃 阻燃实验 this article discusses the meaning of manufacturing processes and cable, wire and cable industry is in the position in national economy and importance, as well as the wire and cable industry development prospect and current situation. also on the chinese in cable manufacturing and foreign manufacturers were some aspects of comparison.this paper focuses on the design of cable structure parameters and the electric performance parameter calculation. also discussed the prospects for the development of halogen-free flame retardant cable and flame retardant test method.key words： cable structure parameters electric performance 绪 论 自1836年世界上生产出第一条低压电力电缆（橡皮带绕包铜导线）至今，电线电缆已经发展成为用途广泛、品种繁多的一大产品类别。我国电线电缆行业经过70多年的发展，也取得了较大的进步，生产的电线电缆有200多个品种、25000多个型号规格。电线电缆是用与传输电能、传递信息、实现电磁能量转换或者作为电气设备的内部的连接线的一大类电工产品。电线电缆按照其结构、性能及应用不同。可分为裸导线（架空导线）与裸导体、电力电缆、电气专备用电线电缆、绕组线、通信电缆和光缆五大类，每个大类下面又分为小类、系列、品种、规格等。电线电缆必须保证供电线路长期安全的运行，以免造成国家财产和人生安全的重大损失。在电线电缆事故中，除了电线电缆本身质量引起外，有些是由于电线电缆的选用和使用不当引起的。因此必须正确合理的选择使用电缆。 电线电缆是输送能源、传递信息所不可缺少的基础器材，从在社会信息化、电气化快速发展的今天，电线电缆已成为经济建设中最重要的基础产品之一。电线电缆行业又是配套行业，产品必须满足国民经济各主行业对电线电缆性能的要求，国民经济觉得多数行业都与电线电缆相关，其产业地位是十分重要的。我国电线电缆行业目前仍处在发展阶段，作为国民经济建设重要先导行业，电线电缆产销指标的增长一般比国民经济总产值要略高一些。伴随着中国电线电缆行业高速发展，新增企业数量不断上升，行业整体技术水平得到大幅提高。目前我国电线电缆行业国有及规模以上企业约5000家，其中大型企业有19家，总产值占整个市场份额的11%。火灾给人类带来的灾害是惨重的，损失是巨大的，并随着经济发展和城市建设的发展，火灾损失呈上升趋势，因此国内外均对火灾的预防极为重视。电线电缆是传播火灾的重要途径之一，据不完全统计，2002年我国发生的火灾中因电线电缆引起的占35%，在火灾中死亡的人员中有三分之一的是因为吸入电线电缆燃烧时释放的有毒气体而窒息死亡，目前火灾事故中，电线电缆引起的火灾不容忽视，怎样阻止电线电缆的燃烧，即是被明火燃烧还低烟无毒，这是电线电缆制造业的一大课题。因此阻燃电缆是电缆行业极为关注的领域，我国在二十世纪八十年代和九十年代开发并生产了多种阻燃电缆。随着用户对阻燃电缆深入了解，以及电缆燃烧时由于有毒有害气体大量产生造成人员死亡，设备受损及烟雾严重使人员不能及时撤离的危害，提出了电缆不仅具有良好的阻燃性能，而且一旦燃烧后产生的气体中无卤酸（有害气体）并且发烟量低，为此发展了无卤低烟阻燃电缆。这些无卤低烟阻燃包括电力电缆、控制电缆、光缆、建筑用线及数据电缆，用于地下铁道、电站、化工厂、船舰、高层建筑、信息产业等重点工程和人员和设备密集场所，随着经济高速发展，高新技术不断更新，产品向高层次发展，无卤低烟阻燃电缆品种和数量大幅增加大势所趋。常规的电线电缆是相当严重的污染源，其在制造、使用及废弃处理时会产生大量的二恶英、铅、卤等公害。近年来，欧洲、美国及日本对与电线有关的公害十分重视，其政府不仅对电缆制造过程的排放物进行严格的限制，而且对报废电缆的处理实施了全面的监控，迫使电缆厂商用符合环保要求的材料取代传统材料，制造环保型电缆或所谓清洁电缆。此次我设计的电缆为wdzb-yjy 8.7/10 3x95，所以在此次的设计过程中，就要充分的考虑无卤低烟阻燃的条件。通过此次的毕业设计是我不仅是为了完成这个题目而进行设计，更重要的是能够使我得到在设计过程的对电缆制造的流程工艺能有一个更加切合实际的领悟。也算是在正式参加工作之前的一个练习。 目 录摘要绪论第1章 电缆结构、材料、尺寸的确定及计算 1.1 电缆结构与材料的确定及电缆结构图 1.2 导体结构尺寸的计算 1.3 安全裕度及绝缘厚度验证 第二章 单位长度电缆电性能参数的计算 2.1 导体的直流电阻和交流电阻的计算 2.2 绝缘电阻、电容与电感的计算 2.3 金属护套损耗因数的计算 第三章 电缆连续额定载流量和短路电流的计算 3.1 等效热路图及各种热阻的计算 3.2 电缆额定载流量的计算 3.3 空气中敷设电缆的的热容和短时负荷（1h）载流量 3.4 允许短路电流和短路温度的计算 3.5 各种损耗计算 3.6 电缆临界长度的计算第五章 阻燃实验 5.1 单根电线电缆水平燃烧实验 5.2 单根电缆倾斜燃烧试验 5.3 成束电缆燃烧试验 第六章 结束语 第一章 电缆结构、材料、尺寸的确定及计算 1.1 电缆结构与材料的确定及电缆结构图 由此电缆的型号wdzb-yjy 8.7/10 3x95可知，该电缆是无卤低烟阻燃b类，铜导体，交联聚乙烯绝缘，聚烯烃护套，同时具有内外半导电屏蔽，电压等级为8.7/10kv，三芯，标称截面积为95mm2的电力电缆。此电缆的结构图如下图所示：外护套阻燃包带成缆金属屏蔽 人2绝缘屏蔽xlpe绝缘导体屏蔽铜导体 wdzb-yjy 8.7/10 3x95 电缆结构1.2 导体结构尺寸的计算 （1） 电缆导体结构和单线根数的确定导体采用紧压绞合圆形结构，导体用铜单线符合gb/t3953-2009电工圆铜线中tr型圆铜线。根据由乔月纯、邓先锋等编写的电线电缆结构设计p11中表2-3可知，标称截面积为95mm2的紧压绞合圆形导体，其单线最少为15根，本设计采用简单正规绞合分层紧压，即1+6+12=19，取紧压系数,=0.90，延伸系数=1.10，20=0.017241mm2/m，又有20时铜的最大电阻rb=0.193/km 由于此型号电缆为阻燃电缆，故，缆芯可以有绝缘单线和填充绳组成。填充绳为岩棉阻燃材料，燃烧温度可达600，起到阻燃耐火作用。 (2) 单丝直径和紧压导体直径的确定对于三芯电缆取k3=1.02，而k1、k2可根据标称截面积a1求出单丝近似直径d1来确定。由，得则，可取k1=1.02 , k2=1.02又有紧压绞合导体的直径 应在工厂对上述结构尺寸的绞合紧压导体进行试生产校验，即取一段试验产品测电阻，电阻应合格，然后根据称重质量计算出jy，在进行有关计算。设紧压导体的电阻率jy=0.01765mm2/m则可得2所以dc符合课本p9中表2-1中的1112mm的要求，因此可取d=2.597mm，并按照dc=11.377mm进行后续设计，既符合电阻要求，又比较经济。（3） 绝缘和屏蔽层的确定绝缘应采用符合课本表3-1的xlpe材料，查表3-8可知8.7/10kv电缆的绝缘厚度标称值i=4.5mm内外半导电屏蔽的材料为交联聚乙烯基料+导电炭黑+eva+防老剂。其老化前后的电阻率为：内半导电屏蔽不大于1000m，外半导电屏蔽不大于500m.根据经验，8.7/10kv交联电缆可取内外半导电层的厚度均为0.7mm，即nb=wb=0.7mm。金属屏蔽采用单层铜带重叠搭盖绕包方式。铜带间搭盖率的标称值应不小于15%，最小搭盖率应不小于5%。铜带的标称厚度为0.10mm，则铜带屏蔽的总厚度为j=0.10x2=0.20mm，铜带的宽度为35mm。（4） 外护套的确定外护套应采用添加大量al(oh)3或者mg（oh)2的聚烯烃等无卤低烟材料，选用合适的辅助材料作填充、包带或者阻燃增强层，使产品达到相应的燃烧特性要求。所有材料中不应含有卤素。查课本附录一中得，截面积为95mm2导体的假设直径dl=11mm，由金属屏蔽的截面积查得直径增加值为djz=0.8mm则每相金属屏蔽的假设直径djj=dl+2i+3.0+djz=11+2x4.5+3.0+0.8=23.8mm三芯成缆缆芯的假设直径dlj=2.16x23.8=51.41mm则 e=0.035d+1.0=0.035x51.41+1.0=2.80mm，符合厚度要求。现将该电缆的结构尺寸的设计值列于下表中nddcnbdnbidinbdwbjpdjddlede192.59711.3770.712.784.521.780.723.180.223.5851.412.857.01（5） 填充物的确定此型号阻燃电缆的填充，应用无卤低烟阻燃带绕包。1.3 安全裕度及绝缘厚度验证1.3.1 安全裕度的计算根据得当u0取工频试验电压时，g取gl=10kv/mmu0=3.5x8.7=30.45kv rc=带入有在1.21.6之间1.3.2验证绝缘厚度利用平均场强公式进行计算，非别计算出长期工频电压下和脉冲电压下的绝缘厚度，取其厚度大者作为确定绝缘厚度的依据。长期工频电压下： gl取10 则 脉冲电压下：因此，应以工频电压下的绝缘厚度作为确定i的依据，根据标准gb/t 12706.3中取i=4.5mm。 第二章 单位长度电缆电性能参数的计算2.1 导体的直流电阻和交流电阻的计算2.1.1 导体的直流电阻20下，单位长度的电缆导体的直流电阻为取20=1.7241x10-8 m k1=k2=k3=1.02则xlpe电缆长期运行最高温度为90，其单位长度直流电阻为：r=kkk1+(-20) 代入数值计算得2.1.2 导体交流电阻在交流电阻作用下，导体交流电阻将受到集肤效应和邻近效应影响，其计算公式为：r= r（1+ y +y） 式中：r-90下单位长度导体直流电阻；y-集肤效应因数；y- 邻近效应因数。a. 集肤效应因数集肤效应因数是由于集肤效应使电阻增加的百分数，表达式为：ys= 式中：x=k10,代入数据的将x带入得：y=b邻近效应因数 邻近效应因数是指由于邻近效应使电阻增加的百分数，表达式为0.312 式中：x=k10，d-导体直径，mm；s-线芯中心轴间距（s=de）,mm；k=1,代入上式中得综合邻近效应和集肤效应后，导体交流电阻为：r= r（1+ y +y）=c附加电阻的计算当护套两端接地形成通路时，会产生环流，有环流引起的附加电阻r。附加电阻的计算将在下节中进行。2.2 绝缘电阻、电容与电感的计算2.2.1 绝缘电阻的计算由于此电缆为分相屏蔽型电缆，所以，此电缆的每一相的绝缘电阻与单芯电缆相同，按照下是进行计算： r= 取体积电阻率i=5x1014m 又有ri=10.89mm r内=则m2.2.2 电容的计算此三芯分享屏蔽电缆的每相电容和单芯电缆的电容计算公式一样。c=x10-12=f/m-xlpe相对电容率，查表可得取值为2.5；r-绝缘半径，其值为10.89mm；r-内半导电层半径，其值为3.194mm。代入上式的2.2.3 电感的计算此次设计电缆为三芯分型屏蔽电缆，且敷设条件为等边三角形敷设。又由于此电缆金属屏蔽两端通路，故导体上相应的会产生附加电感和附加电阻，则，每相上单位长度的的电感都要相应的减去附加电感l，每相导体上的电阻则要加上h环流引起的附加电阻r。即有又有li=0.5x10-7h/m s=de=57.01mm rc=5.689mm rs=mm 又20时单位长度的金属屏蔽的电阻取金属屏蔽的工作温度为70，此时的则附加电感h/m附加电阻所以，单位长度的有效电感有效电阻rc=r交+r/=2.3342x10-4+3.19x10-6=2.3661x10-4/m2.3 金属屏蔽损耗因数的计算三芯分相屏蔽型电缆与单芯电缆等边三角形敷设金属护套通路的情况一样，其 1/要比1/大得多，故只需计算1/即可。 第三章 电缆连续额定载流量和短路电流的计算3.1 等效热路图及各种热阻的计算3.1.1 等效热路图由电缆型号wdzb-yjy知此电缆无铠装结构，故其等效热路图如下图示： wc+0.5wi c t1 3(wc+wi+ws) 3(wc+wi+ws)+wac t1 s t3 t4 c c c t1 分相屏蔽型三芯电缆等效热路图 其中c 、s 、e 、o分别为电缆导体、金属屏蔽、电缆表面、周围媒质的温度 t1 、t3 、t4分别为绝缘层、外护层、媒质热阻3.1.2 绝缘层热阻此电缆为三芯，有屏蔽层的电缆，其绝缘层的热阻计算需按照下式计算g，几何因数，其数值可通过下面附图一计算查的k，屏蔽因数，其数值可通过下面附图二计算查的n，缆芯根数t，绝缘热阻 附图一0.5 0 5 10 15 20 25 30 通过一系列的插图计算可得k=0.525，g=1017又有代入计算的3.1.3外护套热阻外护层一般都为同心结构，其热阻计算为te，外被层的厚度da，外被层以内的直径有代入计算的3.1.4 媒质热阻此电缆敷设于空气中，且不受阳光直射，则其热阻可有下式进行计算de*，电缆外径（单位为m）h，散热系数，其值可有附图三中查的 附图三有de*=0.05701m=5.701cm，通过上图可查的h=3w/m2k5/4 由于此处的计算用到电缆的介质损耗，特在此惊进行介质损耗的计算下面用曲线图法计算此法通过两步进行相应计算：（a） ka值的计算其中 由1=0.0286 2=0 h=3w/m2k5/4 t1=0.114t.m t2=0 t3=0.058t.m代入上式计算的(b）计算 其中 又有电缆表面对日光的吸收系数，此处取=0.4,h为日光辐射照度，一般都取值103w/m2代入数据进行计算则=50+0+2.17=52.17k下面通过查附图四，确定=2.61 附图四则，媒质热阻3.2 电缆额定载流量的计算此型号电缆为三芯分相型电缆，则，载流量的计算公式为有代入上式计算3.3 空气中敷设电缆的的热容和短时负荷（1h）载流量此次设计电缆为低压电缆，则其热容用等效热熔来表示，具体计算公式为下面分别计算上述四个数值则单位长度的此电缆的等效热容为下面计算短时载流量由公式且=kttt等效热阻代入数据的=2587.11x2.312=5981.40则3.4 允许短路电流和短路温度的计算 短路电流的计算公式为 下面计算导体的短路电流经过查由乔月纯主编的电线电缆结构设计中p202的表8-10知，k=226=234.5k t=3s 1=90 2=250 代入上式计算得则，导体的短路温度由下式得出 下面计算金属屏蔽的短路电流则金属屏蔽的短路温度为3.5 各种损耗计算导体的损耗、介质损耗、金屏损耗分别为： 电缆各处的温度：3.6 电缆临界长度的计算极限情况下，当电容电流增加到与额定电流相等时的电缆长度，称为电缆的临界长度。即 第五章 阻燃实验 电线电缆的阻燃特性，除与试验方法有关外，还与试样数量有关，故有单根和成束燃烧试验之分，并相应用“单根阻燃”和“成束阻燃”来描述他们的阻燃特性。并且，实验过程中又有水平燃烧和倾斜燃烧之分。5.1 单根电线电缆水平燃烧实验 5.1.1实验设备实验过程中用到的有火源、金属罩、排风扇、秒表。具体的规定按照gb/t 12666.3-90的规定。5.1.2试样制备从成品电缆上截取一根试样，长度为30010mm。用布擦净试样表面，对于标称直径超过32mm的电缆，在式样表面上绘制两条平行于试样轴线并与直径相对的直线a、b（本次设计电缆标称直径大于32mm）。5.1.3实验步骤 具体的实验步骤按照gb/t 12666.3-90中4.2节内容5.1.4实验结果评定实验结果同时符合下述要求，则