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浅谈分割导体的结构与设计及部分国外分割导体的介绍

2015年12月03日 09:59来源: 安徽润邦特种电缆有限公司 >>进入该公司展台人气:2866


1.前言

电缆被誉为国民经济建设的血管,是实现我国现代化建设必不可少的要素。

随着我国国民经济的迅猛发展,“十二五”规划中明确指出要加快农村城镇化进程和城乡电网的改造,用户在电缆的选择中越来越趋向于大截面、高压及以上电压等级的电缆。但由于集肤效应的存在,电流趋于在导体表面流动,使得导体载流量不与导体截面呈线性增加,导体截面积越大,集肤效应越明显。在GB/ T 11017-2002、GB/T 18890-2002等标准中明确规定,截面积在800mm2及以上时必须采用分割导体结构(虽然没有明确规定金属导体种类,但是业内基本默认为铜导体),以降低集肤效应对电缆载流量的影响。

2.分割导体的结构与设计

2.1 分割导体结构

分割导体顾名思义,一般的分割导体由扇形或瓦楞股块、皱纹纸、半导电尼龙带及中心填充单元组成(本文主要探讨由扇形股块构成的分割导体),中心填充单元位于整个分割导体的中心,其材料一般为绞合铜丝(国内)和实心铜(国外),但由于集肤效应的存在,中心填充单元几乎很少起到传输电流的作用,国内外资料中未见到对大截面分割导体中心填充单元的介绍,如中心填充单元材料、性能、载流量等。扇形股块的以中心填充单元为中心按同一方向成缆,皱纹纸隔离于各个扇形股块之间,半导电尼龙带绕包在分割导体之外,zui后外层绕包无纺布。

分割导体的主要形式有四分割、五分割、六分割、七分割等,我国以五分割导体应用zui为广泛,如图1所示。GB/T3956-2008中规定分割导体的截面积范围是800mm2-2500mm2,如表1所示,但有的企业已经制造出截面积为3000mm2,甚至3500mm2的分割导体,但该标准中只规定到了2500mm2。我国的GB/T3956-2008是参照IEC 60228-2004制定的,随着电缆行业技术的进步,相信会有越来越多的企业有能力生产3000mm2及以上的大截面分割导体,所以会加速相关标准的修订速度,相信未来的相关标准中会增加对于分割导体截面积范围限制,以及相关的参数说明。

图1 四种分割导体示意图

表1  铜导体结构和直流电阻

2.2 分割导体的设计

分割导体的设计思路,首先是计算分割导体实际截面积、设计分割导体股块的构成、计算分割导体直径及单个股块实际截面积、设计单个股块与单丝形状及排序、综合考量分割导体整体结构尺寸、分割导体除了导体外所需原辅材料等,本章节主要介绍分割导体实际截面积设计与股块设计。

2.2.1分割导体截面积设计

普遍方法之一是参照GB/ T 11017-2002、GB/T 18890-2002等标准中20℃的导体电阻值,进而进一步计算出所需导体的截面积。但实际截面积要根据实际情况而定,分割导体实际截面积计算公式如下所示:

S=(K1×K2×K3×ρ×1000)÷R

式中

S------分割导体实际截面积

K1-----金属电阻增值的调整系数(1.0-1.5)

K2-----多根导线绞制的绞合系数(1.0-1.5)

K3-----股块成缆的绞合系数(1.0-1.2)

ρ----- 20 ℃ 铜导体电阻率(0.017241)

R-----20 ℃ 铜导体直流电阻(见表1所示)

从理论上讲,一般情况下分割导体实际截面积与设计截面积相差率不超过5%,大多数电缆企业生产的分割导体实际截面积要略微大于理论截面积,进而使得电缆外径偏大。但如果分割导体截面积超过了2500mm2,那么就要按上述公式反推计算了。

2.2.2分割导体其他参数设计

分割导体直径:D12=4xS/π            

填充系数与成缆外径:根据公开资料表明,分层紧压法由圆单线构成的扇形纤芯填充系数η约为86%-94%,

分割导体成缆外径:D22=4xS/(πxη)   

此处需注意的是,由于扇形股块在成缆时会产生肉眼不看见反弹现象,所以建议在计算出分割导体成缆外径后再稍微放大一点。

分割导体单个扇形股块截面积:S1=S/N  其中N是分割导体扇形股块个数。

分割导体扇形股块单丝直径的计算:相关标准有关于分割导体截面积对应的导体单丝根数的说明,比如截面积为1200mm2的分割导体中单丝根数下限是170根,假设分割导体是五分割,则每个扇形股块的单丝根数应不少于34根,如六分割则不少于28根。如图2所示为一种六分割导体和一种五分割导体。

在分割导体的设计中,要充分考虑生产厂的设备生产能力、产品尺寸范围、绞合系数等实际情况,以免受返工之扰。

 

图2 一种六分割和一种五分割导体示意图

2.3国外分割导体的介绍

我国国内分割导体材料一般都是铜导体,也存在一些如“3000mm2铝分割导体”等实用新型,但在实际生产中却未曾见过。《8th International Conference on Insulated Power Cables》会议文摘B.10.1中刊登了《导体设计的选择》一文,文中介绍了几种国外铜、铝分割导体,其中铝分割导体截面积zui大已达到1600mm2,甚至通过了290/500Kv XLPE绝缘电缆的测试,如图3所示,是几种铜、铝绞合及分割导体示意图。左面三个依次是铜绞合导体、铜分割导体、表面经漆包处理的铜分割导体;右面三个依次是铝绞合导体、铝分割导体、表面经漆包处理的铝分割导体,该文中指出,表面经漆包处理的分割导体可以更好的降低集肤效应对导体的影响,更大程度的提高电缆载流量。

图3 几种铜、铝绞合及分割导体示意图

《8th International Conference on Insulated Power Cables》会议文摘A8.2中介绍了几种分割导体的直流或交流电阻比较,如图4、图5、图6所示。分别介绍了20℃时不同导体截面积的交流电阻、导体损耗、DC与AC之间的导体电阻对比等信息。

图4   20℃时不同截面铜导体的交流电阻

图5  载流量计算:zui大电流@50W/m导体损耗

图6  20℃时 DC与AC不同导体截面之间的电阻关系

3.结束语

2012年我国电缆行业总产能已过万亿,成为了世界电缆制造*大国,但我国电缆行业缺少像上述2.3章节中的国外线缆企业的深度研究,大多还是凭借经验做事。分割导体从本身设计角度讲已经不是陌生的技术了,但很多基础性的研究却没有大的突破,如分割导体中心填充单元是否起到传输电流的作用,如果其传输的电流小到可以忽略,是否可以用价格更加便宜、硬度更好的钢芯代替,如果其可以传输电流,那么分割导体截面与中心填充单元之间的关系又是怎么样的;分割导体压轮、模具的设计如何更加合理;分割导体的结构设计上如何更加有效的降低集肤效应等等。这一系列问题正等着我们去解决、攻关。zui后附图一张国外电缆企业的2500mm2 490Kv XLPE绝缘超高压电力电缆,以供参考。

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