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在傳統(tǒng)的電纜專業(yè)教科書中,確定電金聯(lián)宇電線線電纜產(chǎn)品絕緣厚度的原則主要是針對(duì)中高壓電力電纜的,因?yàn)樗窃诟唠妶鰪?qiáng)度作用下絕緣理論的經(jīng)典學(xué)科理論。但對(duì)于有上千種電線電纜品種、并用于許多領(lǐng)域、分為許多大類的整個(gè)電線電纜來說,并不是只有這一種高電場的情況。本文將按電線電纜產(chǎn)品處在不同的使用功能要求下,對(duì)其絕緣厚度確定的原則進(jìn)行探討,使讀者進(jìn)一步了解各種電線電纜的絕緣厚度是如何確定的,以有利于在設(shè)計(jì)和發(fā)展產(chǎn)品中有更全面的考慮。
一、中高壓用電纜的絕緣厚度
中高電壓用的電纜一般指工資電壓U0在1.8kv及以上,直流在3kv以上的電纜。最典型的是3kv及以上直至500kv的電力電纜,其它如3kv及以上的礦用電纜、機(jī)車車輛電纜、電機(jī)引接線(達(dá)±200kv)、CT機(jī)用電纜等。
1,此類電纜的絕緣厚度,基本上是按經(jīng)典的“電場強(qiáng)度承受能力”來確定的。即
線纜產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)總論鈥斺斕教志島穸鵲娜范ㄔ
式中:U0—電纜的工作電壓金聯(lián)宇電線,kv,工頻系統(tǒng),指相電壓;
En— 絕緣的擊穿電場強(qiáng)度, k v /mm;
K1—長期工作時(shí)的耐電壓,老化系數(shù),工頻取4,直流取1.65。
2,對(duì)66kv及以上的電纜,絕緣厚度還必須經(jīng)過沖擊電壓(雷擊為主)的校核。即上述公式中的U0改為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的沖擊試驗(yàn)電壓,En為絕緣的沖擊擊穿電場強(qiáng)度,老化系數(shù)由k2·k3組成,k2取1.2,k3取1.3。
3,對(duì)于工作電壓為6-35kv的電纜,同一電壓等級(jí)而導(dǎo)線截面不同的產(chǎn)品,采金聯(lián)宇電線金聯(lián)宇電線用同一個(gè)絕緣厚度。但66kv及以上的高壓電纜則其絕緣厚度當(dāng)導(dǎo)線截面增大時(shí),絕緣厚度卻可分級(jí)減薄。其原因是,當(dāng)導(dǎo)線截面增大時(shí),電纜絕緣中導(dǎo)線表面的最大電場強(qiáng)度會(huì)逐步降低。
4,在6~35kv的電力電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中,每一個(gè)電壓級(jí)有二種規(guī)格的產(chǎn)品,如3.6/6、6/6、6/10、8.7/10、21/35、26/35,這是考慮到我國電力系統(tǒng)中存在二種接地系統(tǒng),即直接接地系統(tǒng)和通過消弧線圈接地(簡接接地),直接接地系統(tǒng),一相對(duì)地短路時(shí),繼電保護(hù)動(dòng)作迅速,另二相仍承受相電壓( 線纜產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)總論鈥斺斕教志島穸鵲娜范ㄔ )而簡接接地時(shí),一相對(duì)地短路時(shí),另二相要承受較高的電壓。
二、低電壓用電線電纜的絕緣厚度
低電壓用的電線電纜品種特別多,主要包括1kv及以下的低壓電力電纜,450/750伏的橡皮、塑料絕緣電線、1kv及以下的船用、礦用、機(jī)車車輛用電線電纜,以及各種通用和專用的絕緣電線、安裝線,控制、信號(hào)電纜的絕緣線等等。
1,低壓電線電纜的絕緣厚度主要根據(jù)其力學(xué)性能來確定,因?yàn)槿绻雌涔ぷ麟妷簛砜紤]、其絕緣厚度可以較薄。但是產(chǎn)品在制造、安裝敷設(shè)或使用過程中,產(chǎn)品的絕緣層會(huì)受到拉、壓、彎、扭、剪切等機(jī)械應(yīng)力的作用。而產(chǎn)品自身的導(dǎo)線截面大小對(duì)這些應(yīng)力的數(shù)值影響很大,即截面愈大、自重也大、彎曲應(yīng)力愈大,因此此類產(chǎn)品的絕緣厚度,在同一使用電壓下總是隨著導(dǎo)線截面的增大而增大,為了方便,絕緣厚度總是分檔增加。
表1列出了幾種產(chǎn)品的絕緣厚度,而圖1是幾種電線電纜的絕緣厚度與導(dǎo)線截面的關(guān)系圖。
表1 幾種低電壓電線電纜產(chǎn)品的絕緣厚度分檔表
線纜產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)總論鈥斺斕教志島穸鵲娜范ㄔ
圖1 幾種電線電纜的絕緣厚度與導(dǎo)線截面的關(guān)系圖
線纜產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)總論鈥斺斕教志島穸鵲娜范ㄔ
1-0.38/0.6kV UY礦用移動(dòng)電纜絕緣線芯;
2-450/750V BX橡皮絕緣電線;
3-450/750V BV聚氯乙稀絕緣電線;
4-300/500V RV聚氯乙稀絕緣軟線
2,從表1中可以看出,除了考慮到產(chǎn)品的力學(xué)性能將絕緣厚度按導(dǎo)線截面增加而分檔加厚外,還有一些規(guī)律存在。
(1)如所用絕緣材料的電性能或機(jī)械性能較好,就可以適當(dāng)減薄絕緣厚度,如BV線與BX對(duì)比,說明聚氯乙稀的機(jī)械性能優(yōu)于橡皮,而交聯(lián)聚乙烯的機(jī)械性能明顯優(yōu)于聚氯乙稀,因此0.6/1kV級(jí)的YJV電力電纜絕緣厚度要比VV電纜減薄30%左右。
(2)導(dǎo)線的柔軟度高,能明顯改善產(chǎn)品的力學(xué)性能,所以采用柔軟型結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的產(chǎn)品可適當(dāng)減薄一些絕緣厚度,但柔軟型產(chǎn)品往往供移動(dòng)式使用,因此又抵消了上述因素,對(duì)比BV線與RV線的絕緣厚度就可以說明這一點(diǎn)。
(3)用于使用環(huán)境條件較差或?qū)Π踩砸筇貏e高的產(chǎn)品,應(yīng)適當(dāng)增加其絕緣厚度,如船用、礦用電纜。
(4)對(duì)主要是家用電器用的護(hù)套的低壓電線產(chǎn)品,原則上適當(dāng)減薄其絕緣厚度,但考慮到這使安裝于居室內(nèi)條件較差處(如穿管、嵌墻),以及浴室、廚房等環(huán)境條件較苛刻(水汽、油、煙氣溫度偏高)場合下,且導(dǎo)線截面都在1.0mm2及以下,因此仍采用相同的
絕緣厚度。
3,對(duì)于工作電壓在250伏以下,甚至只有幾十伏、幾伏以下的眾多電氣裝備用電纜,如計(jì)測(cè)控制用電線電纜、儀器儀表用電線電纜(內(nèi)部安裝線與外部連接線),其絕緣厚度的設(shè)計(jì)原則當(dāng)然首先要符合力學(xué)性能的要求,但實(shí)際上更主要的是要滿足其它的外部環(huán)境要求,如耐高溫、耐油??因此其側(cè)重點(diǎn)不是考慮絕緣厚度。一般的方法是在經(jīng)過選擇、試驗(yàn)、試運(yùn)行選定材料之后,再最后確定其絕緣厚度。
4,目前,各類產(chǎn)品已確定的絕緣厚度(包括分檔),是在長期試驗(yàn)和實(shí)踐的基礎(chǔ)上得到的,并可作出有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,但隨著材料的改進(jìn)和新材料的出現(xiàn),以及擠出研究工作的深入,將會(huì)使絕緣厚度的設(shè)計(jì)更為合理。
三、信息傳輸用電線電纜的絕緣層
信息傳輸用電線電纜包括通信電線電纜、電子線纜、光纖光纜等三個(gè)大類產(chǎn)品,在此類產(chǎn)品的導(dǎo)體(銅線、光纖)上傳輸?shù)氖菐装俸掌澋綆装偾Ш眨╧Hz)、兆赫(MHz)、千兆赫(GHz)的電磁波直至光纖上傳輸著光波,它們的傳輸原理與電力系統(tǒng)用的電線電纜完全不同,分析這些產(chǎn)品的絕緣層,有如下一些鮮明的特點(diǎn)。
1,由于不同絕緣線芯之間(一對(duì)線芯間與其他線對(duì)間)或?qū)Ь€對(duì)地之間的電壓將很低很低,因此絕緣層不是按承受的電場強(qiáng)度來設(shè)計(jì)的。實(shí)際上,絕緣層是對(duì)所傳電磁波的一種“隔離”,因此對(duì)絞式結(jié)構(gòu)的電線,絕緣厚度在具有相應(yīng)的力學(xué)性能后可以很薄很薄。以光纖為例,光纖上的玻璃涂膜包層,其作用是為光信號(hào)提供反射邊界和光隔離,同時(shí)起著一定的機(jī)械保護(hù),這就是理論意義上的絕緣層。而包層外面再加上的一層至數(shù)層的二次被覆層,是為了保證光纖的強(qiáng)度的增強(qiáng)層。
2,對(duì)于傳輸信息電磁波(300Hz~300MHz)的電線電纜,絕緣層的結(jié)構(gòu)與尺寸是按照產(chǎn)品的傳輸性能參數(shù)的要求來確定的。以通信電纜為例,其等效電路可以看作是由無限小的四端網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)構(gòu)成的,其一次傳輸參數(shù)的衰減常數(shù)、相移常數(shù)、波阻抗以及回路中的干擾參數(shù)、衰減、防衛(wèi)度等均與絕緣層的尺寸和絕緣材料的特性密切相關(guān)。
3,對(duì)于同軸結(jié)構(gòu)的電纜,內(nèi)外均采用銅時(shí),一對(duì)回路在外導(dǎo)體比內(nèi)導(dǎo)體的比例為3.6倍時(shí)(即= 3.6d/D)回路衰減最小。即不管是大、中、小同軸電纜,其內(nèi)外導(dǎo)體之間的徑向間距是應(yīng)該符合這一規(guī)定的。所以才采用了嵌片式、螺旋繩式、以及小同軸用的藕芯狀擠包式等絕緣結(jié)構(gòu)。
四、絕緣厚度的表示方法由于絕緣厚度是絕緣結(jié)構(gòu)最重要的尺寸,但沿同一圓周上的絕緣厚度又不可能絕對(duì)的一致,而電場影響最嚴(yán)重之處必然是絕緣的最薄點(diǎn),因此對(duì)絕緣厚度必須同時(shí)有幾項(xiàng)考核指標(biāo)。
(1)標(biāo)稱絕緣厚度即設(shè)計(jì)和工藝上控制的厚度(δ0)
(2)最薄絕緣厚度同一圓截面上絕緣最薄一點(diǎn)的厚度。通常規(guī)定為:標(biāo)稱絕緣厚度的百分之九十,再減0.1mm,即δmin = δ0×0.9 ? 0.1mm
(3)最厚絕緣厚度同一圓截面上絕緣最厚一點(diǎn)的厚度。一般不作規(guī)定。但最厚絕緣厚度大,絕緣層呈不均勻橢圓說明工藝水平差且費(fèi)料。
(4)平均絕緣厚度規(guī)定沿同一截面六等分測(cè)量6點(diǎn),求其平均值。要求:不小于標(biāo)稱厚度,但過大則用料多,工藝水平低。
(5)絕緣厚度的不圓率,用下式表示:
不圓率=最厚點(diǎn)厚度-最薄點(diǎn)厚度/平均厚度×100%
此項(xiàng)指標(biāo)僅指擠包式絕緣,還有幾種名稱如不均勻率、橢圓度等,計(jì)算方法也略有差異,行業(yè)中尚未統(tǒng)一,但其含義類同。在二種情況下要控制絕緣厚度的不圓率,首先是110kv及以上的交聯(lián)聚乙烯絕緣高壓電纜,因其絕緣厚度在16mm以上,甚至超過40mm。雖然采用了旋轉(zhuǎn)加懸鏈?zhǔn)交蛄⑺裙に囋O(shè)備的措施,但剛擠出而未交聯(lián)的粘流狀材料很難保證均與分布。但是如果不圓率過大,則在很高電場強(qiáng)度下工作時(shí),由于內(nèi)外不是“幾何圓”,則在絕緣中會(huì)形成切向電場,容易造成切向電擊穿。因此標(biāo)準(zhǔn)必須控制不圓率。
還有一種是企業(yè)為了提高質(zhì)量,降低材料消耗,主動(dòng)在工藝過程中對(duì)10~35kv級(jí)的電纜也控制其不圓率。110kv及以上交聯(lián)聚乙烯電力電纜標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定絕緣厚度的不圓率不得大于標(biāo)稱厚度的15%,實(shí)際上有些企業(yè)可以控制在10%以下,而35kv級(jí)的電纜可以控制到5%左右。