CN202976978U - 一种高输送容量电缆导体 - Google Patents

Abstract

一种高输送容量电缆导体，其是由多个相互绝缘的独立部分构成的导体，其特征在于，截面为圆形，中心是由多根铜单线紧压成的圆形结构，外围是5个形状完全相同的由铜单线紧压成的瓦楞结构，圆形结构与瓦楞结构之间，以及5个瓦楞结构之间由绝缘纸隔离。本实用新型结合了电线氧化的圆形分割以及组合式分割两种导体分割方式，将整个导体分成了尽可能多个小单元，该导体整体结构稳定，分割单元更多，分割效果更好， 大大降低了导体的集肤效应，提高了导体载流量，材料利用率增加。

Description

一种高输送容量电缆导体

技术领域

本实用新型属于电缆技术。

背景技术

电力是非常重要的绿色能源，随着我国经济的快速发展，电力的需求量也在逐年增加。电能的使用范围极其广泛，大到宇宙飞船的研究发射，小到普通百姓的日常生活，没有电力人类的一切活动都将无法正常的进行。既然电力有这大的需求，如何将电力的以最小的损耗传输就显得尤为重要。

在电力传输中，为了提高电缆的载流能力，通常的做法就是增加导体截面积，提高电缆载流量。而在交流传输系统中，由于集肤效应的影响，电缆的载流能力并不是随着导体截面积增大而成正比的增加，而是当导体截面积大到一定程度时，其交流电阻会明显高于直流电阻ⅰ，如图1所示，这也大大限制了电缆的载流能力。图中bare-裸导体；ks为集肤效应因数，因导体结构不同而不同；enamelled-瓷漆的，镀漆的；oxydised-氧化的。

根据传统高压电缆制造工艺，为了改变大截面电缆集肤效应对载流量的影响，对截面800mm²及以上的电缆导体采用分割块用绝缘纸隔离，再绞合成圆形导体的制造工艺。

集肤效应原理：

在一个电路里 ，能量是从空间通过电磁场由电源输入到连接导线和负载中去的。图2为能流输入处导线内部情况。导体内部电场E和磁场H都只有切向分量，且它们彼此垂直，而坡印亭矢量S内垂直表面里。这里的E、H、S是交变的，亦即，它们组成一列由表及里的电磁波，在小范围内可看作是平面波。此处既有位移电流，由有传导电流，取图3坐标系，x沿电场方向，y轴沿磁场方向，z轴沿波动和能量传播方向。

由麦克斯韦方程推导如下方程ⅱ：

$\left.\begin{array}{c}\▿\·E=0,\\ \▿\×E=-\mathrm{\μ}\frac{\∂H}{\∂t},\\ \▿\·H=0,\\ \▿\×H=\mathrm{\σE}.\end{array}\right\}---\left(1\right)$

将上式写成分量形式，删去除E_x、H_y外的场分量，和除、外的导数相最后剩下的两式为

$\left.\begin{array}{c}\frac{\∂E_x}{z}=-\mathrm{\μ}\frac{\∂H_x}{\∂t},\\ \frac{\∂\mathrm{Hy}}{\∂z}=\mathrm{\σEx}.\end{array}\right\}---\left(2\right)$

将上式第一个式子对z取偏微商，第二个式子对t取偏微商，即可消去含有H_y的项，得：

$\frac{{\∂}^2{E}_x}{\∂z^2}=-\mathrm{\μ\σ}\frac{\∂E_x}{\∂t}---\left(3\right)$

取试探解

E_x=E₀e^i(ωt-kz)  (4)

(4)式代入（3）式，得ω和k之间得关系：

k=-iμσω,得:

$k=(1-i)\sqrt{\frac{\mathrm{\μ\σ\ω}}{2}}---\left(5\right)$

令：

$d_s=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\μ\σ\ω}}}---\left(6\right)$

得：

$E_x=E_0{e}^{-z/d_s}{e}^{i(\mathrm{\ωt}-z/d_s)}---\left(7\right)$

这就是一个振幅随纵深距离z衰减得波动，也就是产生趋肤效应的原因。

集肤深度：

为了便于计算和比较，工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0.368（即1/e）的厚度为趋肤深度或穿透深度d_s，即认为表面下深度为d_s的厚度导体流过导线的全部电流，而在d_s层以外的导体完全不流过电流。d_s与频率f（ω）和导线物理性能的关系为：

$d_s\≡\sqrt{\frac{2k}{\mathrm{\μ\σ\ω}}}$

式中k－材料电导率（或电阻率）温度系数，电阻率温度系数为1/234.5（1/℃），k=1+(T-20)/234.5，T为导线温度（℃）。

μ－导线材料的磁导率，对于铜μ＝μ0＝4π×10^－7H/m；

σ＝1/ρ－材料的电导率，20℃时ρ＝0.01724×10^-6Ω·m，σ=1/ρ=5.80×10⁷ 西/米。

对于直流传输有: ω = 2πf = 0 ,  d_s→∞，因而无集肤效应。

对于铜导体工频传输，不同温度的集肤深度见下表：

温度（℃）	集肤深度ds（mm）
		20	9.5
30	9.9
		40	10.2
50	10.5
		60	10.9
70	11.3
		80	11.8
90	12.2

由电磁场理论分析可知，要想对大截面电缆导体有效地减轻因集肤效应引起的交流电阻增加，就要将导体加工成为由若干个相互绝缘的独立部分构成的导体，每个部分的外形尺寸明显减小，从而降低集肤效应对电缆载流量的影响，达到减小交流电阻的目的。以下为几种常用规定分割结构：

1． 扇形分割

将分割导体加工成几个扇形股块，然后彼此间加以绝缘成缆为一个圆形导体，如图3所示，1是铜单线，2是绝缘纸；3是半导电带。

扇形分割主要有扇形四分割、五分割、六分割、七分割，不同组合的传输能量损耗见下表ⅲ：

分割数量	单个分割块传输中的能量损耗（mW/m）	成缆后导体的传输损耗（mW/m）
			4	570	2280
5	370	1850
			6	260	1560
7	190	1330

通过上表，我们可以看出，四至七分割结构中，分割块数量越多，传输的能量损耗越小，理论上分割导体做成7分割更佳，但由于实际生产中，分割块数量越多，成缆的圆整度就越难保证，导体圆整度不佳会对后续生产造成一定的影响，加上目前国内分割块成缆设备限制，大多数电缆厂家在生产分割导体时，都会采用五分割结构，可有效降低集肤效应。

2． 组合式分割

中间为紧压圆形结构，外围是5个瓦楞结构的组合式分割，如图4所示。这种结构相对于扇形分割，生产过程更为繁琐，生产工序多且周期更长，但这种型式的分割导体，内部有了圆形支撑后，结构更加稳定，圆整度也较易控制。同时，该结构独立的分割单元更多，分割效果更好。

3．单线表面氧化处理的分割方式

在生产导体时，首先在铜单线表面氧化形成一层约1μm厚的氧化铜薄膜，起到单线间相互隔离的目的，最大限度的降低集肤效应对导体载流量的影响。该分割方式，分割的单元最多，理论上分割效果最好，但实际生产中，各层单线表面的氧化层在紧压过程中，都会受到不同程度的损伤，对分割效果会产生一定的影响，其结构如图5所示。该种结构要求在铜单线拉制时，控制好退火电流，取消氮气或蒸汽保护，同时减小退火冷却液流量，使拉制出的铜单线在空气中自然氧化，单线外表颜色成黑色为最佳。

可见，圆形单线氧化分割在导体紧压绞制过程中，每层单线表面的氧化层都会有不同程度的损伤，从而降低了分割效果。而中间圆形外围5瓦楞的组合，其整体导体结构随较稳定，但导体截面越大，各分割部分尺寸也随之增大，受集肤效应影响程度更大，分割效果会不同程度的降低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提出一种高输送容量电缆导体，采用中间紧压圆形，外围五个结构完全相同的瓦楞结构，组合成为圆形导体，生产中所用的铜单线表面均为氧化发黑状态，提高导体载流量，增加材料利用率。

本实用新型的技术方案如下：

一种高输送容量电缆导体，其是由多个相互绝缘的独立部分构成的导体，其截面为圆形，中心是由多根铜单线紧压成的圆形结构，外围是5个形状完全相同的由铜单线紧压成的瓦楞结构，圆形结构与瓦楞结构之间，以及5个瓦楞结构之间由绝缘纸隔离。所述铜单线为表面氧化发黑铜单线。

采用本实用新型的单线氧化的中间圆形加外围5瓦楞的组合式分割导体结构，结合了电线氧化的圆形分割以及组合式分割两种导体分割方式，将整个导体分成了尽可能多个小单元，该导体整体结构稳定，分割单元更多，分割效果更好， 大大降低了导体的集肤效应，提高了导体载流量，材料利用率增加。

附图说明

图1随导体增大交流电阻与直流电阻的比值；

图2趋肤效应机制示意图；

图3是四种的扇形分割结构图；

图4组合式分割结构图；

图5单线表面氧化处理的分割结构图；

图6是本实用新型的结构图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本结构：

如图6所示，本高输送容量电缆导体所用的铜单线全部为表面氧化发黑状态，导体截面为圆形，中间部分为紧压圆形结构4，外围为5个形状完全相同的瓦楞结构5，一并组成整体圆形导体。圆形结构与瓦楞结构之间，以及5个瓦楞结构之间由绝缘纸2隔离。圆形导体的最外层包裹的是半导电带3。

具体生产中的模具、压轮尺寸设计：首先确定出整个导体的各部分结构尺寸；再根据导体结构尺寸，设计出生产外围瓦楞形结构以及中间紧压圆形所需压轮和模具。

采用上述压轮和模具，即可生产出本电缆导体，本结构可应用于110kV等高压电缆。

Claims (2)

1.一种高输送容量电缆导体，其是由多个相互绝缘的独立部分构成的导体，其特征在于，其截面为圆形，中心是由多根铜单线紧压成的圆形结构，外围是5个形状完全相同的由铜单线紧压成的瓦楞结构，圆形结构与瓦楞结构之间，以及5个瓦楞结构之间由绝缘纸隔离。

2.根据权利要求1所述的高输送容量电缆导体，其特征在于，所述铜单线为表面氧化发黑铜单线。

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