電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE電纜的研制

肖云濤，林 磊

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇 吳江215234)

0 引言

根據鐵道部“中長期鐵路網規劃(2003年 ～2020年)”，到2020年，全國鐵路營業里程達到12萬公里以上，復線率和電氣化率分別達到50%和60%以上，主要繁忙干線實現客貨分線，基本形成布局合理、結構清晰、功能完善、銜接順暢的鐵路網絡，運輸能力能滿足國民經濟和社會發展需要，主要技術裝備達到或接近國際先進水平。

鐵路提速、高速鐵路的興建、鐵路電氣化率的提高，以及鐵路信息系統寬帶數字通信網的建設，為各種鐵路用電纜和機車車輛電纜提供了廣闊市場。

采用電力機車牽引列車運行的鐵道稱為電氣化鐵道。我國的第一條電氣化鐵路是“一五”期間建成的寶成鐵路(1952～1958)，全長669 km。多年的實踐證明，電氣化鐵路充分發揮了加速運輸和提高經濟效能的作用。

2008年，席卷全球的金融危機，對中國的經濟發展造成了巨大的影響，為了保持經濟的平穩快速增長，國家實行了4萬億經濟刺激計劃。根據計劃，4萬億的投資主要流向鐵路、公路、重大基礎設施建設等，重點建設一批客運專線、煤運通道項目和西部干線鐵路，完善高速公路網，中西部干線機場和支線機場建設，加快城市電網改造等。這些項目的啟動，對電纜的需求量很大。

電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜適用于交流單相、工頻、額定電壓27.5 kV電氣化鐵道供電線、自耦變壓器供電線，以及牽引變電所、分區所、開閉所、自耦變壓器所引出的饋電線等［1］。隨著新建鐵路、舊線路電氣化改造和日常維護，鐵道用電纜的使用量也會越來越大，具有廣闊的市場前景。

1 電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的結構、工藝和性能

1.1 電纜的結構

鐵道行業標準 TB/T 2822—1997《電氣化鐵道27.5kV單相銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜》中規定本產品有兩個型號，分別為 TYJV和 TYJY，以及兩個規格1×185 mm2和1×150 mm2。兩個型號的電纜結構相同，選用的材料除塑料包帶和護套材料不同外，其它均相同。電纜的結構見圖1，其中:(1)導體采用第2種絞合圓形緊壓結構;(2)導體屏蔽-絕緣-絕緣屏蔽采用三層共擠的交聯機組一次擠出;(3)金屬屏蔽采用銅絲疏繞及銅帶反向繞包;(4)包帶采用與絕緣耐溫等級相同的聚氯乙烯(PVC)帶或聚乙烯(PE)帶;(5)擠出外護套(耐熱90℃的 PVC或PE)并涂敷石墨層。

圖1 電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜結構

(1)導體。電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜是用于電氣化鐵道牽引供電系統固定敷設的電纜，因此采用第2種絞合緊壓圓形銅導體結構。導體表面應光潔、圓整，無油污、毛刺和銳邊，無凸起或斷裂的單線及其它缺陷。為了防止在擠出過程中，導體屏蔽層因為導體最外層銅絲間的間隙過大而凹陷，導體填充系數宜為0.9以上。

(2)導體屏蔽。通常，交聯電纜導體屏蔽的制造質量是關鍵因素。導體屏蔽的主要作用是緩和電纜內部電場應力集中，消除導體絞合的影響，改善電纜內部電場的徑向分布以提高電纜的電氣強度。交聯電纜在生產過程中由于多方面因素的影響，導體屏蔽易出現凹陷、凸起等缺陷，導致內部電場分布不均勻，嚴重影響電纜的電氣性能和使用壽命。導體屏蔽通常采用擠包的半導電層。

(3)絕緣。XLPE絕緣電纜具有較高的長期工作溫度、優良的電氣性能、優異的熱穩定性和老化穩定性等。依據標準要求和生產實際，電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的絕緣采用過氧化物(DCP)XLPE，以保證電纜的電氣性能。

(4)絕緣屏蔽。絕緣屏蔽的主要作用是均化電場、吸收游離雜質、屏蔽外電場。為了保證導體屏蔽-絕緣-絕緣屏蔽的連續性和界面光滑、無氣隙，應采用Nokia-Maillefer交聯機組三層一次擠出，均勻地包覆在導體上，擠出層表面應光滑，無明顯絞線凸紋、尖角、顆粒、焦燒或擦傷的痕跡。

(5)金屬屏蔽。金屬屏蔽的主要作用是將電纜運行時產生的電磁場屏蔽在絕緣線芯內，以減少對外界產生電磁干擾，以及將系統產生的設計范圍內的故障電流安全引入接地系統，保護系統安全運行。金屬屏蔽由疏繞的軟銅線及其表面用反向繞包的銅帶所組成，這可使銅線疏繞層在電氣上連成一體。依據標準對金屬屏蔽的要求，選擇銅線的直徑與根數和銅帶規格，保證金屬屏蔽層的截面滿足標準要求以及電氣導通。

(6)包帶。包帶的主要作用是將金屬屏蔽和護套隔離，以防止兩者接觸后護套對金屬屏蔽的腐蝕，影響電纜的電氣安全性。包帶采用與絕緣耐溫等級相同的PVC或PE塑料帶。

(7)外護套。外護套按照環境溫度(TYJV型號電纜為 －15～40°C;TYJY型號電纜為 －40～40°C)分別選用 PVC或 PE護套，其性能應符合標準的要求。護套表面應有石墨導電涂層。石墨涂層可采用濕涂，也可采用干涂。

1.2 制造工藝及注意事項

根據電纜的結構，確定了電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的生產工藝流程(見圖2)。

圖2 制造工藝流程

從結構分析和工藝流程可以看到，電纜的制造工藝與常規交聯電纜相同，并無特殊之處，具體過程不再贅述，但在制造過程中，需注意以下幾點，否則，極易影響電纜的質量和性能:

(1)采用過氧化物交聯生產的絕緣線芯，會產生苯乙酮、枯基醇和α-亞甲基苯乙烯之類的揮發性交聯副產物，這些副產物在絕緣內會停留相當長的時間，并且分布是不均勻的［2］。若不放置足夠的時間待副產物揮發出去，極易導致絕緣老化后抗張強度變化率不合格(大于+25%)。根據數學模型推算［3］，并結合實際，公司規定的停放時間不小于96 h;也可以將絕緣線芯置于烘房中熱處理去除副產物，以提高效率。

(2)根據生產經驗，疏繞銅絲很容易“勒”進絕緣屏蔽層，嚴重時會損傷絕緣，導致電纜擊穿。因此，生產中可以在絕緣屏蔽層外繞包1～2層半導電帶，再疏繞屏蔽銅絲，這可以有效地保證疏繞銅絲屏蔽交聯電纜的質量。

(3)電纜采用塑料帶將金屬屏蔽層與護套層隔離，以防止護套對金屬的腐蝕。塑料帶應采用與電纜絕緣耐溫等級相同的PVC帶或PE帶。塑料帶在繞包于屏蔽層后收到線盤上，塑料帶的外層會被拉伸，內層擠壓起皺。在外護套擠包時的放線過程中，纜芯將伸直而拉伸部分不能完全復原并產生“虛凸起”。這將造成護套擠出表面不平，影響電纜的表面外觀質量。若在生產中采用雙層間隙繞包，并控制好繞包張力、角度和間隙，則可較好地解決此問題。

1.3 產品性能

我公司試制了 TYJV 1×185 mm2電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜，并委托國家電線電纜質量監督檢驗中心檢測。各項性能均符合TB/T 2822—1997標準的要求，主要的性能見表1。

表1 TYJV 27.5 kV 1×185 mm2主要性能

2 對標準的幾點建議

根據生產實踐和有關的信息，對 TB/T 2822—1997標準提出以下幾點建議，與同行商榷:

(1)擴大產品型號和規格范圍。標準規定的電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的規格僅有1×150 mm2和1×185 mm2。但我公司曾接到客戶要求提供1×300 mm2和1×400 mm2等兩種大截面規格，電纜的技術要求與 TB/T 2822—1997相同?？梢姡脩魧Ω蠼孛娴碾娎|是有需求的。

(2)減薄絕緣厚度，降低制造成本。電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的絕緣厚度為12mm，較 26/35kV交聯電纜厚 10.5 mm，增加了14.3%，但電壓等級只增大5.8%。理論上而言，絕緣厚度的增加是與電壓等級的增加呈正比關系的，因此，電壓等級的提高必然意味著絕緣厚度的增加。但是，世界各國一直都在努力提高絕緣材料性能和改進生產工藝，以提高電纜絕緣耐壓水平來減薄高壓電纜的絕緣厚度，而我國傳統上總是希望簡單地通過增加絕緣厚度來提高電纜的安全裕度和可靠性，這是不可取的。近些年來，有關學者的研究發現［4，5］，依靠增加絕緣厚度來降低絕緣材料耐受電場強度、提高電纜安全裕度及運行壽命及可靠性是不經濟、不合理的，效果也并不明顯，厚絕緣的作用似乎僅僅是延長了樹枝發展到貫穿兩電極的時間。實際有效的方法應是提高原材料性能(如提高半導電屏蔽層材料的界面光滑性)，改進生產加工工藝(如消除屏蔽層的凹陷、凸起等缺陷)，嚴格控制操作流程及生產環境，在保持電纜性能的同時減薄絕緣層厚度，降低電纜成本。當然，交聯電纜的絕緣厚度取值是一個多種因素共同作用的復雜問題，其更準確的數值還需在有關研究人員進一步地深入研究和論證及大量試驗的基礎上確定。

(3)減薄絕緣屏蔽厚度，改變絕緣屏蔽方式。如上所述，金屬屏蔽采用銅絲疏繞結構，疏繞銅絲極易“勒”進絕緣屏蔽層，嚴重時影響電纜的性能甚至導致絕緣擊穿。建議將原絕緣屏蔽的擠出厚度1.2 mm改為0.8 mm，然后再繞包厚度為0.4 mm的半導電帶，這可解決上述問題，改善電纜的質量。ABB公司等世界著名電纜制造商的銅絲疏繞屏蔽中壓交聯電纜，均采用這種工藝和結構。

(4)金屬屏蔽疏繞銅絲的根數和直徑的選擇。金屬屏蔽的主要作用是泄流電纜發生故障時的短路電流。在產品標準中規定了不同規格電纜的金屬屏蔽的標稱面積，以及銅絲根數和單絲直徑，這樣規定太“死”;另外，銅絲之間的平均間距也較小。根據1×185 mm2規格的金屬屏蔽截面積為35 mm2，如采用60根直徑為0.86 mm的銅絲計算，單絲平均間距只有1.5 mm;1×150 mm2規格的金屬屏蔽截面積為25 mm2，如采用42根直徑為0.87 mm的銅絲，平均間距也只有2.4 mm，這些與通常銅絲疏繞屏蔽結構的平均間距不大于4 mm的要求有很大的改進空間。因此，建議只需規定相應規格的金屬屏蔽截面和疏繞銅絲最少根數，以有利于各廠家根據自身的實際情況進行生產。

(5)包帶材料的選擇。標準規定的包帶材料為與絕緣耐溫等級相同的塑料帶，而在電纜行業，生產電纜大多采用無紡布、CPP帶、玻璃絲帶等材料，因此，建議增加適合電纜的運行溫度并和電纜相兼容的其他包帶材料。

(6)外護套可適當增加防鼠、防蟻等性能要求。目前，本產品大部分用于直埋、管道、電纜溝、橋架等敷設，通常這些場合適宜鼠類活動，另外在我國廣東、海南、上海等省、市有嚴重的白蟻危害電纜的情況。因此，建議選擇具有防鼠、防蟻性能的外護層，增加防鼠、防蟻型電纜產品，供有關地區用戶選擇。

除以上幾點外，標準還應增加電纜的一些使用特性，例如敷設時允許的彎曲半徑和溫度等。

3 結束語

(1)本文介紹了電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的結構設計、制造工藝和產品性能，并對產品標準提出了一些意見和建議，供參考。

(2)隨著國家電氣化鐵路的新建和舊線路的電氣化改造，電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜的使用量也會越來越大，產品具有廣闊的市場前景，有著較好的經濟效益和社會效益。

［1］TB/T 2822—1997 電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯交聯聚乙烯絕緣電纜［S］.

［2］王國忠.交聯副產物對交聯聚乙烯絕緣熱老化性能影響的探討［J］.電線電纜，2006(4):10-12.

［3］毛愛民，胥玉民，張 進，等，超高壓交聯電纜絕緣脫氣時間的研究［C］//中國電工技術學會電線電纜專委會2009年年會論文集.佳木斯.

［4］鄭曉泉.降低高壓聚烯烴電纜絕緣厚度的必要性辨析［J］.電線電纜，2004(1):21-23.

［5］劉 英，王 樂，王 磊，等.從缺陷影響看高壓 XLPE電纜絕緣減薄的必要性［J］.高電壓技術，2006(7):29-32.