33kV铜丝屏蔽风力发电电缆产品设计书(载流量、短路电流、短时过负荷、过负荷曲线、感应电压、绝缘设计)

鉴定资料之八额定电压19/33 kV铜芯交联聚乙烯绝缘双护套风力发电电力电缆产品设计计算书XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX年XX月75产品设计计算书一. 产品设计计算依据：电力电缆设计原理（哈尔滨理工大学 卓金玉 编著）、AS/NZS 1429.1:2006 工作电压1.9/3.3(3.6)kV至19/33(36)kV电力电缆二.电缆机构尺寸、性能的设计计算：1. 电缆结构图及尺寸2. FY-YJSY03 19/33 kV 11000电缆结构表型号规格导体结构mm半导电尼龙带mm半导电特多龙带mm导体屏蔽mmXLPE绝缘mm绝缘屏蔽mm根数/线径外径根厚搭盖率外径根厚搭盖率外径厚度最薄点标称值最薄点偏心度%厚度最薄点线芯外径FY-YJSY03 19/33 kV 11000537/2.8139.410.1250%39.910.250%40.71.00.908.07.208 0.90.8161.2型号规格铜丝+铜带屏蔽mm半导电阻水带mm铝塑复合带mmLLDPE内护套mm防白蚁HDPE mm根数/线径绞向铜丝节距外径根厚搭盖率外径厚宽外径标称值最薄点外径标称值最薄点外径FY-YJSY03 19/33 kV 1100046/1.35左向5446078.59.5倍63.010.530%65.00.222065.61.91.6269.42.11.7973.63. 电缆技术数据表： FY-YJSY03 19/33 kV 11000风力发电电力电缆技术表项 目单 位设 计 值额定电压U0/UkV19/33系统最高电压UmkV36电缆芯数1导 体a)截面mm21000b)材料无氧铜杆c)类型五分割圆形d)外径mm39.4导体屏蔽层a)材料半导电特多龙带+半导电交联屏蔽料b)标称厚度mm（0.8+1.0）c)最大电阻率（90）.m1000项 目单 位设 计 值绝 缘a) 材料XLPEb) 挤包方式和交联方式三层共挤，干法交联c) 标称厚度mm8.0d）最小厚度mm7.10e) 短时工频击穿场强kV/mm25f) 抗拉强度MPa12.5g) 断裂伸长率%200h) 热延伸（负载下延伸率）%175冷却后永久变形率%15i) 杂质最大尺寸mm0.08绝缘屏蔽层a)材料半导电屏蔽交联料b)标称厚度mm0.8c)最大电阻率（90）.m500金属屏蔽a)材料铜丝+铜带b)铜丝线径/铜带厚度mm1.35/0.12c)截面mm265.8包 带a)材料半导电阻水带b)标称厚度mm0.5c)绕包方式单层重叠搭盖绕包项 目单 位设 计 值防水层a)材料铝塑复合带+LLDPEb)标称厚度mm0.2/1.9c)挤出最薄点厚度mm1.62外护套a)材料防白蚁HDPEb)标称厚度mm2.1c)最薄点厚度mm1.79电缆总外径mm73.6最小允许弯曲半径a)施工中mm1900b)运行中mm1000导体允许运行时最高温度a)正常90b)短路250导体直流电阻(20)/km 0.0176最大允许短路电流 1 sa)导体kA146.7b)金属屏蔽kA9.84. 长期载流量计算书FY-YJSY03 19/33 kV 11000澳大利亚使用条件及必要系数：序 号项 目单 位数 据1电压U0/UkV19/332频率fHz503介电常数e2.34介电损耗角正切tg0.00085铜导体电阻温度系数1/3.9310-36金属屏蔽电阻温度系数1/3.9310-37XLPE绝缘热阻系数k.m/w3.508PE外护套的热阻系数km/w3.509运行时导体温度9010运行时金属屏蔽温度7011空气温度（夏季）4012土壤温度（夏季）2513接地方式一点接地或交叉互联14土壤热阻系数k.m/w1.215敷设深度(最深)mm1000如图：单芯屏蔽型电缆等效热路图 WC+Wi WC+Wi+WS C T1 S T3 e T4 0热路方程为： c-0 =（c-s）+（s-e）+（e-a） c式中为导体允许最高温度；a为周围媒质温度；s为金属屏蔽温度；s为电缆表面的温度。对上式带入各路损耗，及热阻并进行化简，可得具体载流量计算公式：其中：I ：截流量（A） ：=c-a，导体温度与环境温度之差（） Rc : 90时导体交流电阻（/km） Wc、Wi：导体损耗和绝缘介质损耗 1： 金属屏蔽层的损耗因数 T1 ：导体与金属屏蔽间绝缘层热阻（k.m/w） T3 ：电缆外护套热阻（k.m/w） T4 ：电缆表面与周围媒介之间热阻热阻（k.m/w）1） 导体交流电阻Rc的计算： Rc= R、（1+ys+yp） R、= R01+a20(90-20) 其中： R、：最高运行温度下导体直流电阻（.m）ys：集肤效应yp：邻近效应R0：20时导体直流电阻（.m）a20：20时导体的温度系数 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，对于圆形紧压导体ks=1：分割导体 ks=0.435。 其中：Dc为线芯外径，kp对于圆形紧压导体kP=1; 分割导体 kP=0.37，s为线芯中心轴间距离。2） 介质损耗Wi的计算： 其中：U0为对地电压； C为电容；为电源角频率；3） 金属屏蔽损耗1的计算： 1=1+1其中：1环流损耗， 1涡流损耗对于单芯电缆分割导体结构中1可忽略不计；1涡流损耗用下式计算： 1=1 1的计算：式中： Rc为90导体交流电阻；Rs为单位长度金属屏蔽电阻；gs为相邻电缆引起该电缆金属屏蔽的涡流损耗；ts为金属屏蔽铜丝直径； 为工作温度下金属屏蔽材料电阻率； DS为金属屏蔽直径；a.三角形排列时 2=0b.平行排列时1)中心电缆（B相） 2=0其中：2)外侧超前相（A相）3)外侧滞后相（C相） 4） 铠装层损耗2的计算： 2=0 5） 热阻的计算5.1铜丝屏蔽电缆热阻T1的计算热阻式中：T1为绝缘材料热阻系数(km/w) Dc为导体直径(mm)；Dwb为绝缘屏蔽外径；5.2热阻T2的计算 热阻T2=05.3外护套热阻T3的计算 其中：Ds为金属屏蔽外直径；t3-内外护套厚度之和； T3-外护套热阻系数。5.4外部热阻T4计算5.4.1土壤中敷设5.4.1.1铜丝屏蔽电缆平面排列相互接触的三根单芯电缆热阻T4：其中：为土壤热阻系数。 De为电缆外径。5.4.1.2铜丝屏蔽电缆三角形排列相互接触热阻T4：5.4.2 空气中敷设其中： De：电缆外径 (mm) h: 散热系数 ：反复叠代直至时为止的值即为。 当空气中敷设有强制冷却措施时，回路数对载流量基本没有影响。电缆连续载流量主要计算参数数据表项 目单 位数据电缆截面mm21000电缆排列方式 水平排列轴间距mm150150敷设场所土壤中空气中土壤热阻系数km/w1.2/导体电阻 (DC 20时)/km0.01760.0176导体交流电阻 (AC 90时)/km0.02330.0233导体与金属屏蔽之间的电容F0.40720.4072介质损耗W/m0.036940.03694金属屏蔽的损耗/0.035890.03589导体与金属屏蔽之间的热阻km/w0.262480.26248非金属护套热阻km/w0.13860.1386敷设在土壤之间的热阻km/w2.1070/敷设在空气之间的热阻km/w/0.4068电缆芯数/11最高使用温度90.090.0环境温度25.040.0高于环境温度的导体温度65.050.0连续载流量A16891087电缆连续载流量主要计算参数数据表项 目单 位数据电缆截面mm21000电缆排列方式 等边三角形排列轴间距mm7575敷设场所土壤中空气中土壤热阻系数km/w1.2/导体电阻 (DC 20时)/km0.01760.0176导体交流电阻 (AC 90时)/km0.02330.0233导体与金属屏蔽之间的电容F0.40720.4072介质损耗W/m0.036940.03694金属屏蔽的损耗/0.073060.07306导体与金属屏蔽之间的热阻km/w0.262480.26248非金属护套热阻km/w0.13860.1386敷设在土壤之间的热阻km/w1.9282/敷设在空气之间的热阻km/w/0.7015电缆芯数/11最高使用温度90.090.0环境温度25.040.0高于环境温度的导体温度65.050.0连续载流量A151311135. 导体和金属屏蔽热稳定计算书4.1 金属屏蔽的短路电流绝热状态下短路电流的计算公式如下： 式中: IAD为绝热状态下金属屏蔽的短路电流，A； t为短路时间，sec.； K为常数,A.s1/2/mm2； S为金属屏蔽截面； f短路终止温度； i短路起始温度； 为常数，234.5。金属屏蔽的截面积 式中：d为铜丝线径，mm； n为铜丝根数，mm；当电缆处于非绝热状态下时，应考虑如下系数：式中：2，3 为金属屏蔽层四周媒质的比热，J/Km3； 2，3为金属屏蔽层四周媒质的热阻，km/W； 1为金属屏蔽的比热，J/Km3； 为金属屏蔽的厚度，mm； F为常数，一般取0.7。因此因数为： 式中：t为短路时间，金属屏蔽非绝热状态下的短路电流为： I=IAD 式中：I为非绝热状态下的短路电流。金属屏蔽的短路电流计算结果项 目单 位数 据电缆标称截面mm21000短路终止温度f250短路起始温度i80常数234.5常数KA.s1/2/mm2226金属屏蔽截面积mm265.8金属屏蔽层四周媒质的比热2J/Km33.45106金属屏蔽层四周媒质的比热3J/Km32.4106金属屏蔽层四周媒质的热阻2km/W4.25金属屏蔽层四周媒质的热阻3km/W3.5金属屏蔽的比热1J/Km33.4106屏蔽铜丝线径mm1.35常数F/0.5常数/1.0812参数M/0.09418屏蔽铜丝在绝热状态下的短路电流IADkA/1s9.8屏蔽铜丝在非绝热状态下的短路电流IkA/1s10.64.2导体非绝热状态下的短路电流的计算绝热状态下短路电流的计算公式如下： 这里，各参数的含义见2.1条。考虑到非绝热状态， 式中：X、Y为计算常数，分别为0.41 mm2/s和0.12 mm2/s s为导体截面 t为时间1 s导体非绝热状态下的短路电流I = IAD导体短路电流计算结果项 目单 位数 据电缆标称截面mm21000短路终止温度f250短路起始温度i90常数234.5常数KA.s1/2/mm2226常数Xmm2/s0.41常数Ymm2/s0.12常数-1.0064短路时间ts1.0导体在绝热状态下的短路电流IADkA146.7导体在非绝热状态下的短路电流IkA147.66. 短时间过负荷载流量计算书完整的温度响应土壤中(t)=c(t)+*e(t)2.32300=234.5234.5(a)=t/(1+(c(t)-h(t)-(t)/(0+ci(t)1.9725(d)=Wd*(0.5T1+n*(T2+T3+T4)0.7093r=2(t)/c(t)1.1667h1=io/I1.00R20=0.00001761.76E-05初始温度时的交流电阻值RDC90=R0(1+20(-20)2.24E-05Xs2=8f*10-7*ks/R2.4351ys=Xs4/(192+0.8*Xs4)0.0301Xp2=8f*10-7/RDC90*kp2.0712yk=Xp4/(192+0.8*Xp4)0.0220yp=yk*(dc/s)2*(0.312*(dc/s)2+1.18/(yk+0.27)0.0139R=RDC90(1+ys+yp)2.34E-05Ri=(1+(ci(t)-20)*Rdc*(1+ys+yp)/10002.34E-05最高温度（过负荷时）时的交流电阻值RDC250=R0(1+20(-20)2.35E-05Xs2=8f*10-7*ks/R2.3282ys=Xs4/(192+0.8*Xs4)0.0276Xp2=8f*10-7/RDC90*kp1.9803yk=Xp4/(192+0.8*Xp4)0.0201yp=yk*(dc/s)2*(0.312*(dc/s)2+1.18/(yk+0.27)0.0128Rmax=(1+(2(t)-20)*Rdc*(1+ys+yp)/10002.44E-05(w)=2(t)-h(t)-(d)74.32573空气中(t)=(c)6.64800=234.5234.5(a)=(t)/(1+(c(t)-h(t)-(t)/(0+ci(t)5.8645(d)=wd*(0.5T1+n*(T2+T3+T4)0.1835r=2(t)/c(t)1.1667h1=io/I1.00Ri=(1+(ci(t)-20)*Rdc*(1+ys+yp)/10002.34E-05Rmax=(1+(2(t)-20)*Rdc*(1+ys+yp)/10002.44E-05(w)=2(t)-h(t)-(d)64.827317. 短时间过负荷曲线8. 金属屏蔽感应电压计算书7.1等边三角形敷设其中,S为电缆导体轴间距,mmrs为电缆金属屏蔽的半径,mmI负载电流,A可得金属屏蔽感应电动势有效值Us =53.4V/km。7.2 水平等距敷设中间相感应电动势96超前相、滞后相感应电动势 Us1=Us3=IXs2+XSXm+Xm2Xs为两根相邻电缆单位长度金属屏蔽的电抗，/m；Xm为电缆平面排列时，某一外侧电缆金属屏蔽与另两根电缆导体之间单位长度电缆的互抗，/m；Xm=2ln210-7=0.43510-4可得金属屏蔽感应电动势有效值Us1=Us3=123.1V/km、Us2=96.1V/km。9. 电缆绝缘设计方案项 目符号单位数值交流标称电压UkV33系统最高电压UmkV36对地最高电压U0kV19温度系数（高温90）K11.1设计寿命年 30v-t系数n12老化系数K24产品试验等不确定裕度系数K31.1AC设计电位梯度ELACkV/mm25交流电压下确定的绝缘厚度tACmm4.0系统耐雷电冲击电压BILkV/mm200冲温度系数I11.1老化系数I21.1产品试验等不确定裕度系数I31.1击imp设计电位梯度ELimpkV/mm45冲击电压下确定的绝缘厚度timpmm5.9设计最小绝缘厚度tBmmm5.9国家标准规定的标称绝缘厚度t0mm8.0我司规定绝缘最小厚度tminmm7.28.1 AC电压时的设计对于AC电压，将设计寿命作为30年，来设计绝缘厚度。8.1.1 计算公式计算公式如下所示： tAC：必要绝缘厚 （mm） Um：线间最高电压 （kV） K1：温度系数 K2：寿命系数 K3：产品试验等不确定要素系数（1.1） EL(AC)：AC设计电位梯度（kV/mm）用这个公式（1）式可以求得绝缘厚度。8.1.2 线间最高电压（Um）线间最高电压（Um）是指用户系统运行中，高于可能外加的最高电压，进行设计时必须将此值明确。8.1.3 温度系数K1为1.1。8.1.4 寿命系数（K2）寿命系数（K2）是基于下面的思考方法思考决定的。即vnt=常数，这一思考方法，也就是说将v作为向电缆施加的电压，将t作为通电时间，用两对数图表表示时，梯度（n）是常数。60年代，国际大电网会议（CIGRE）先后就XLPE电缆基于抽样存在微孔的长期试验，提出n应取12较安全。若按使用寿命为30年，则K2=4。日本等国家以往多按此方法设计。8.1.5 产品试验等不确定要素系数（K3）此值是对将来有可能发生的事情的安全系数，采用1.1。8.1.6 AC设计电位梯度（EL(AC)）EL本来是将破坏数据进行威尔布解析而求得的该位置的参考，是绝对不破坏的电场。 JB/T 10437-2004申明：35 kV及以下交联聚乙烯绝缘电力电缆用XLPE绝缘料工频击穿场强应25 kV/mm，因此我们采用EL=25 kV/mm作为计算数据。8.2. Imp电压的设计对于Imp电压，使用BIL（Basic Impulse Level）设计电位梯度（EL）以及诸系数