成型线芯是把绞合后的绞线通过半圆形、扇形、瓦形孔形的紧压轮紧压而成,成型线芯表面曲率半径不均等,在线芯的边角处曲率半径较小,该处电场比较集中。因此,成型线芯很少用于中高压电力电缆,但在低压电力电缆中应用广泛,因与圆形线芯相比,成型线芯的成缆直径较小,绝缘线芯之间紧密程度增加,可减少绝缘、填充及护层材料用量,降低生产成本。在实际应用中,导体截面积为50 mm2及以上的低压电力电缆,两芯采用半圆形结构,三芯、四芯采用扇形结构,五芯多采用瓦形结构。
1)扇形线芯
扇形线芯不是理想的对称形状,在弯曲情况下,单线容易隆起,破坏线芯的结构和外形,因此,扇形线芯的结构设计极其重要,必须满足以下两个规则:
①中央导线规则。扇形芯的中央导线必须位于扇形芯的中心线上,否则,当线芯弯曲时,位于中心线上部的导线将被拉伸,而下部的将压缩而可能凸出,这将引起扇形破坏而损伤绝缘。
②移滑规则。扇形芯中心线上导线的直径一般较大,处在其两侧的导线应能沿中心线上导线滑动而不改变扇形芯外形,这一规则称为移滑规则,如图2所示。如不遵守这一规则,当扇形芯绞合成缆时,扇形可能被破坏而损伤绝缘。
目前,满足上述要求并应用于实际生产的扇形线芯有两种结构形式。第一种结构形式应用较早,其为了成型需要,有些扇形线芯中心有平行单线,中心层外的绞层如采用相同直径的单线,其相邻层相差6根,如用不同直径的单线,绞层所需单线根数可根据节圆周长计算。常用的结构有以下三种:
① 18根【6(平行)+12(绞合)】,如图3所示,常用于25~70 mm2;
② 24根【7(绞合)+2(平行)+15(绞合)】,如图4所示,常用于95~120 mm2;
③ 45根【7(绞合)+2(平行)+15(绞合)+21(绞合)】,如图5所示,常用于150~300 mm2。
这种结构形式的扇形线芯单线根数多,线径细,生产效率低,材料消耗大。为改进上述缺点,应运而生了第二种结构形式并广泛应用于实际生产中。第二种结构形式的扇形线芯采用正规绞合结构,然后通过扇形模紧压而成。常用的结构有以下三种:
① 7根【1+6(绞合)】,常用于25~50 mm2;
② 19根【1+6(绞合)+12(绞合)】,常用于70~150 mm2;
③ 36根【6(平行)+12(绞合)+18(绞合)】,常用于185~300 mm2。
2)半圆形线芯
半圆形线芯结构必须满足下列两个要求,第一:中心层中心线上的单线应同样排列在半圆形线的中心上,否则,在线芯弯曲时,这些单线会受拉伸或压缩,造成单线隆起,从而改变半圆形结构和外形;第二:滑移要求,即半圆形外周的单线应能在中心层上滑移,中心层中侧两边两根单线也能滑动,因为挤包绝缘后的半圆形线芯在成缆时没有退扭,外周各单线力求环绕半圆形中心有所滑动,否则,同样会产生单线隆起,破坏半圆形的外形。
两芯低压电力电缆采用半圆形绞合线芯,结构与扇形线芯类似,常用的结构有以下三种:
① 20根【7(平行)+13(绞合)】,如图6所示,常用于25~70 mm2;
② 24根【7(绞合)+2(平行)+15(绞合)】,如图7所示,常用于95~120 mm2;
③ 45根【7(绞合)+2(平行)+15(绞合)+21(绞合)】,如图8所示,常用于150~240 mm2。
3)瓦形线芯
低压配电网中,按接地型式可分TN-C(三相四线制)、TN-S(三相五线制)两种系统,由于历史原因,我国广泛使用TN-C系统。上世纪90年代起,我国低压配电网逐步与国际接轨,一些建筑工程的配电网络要求采用TN-S系统;90年代中期,相继出台了GB 50054《低压配电设计规范》,GB 50096《住宅设计规范》等一系列设计规范,TN-S系统使用范围逐步扩大成为今后采用的供电方式。TN-S系统要求中性线N与保护线PE分开,中性线通过不平衡电流和谐波电流,保护线与负载的金属外壳或构架进行安全接地。
于是,电缆生产企业根据电力部门的设计规范要求设计开发五芯电缆。当时曾考虑电缆第五芯按同心式结构设计,采用单线疏绕结构(如图9中的(a)),这种结构电缆具有外径小、节省护套材料,而且第五芯又可有电磁屏蔽作用的优点。但此种结构面临两方面的困难,一是受生产设备的限制,大截面电缆疏绕的单线根数较多时,绞线设备无法满足,因为电缆截面较大时不能通过设备中心模孔;二是单线间距较大时,构成第五芯的疏绕单线容易滑移,造成结构不稳定。而直接将第五芯绞入电缆比较容易,第五芯绞入电缆的方式有五芯等截面、四大一小(4+1)、三大二小(3+2)之分。
a)同心结构的五芯电缆;b)三大二小(3+2)瓦形线芯;
c)四大一小(4+1)和五芯等截面瓦形线芯
采用瓦形线芯的五芯电缆有以下优点:①结构稳定;②几何尺寸最小,可节约原材料;③可采用三芯或四芯低压电缆的接续材料和工艺进行安装敷设。
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