拖链电缆绝缘层厚度的计算

上面分析了影响绝缘厚度的诸多因素，这些因素都是确定绝缘厚度 的依据。综合分析，对于低压小截面电缆，如 500V 以下的小截面橡塑绝 缘和 1000V 及以下的浸渍纸绝缘，其厚度往往由工艺规定的最小厚度决 定。橡塑绝缘最小厚度规定为 0 . 3mm，油纸绝缘纸层最少不低于 5 - 10 层 等，防止可能出现穿透的孔隙和导电点重合。最小厚度的确定也考虑工 艺实现的可能性。

而对于低压大截面的电缆，其绝缘厚度主要根据机械性能确定。主 要考虑电缆在生产和安装时所受到的拉、压、弯、扭、剪切等机械应力。因 为电缆工作电压低，对于能满足承受可能的机械损伤的绝缘厚度，均能满 足电气击穿强度的要求。对于热带、寒带、船用及矿用等特殊场合所用电 缆，须承受很大的机械应力。这类电缆的绝缘设计，往往是根据制造和运

行经验或机械实验来选定其厚度，然后再进行电气核算。

只有工作电压高至 10kV 以上时，绝缘的击穿场强才逐渐成为决定绝 缘层厚度的主要因素。电缆绝缘结构在设计使用期限内应能安全承受各 种形式的电压。此时绝缘层厚度的确定，主要是根据电缆绝缘内的最大 场强等于其击穿场强的原理来设计的。

对于高压单芯不分阶绝缘电缆，其绝缘厚度可按下式进行计算

E        U  

=

m             R

rc1n rc

式中，U 为试验电压，为工频试验电压时，大约为 2 . 6 ~ 3 . 3 倍的相电 压，为脉冲实验电压时，可据保护水平选取，或为 6 U0 + 40kV，二者均可按 电压等级从标准中选取；E 为击穿场强，油纸绝缘的工频和脉冲击穿强度 可参照例；m 为相应于工频和脉冲电压下的安全裕度，一般取 1 . 2 ~ 1 . 6； rc 为导电线芯半径，一般含内半导电屏蔽层；R 为绝缘层外半径。

可据上式分别按工频电压和场强及脉冲电压和场强进行计算，然后

选择厚度较大者。其厚度为

△i = R - rc = rc [exp( ) - 1]

对 n 层分阶绝缘结构的电缆

E1                 E2                            En

式中  rc 为导体半径；r1，r2，…，rn - 1 分别为各分阶绝缘层内半径； E1、E2、… En 为相应于 U 为工频电压或脉冲电压时的长期工频击穿强度 或脉冲击穿强度；m1、m2、…、mn 为安全裕度。

当击穿强度、介电常数、rc 给定后就可按式确定各分阶内半径 r 1、r2、 …、rn - 1，及绝缘外半径 R 。各层绝缘厚度分别为

△i1 = r 1 - rc      l

1

i2 = r2 - r 1      1

… …          1

1

△in  = R - rn - 1 J

绝缘层总厚度  △i = R - rc

而对于塑力缆，由于击穿强度受半径等几何尺寸影响较大，所以可以 采用平均击穿场强来确定绝缘层厚度。

仍然是分别按脉冲和工频进行计算，然后取其厚者。

按脉冲电压确定塑料绝缘厚度

UB1L k 1 k2

Eav

式中，UB1L 为基本绝缘水平，可根据线路的保护水平选取脉冲试验电 压；k 1 为脉冲电压老化系数，交联聚乙烯可取 1. 2；k2  为绝缘层温度系数， 交联聚乙烯取 1. 3；Eav 为平均脉冲击穿强度，应据威伯尔分布函数通过实 验确定，参考数值：交联聚乙烯为 50 ~ 70kV/mm，聚氯乙烯为 40kV/mm 左 右。

按工频电压确定塑料绝缘厚度

U0 k3

△i =

式中，U0 为最大工作相电压；k3 为工频电压老化系数，交联聚乙烯寿 命指数 n = 9 时 k3 取 4。上二式中的 k 值，对于聚氯乙烯要相对交联聚乙 烯取较高数值；E' av 为平均长期工频击穿强度，亦应按威伯尔分布函数确 定，对交联聚乙烯大约为 10 ~ 30kV/mm；对聚氯乙烯大约取 4 ~ 6kV/mm。

例  试计算 - 220kV 电缆的绝缘层厚度

已知数据：

线芯标称截面积                  845mm2

线芯屏蔽外径                    41 . 0mm

工作油压  不低于                101kPa(1atm)

系统额定线电压                  220kV

系统额定相电压                   127kV

最高工作相电压                   146kV

一相接地，另一相可能出现最大电压 202kV

工频安全裕度                     1. 3

脉冲安全裕度                     1. 3

采用三层分阶，各层纸带绝缘性能如下：

解  (1)根据绝缘长期工频击穿强度确定绝缘层厚度三层分阶，各层 取相同安全裕度，根据式计算分阶半径

(2)根据绝缘脉冲击穿强度确定绝缘层厚度

①采用 FZ 型避雷器

FZ 型避雷器保护水平 Up = 2 .4 x  x 202kV = 686kV

电缆基本绝缘水平(B1L) = 1 . 3 x 686kV = 890kV

取  B1L = 950kV

如各层取相同脉冲安全系数，根据式计算绝缘层分阶半径

s1 = 4 . 1   s2 = s3 = 3 . 3

E1 = 111 x ( )2/7

E2 = 100 x ( )2/7

E3 = 90 x ( )2/7

4 . 1 x 111( )2/7 x 20 . 5 = 3 . 3 x 100( )2/7 r'2

得  r'2 = (  )7/5 x 20 . 5mm = 1 . 57 x 20 . 5mm = 32 . 2mm r'3 = ( )7/5 x 20 . 5mm = 1 . 83 x 20 . 5mm = 37 .4mm

于是脉冲击穿强度

E1 = 111 x ( )2/7 = 90 . 5MV/m

E2 = 100 x ( )2/7 = 71 . 5MV/m

E3 = 90 x ( )2/7 = 61 .7MV/m

确定绝缘层总厚度 A'i

于是

A'i1 = (32 . 2 - 20 . 5)mm = 11 .7mm

A'i2 = (37 .4 - 32 . 2)mm = 5 . 2mm

A'i3 = (38 . 6 - 37 .4)mm = 1 . 2mm

A'i  = (38 . 6 - 20 . 5)mm = 18 . 1mm

②采用磁吹避雷器

国产磁吹避雷器保护水平 Up = 1 .  Ua = 1 . 9 x  x 202kV = 545kV 电缆基本绝缘水平(B1L) = 1 . 3 Up = 1 . 3 x 545kV = 710kV

取  B1L = 750kV

如各层取相同安全裕度 m = 1 . 3，根据式计算绝缘层分阶半径及绝缘 层总厚度

rc = 20 . 5mm

r'2 = 32 . 2mm

r'3 = 37 .4mm

R' = 32 . 2exp[ (  - ln ) ] = 32 . 2 x 1 . 063mm = 34 . 2mm

因为 R' < r'3，故不用第三层绝缘

△"i1 = 32 . 2 - 20 . 5mm = 11 .7mm

△"i2 = 34 . 2 - 32 . 2mm = 2 . 0mm

△"i = 34 . 2 - 20 . 5mm = 13 .7mm

从上述计算结果可以看出：

A . 如电缆线路采用 FZ 阀型避雷器，电缆的脉冲击穿强度成为绝缘 厚度的决定因素。此时绝缘层厚度 △'i = 18 . 1mm，而工频安全裕度大于规 定值。电缆在标称工作电压(127kV)下的工作场强

127

E =                                                               = 9 . 32MV/m

B . 如电缆线路采用磁吹避雷器，线路对电缆的冲击绝缘水平要求大

大地降低了，电缆的长期工频击穿强度成为绝缘层厚度的决定因素。此 时绝缘层厚度 △i = 15 .7mm，而脉冲安全裕度大于规定值。 电缆在标称工 作电压(127kV)以下工作场强为

127

E =                                                               = 10MV/m

C . 从 A，B 可以看出，改善线路保护设备性能，可以提高电缆的工作 场强，从而减薄电缆绝缘层的厚度。