不同金屬屏蔽形式高壓電力電纜的機械性能分析

于洪淼， 張洪亮， 閆志雨， 嚴 彥

（中天科技海纜股份有限公司，南通226010）

0 引 言

21 世紀以來，隨著世界能源需求的不斷增大，各國對電力資源開發也開始加速，電纜產量也隨之逐年增加。 作為電纜領域的主力軍，高壓電力電纜由于具有大容量、高可靠性、免維護等優點，越來越多地應用于遠距離、大跨度的輸電線路中。 高壓電力電纜在電網的改造升級中正逐漸取代中低壓電力電纜，以滿足國民經濟對電力大規模及輕盈輸送的要求［1］。

高壓電力電纜結構一般由導體、交聯聚乙烯（XLPE）絕緣三層共擠、半導電阻水層、金屬屏蔽層和外護套組成。 其中，金屬屏蔽作為電纜結構的重要組成部分，是一種改善電場分布的措施，金屬屏蔽的作用［2］主要有以下5 個方面：①作為電纜的徑向防水層，可避免XLPE 絕緣本體接觸外界水分而產生水樹；②電纜正常通電時導通電容電流，短路故障時導通短路電流，增強絕緣屏蔽能力，承受較大的零序短路電流；③將電纜通電時引起的電磁場屏蔽在絕緣線芯內，以減少對外界產生的電磁干擾，金屬屏蔽層也起到限制外界電磁場對電纜內部的影響；④可抵抗外力，具有機械保護的作用，避免在施工中因拖曳彎曲、擠壓而造成電纜機械損傷［3］；⑤均化電場，防止軸向放電。 由于半導電層具有一定的電阻，當金屬屏蔽層接地不良時，在電纜軸向由于電位分布不均勻而造成電纜沿面放電。

金屬屏蔽的種類很多，高壓電力電纜金屬屏蔽按原材料不同可分為皺紋鋁套、鉛套、皺紋銅套以及皺紋不銹鋼套等，按生產工藝的不同可分為縱包焊接金屬套、擠包金屬套和綜合護套。 縱包焊接金屬套包括縱包焊接皺紋鋁套、縱包焊接皺紋銅套和縱包焊接皺紋不銹鋼套；擠包金屬套包括擠包皺紋鋁套和擠包鉛套；綜合護套是指鋁塑復合帶縱包與聚乙烯黏結結構［4］。

銅套和不銹鋼套在國內很少應用，國際上只有美國、日本等少數國家具有一定的生產規模和較成熟的生產經驗。

在我國皺紋鋁套應用得最多。 鉛套由于柔軟、易彎曲、耐腐蝕、密度大，更適合于海底電纜，但鉛的資源稀少且有毒，不利于環保；而皺紋鋁套由于密度小，因此電纜質量輕，導電性能優良，允許通過短路電流大，一般無須設置銅絲屏蔽以增加短路容量［5］，其散熱性好、具有足夠的機械強度。 近年來，在城市地下電網系統中應用較多。 皺紋鋁套原材料為鋁材，因鋁元素比較活潑，容易出現電化學腐蝕，鋁在空氣中易被氧化，表面生成Al2O3薄膜，其熔點在2 000 ℃以上，焊接較為困難。

在國外一般使用鋁塑復合帶縱包與聚乙烯黏結護層作為高壓、超高壓交聯電纜的徑向防水層［6］。這種類型的電纜結構緊密，外徑尺寸小，敷設占用空間小，尤其適合隧道和管道敷設，其生產工藝簡單，電纜線芯柔軟，采用鋁塑復合帶代替皺紋鋁護套作為電纜的徑向阻水層時，一般無須在徑向防水層下面設置縱向防水結構，廣泛應用在國外大型水電站及重點輸電工程中［7］。

國外普遍采用銅絲屏蔽+縱包鋁塑復合帶形式，國內普遍采用皺紋鋁套形式。 國內文獻對這兩種金屬屏蔽電纜的機械性能對比鮮有報道，同時電纜的國家標準中暫時沒有對機械沖擊試驗和側壓力試驗方法和要求的介紹，本工作著重對不同金屬屏蔽形式高壓電力電纜的機械性能進行對比分析，為今后不同金屬屏蔽形式的高壓電力電纜的選型和應用提供技術依據。

1 兩種金屬屏蔽形式電纜的基本對比

圖1 和圖2 為同規格的銅絲屏蔽電纜與皺紋鋁套電纜的結構示意圖，表1 列出了兩種結構電纜的對比情況。

圖1 ±525 kV 銅絲屏蔽結構直流電纜示意圖

圖2 ±525 kV 皺紋鋁套結構直流電纜示意圖

表1 兩種金屬屏蔽結構525 kV 電纜的結果比對

由表1 結果可知：相同規格的高壓電力電纜，銅絲屏蔽型電纜的單位質量與皺紋鋁套相近，但是外徑減小明顯，有利于在相同包裝條件下提高電纜的單根交付長度，對于遠距離工程來說可大幅度減少中間接頭的使用數量［8］，既節約成本，也提高運行安全可靠性。 同時，銅絲屏蔽型電纜外徑減小，可承受更小的彎曲半徑，施工時更加方便，并且銅絲屏蔽較皺紋鋁套柔性更佳。 此外，銅絲屏蔽型電纜可以將光纖單元輕易植入于銅絲之間［9］，實現光電一體化功能設計，而皺紋鋁套電纜中沒有合適的光纖單元放置位置，并且若放置光纖單元，則在鋁套成型或者電纜彎曲過程中容易造成光纖單元的受力甚至損壞。

2 機械沖擊試驗

機械沖擊試驗是模擬物體意外掉落到電纜表面上，通過目視和測量檢查電纜表面及其內部各層結構的機械損傷程度。 本試驗中的機械沖擊是模擬電纜在生產、運輸、裝卸或現場敷設過程中電纜受到的暫態或穩態沖擊。

由于目前電纜的國家標準中沒有對電力電纜機械沖擊的試驗方法做相關規定，因此，試驗采用的設備及試驗方案為自行開發設計。

2.1 試驗的環境條件

試驗的環境條件如下：環境溫度10 ～35 ℃；相對濕度不大于80%；周圍無腐蝕性介質；附近無影響試驗結果的振源和較強的電磁場干擾。

2.2 試驗設備

機械沖擊試驗設備的示意圖見圖3。

圖3 機械沖擊試驗設備的示意圖

2.3 機械沖擊試驗要求

機械沖擊試驗是通過選取合適質量的重錘從一定的高度落到電纜表面來進行試驗。 重錘前端的形狀反映預期沖擊的目的，重錘A 下落過程模擬質量大且尖銳的物品從較低位置自由落體落在電纜表面的情況，重錘B 下落過程模擬質量小且尖銳的物品從較高位置自由落體砸在電纜表面的情況。 重錘下落方式均為自由落體，電纜下方接觸面材料為鋼板。

機械沖擊試驗要求見表2。

表2 機械沖擊試驗要求

為數字化衡量每次機械沖擊對電纜的影響程度，本工作采用沖擊能量來表示機械沖擊對電纜的影響程度。 試驗中的沖擊能量可以根據重錘下落的高度及其質量來進行計算，如式（1）所示：

式中：E為沖擊能量（J／次）；m為重錘質量（kg）；g為萬有引力常數（9.8 N／kg）；Δh為下落高度（m）。

經計算，重錘A 和重錘B 的沖擊能量分別為71.4，49.0 J／次。

2.4 機械沖擊試驗步驟

取各層結構均完好的高壓電力電纜樣品1 m，首先取重錘A 沿皺紋鋁套焊縫（鋁塑復合帶搭接處）的垂直方向對電纜外表面某一點完成連續4 次0.27 m 的下落沖擊，按照此方式在同一側共完成3 個點的沖擊試驗；隨后在皺紋鋁套焊縫（鋁塑復合帶搭接處）的軸向對稱位置取3 個點完成同樣的試驗過程。

完成重錘A 的沖擊試驗后，取同一根高壓電力電纜樣品1 m，取重錘B 沿皺紋鋁套焊縫（鋁塑復合帶搭接處）的垂直方向對電纜外表面某一點完成連續1 次1.0 m 的下落沖擊，按照此方式在同一側共完成5 個點的沖擊試驗；隨后在皺紋鋁套焊縫（鋁塑復合帶搭接處）的軸向對稱位置取5 個點完成同樣的試驗過程。

試驗完成后檢查電纜各層結構受損情況，記錄各層變形尺寸及相鄰位置電纜原結構尺寸，精確至0.1 mm，檢查位置的示意圖見圖4。

圖4 檢查位置的示意圖

2.5 兩種金屬屏蔽試驗數據的對比

27 kg 重錘試驗電纜各層形變數據見表3。

表3 27 kg 重錘試驗電纜形變數據 （單位：mm）

5 kg 重錘試驗電纜各層形變數據見表4。

表4 5 kg 重錘試驗電纜形變數據

27 kg 重錘試驗后兩種形式金屬屏蔽電纜的絕緣屏蔽表面情況見圖5 和圖6。

圖5 27 kg 重錘試驗后皺紋鋁套形式金屬屏蔽電纜表面

圖6 27 kg 重錘試驗后銅絲屏蔽形式金屬屏蔽電纜表面

5 kg 重錘試驗后兩種形式金屬屏蔽電纜的絕緣屏蔽表面情況見圖7 和圖8。

圖7 5 kg 重錘試驗后皺紋鋁套形式金屬屏蔽電纜表面

圖8 5 kg 重錘試驗后銅絲屏蔽形式金屬屏蔽電纜表面

2.6 機械沖擊對電纜的影響

護套凹陷會導致電纜在該處機械強度降低，使得該處成為電纜護套的隱患點，容易劣化甚至暴露出金屬屏蔽，危害設備和人身安全，同時空氣中的水分會侵入緩沖阻水帶造成阻水材料變質和電阻率的降低，導致該處電容電流增大，長時間會導致該處溫度升高，嚴重時會引起電纜燃燒。 由于高壓電力電纜一般采用絕緣型護套，在投入電氣運行后，護套凹陷處會長期承受感應電壓，因該處護套受損，此處更容易引起護套被擊穿［10］。

金屬屏蔽凹陷對電纜運行的影響較大，凹陷引起金屬屏蔽和絕緣線芯之間距離減少，金屬屏蔽和緩沖阻水帶之間的電阻減小，流過的電流增大，長時間會導致該處的金屬屏蔽溫度升高，嚴重時會引起電纜燃燒。

緩沖阻水帶［11］具有導通絕緣內的充電電流和泄漏電流的作用，電流通過內層的半導電絕緣屏蔽層流到金屬屏蔽層上。 同時可弱化電場分布，有效緩沖電纜絕緣與金屬護層之間的相互作用，減小絕緣受熱膨脹而帶來的絕緣變形與損傷。 同時由于阻水帶中含有吸水膨脹顆粒材料，兼具軸向阻水的作用。 阻水帶破損會導致該處阻水性能下降，場強分布不均勻，產生局部放電，嚴重時導致絕緣被擊穿。

2.7 機械沖擊試驗結論

通過試驗結果對比及機械沖擊對電纜的影響可知，在試驗條件下，相同規格的高壓電力電纜，銅絲屏蔽形式的高壓電力電纜經受機械沖擊后各結構層的形變均較小。

3 側壓力試驗

側壓力試驗是檢驗電纜在生產和施工過程中是否能承受預期的破壞載荷。 在生產和施工過程中，牽引機等設備施加的側壓力偏大，電纜呈現多層層疊放置或者電纜經過外徑較小的轉向導輪等情況，均可能造成電纜由于徑向負載過大而引起變形［12］。一旦電纜發生變形，有可能造成內部交聯線芯表面出現凹陷，引起絕緣內電場分布不均勻，局部電場過大，最終導致電纜的電氣性能下降甚至是絕緣被擊穿［13］。

側壓力試驗采用壓扁試驗機，電纜樣品長度為0.5 m，將皺紋鋁套電纜樣品沿鋁套焊縫豎直方向、銅絲屏蔽電纜樣品沿鋁塑復合帶搭接豎直方向放入試驗機，在長、寬分別為100，80 mm 壓板的作用下，壓板以100 N／s 的下降速率對樣品分別施加0.16，0.32，0.92，0.98 kN 的壓力，保持 60 min［14］，分別記錄施加側壓力前后樣品的外徑變化，通過解剖來目視檢查各結構層變化情況，并注意電纜線芯表面是否出現有害壓痕。 如果試樣結構中包含光纖，繼續檢查光纖的完整性。

壓扁試驗機的示意圖見圖9。

圖9 壓扁試驗機的示意圖

3.1 載荷的選取

目前，高壓陸地電纜從產品生產、包裝、安裝、敷設一般均采用電纜盤具來完成的，若電纜要求大長度連續無接頭，則需要利用收線轉盤完成。

3.1.1 堆疊過程

給定盤具的承裝長度在 JB／T 8137.1—2013《電線電纜交貨盤第一部分：一般規定》中有明確的計算方法［15］，如式（2）所示：

式中：L′為裝盤長度（m）；p為卷繞層數；n為每層卷繞圈數；D為電纜外徑（mm）；d1為側板直徑（mm）；d2為筒體直徑（mm）；l2為盤具內寬（mm）；t為裝盤余量。

JB／T 8137.3—2013《電線電纜交貨盤 第三部分：全鋼瓦結構交貨盤》或 JB／T 8137.4—2013《電線電纜交貨盤第四部分：塑鋼復合結構交貨盤》中推薦的常規高壓電纜盤具尺寸均較小，本工作參照青龍山輸變電工程220 kV 秋藤至高旺線路工程專用盤具，即國內第一根大長度220 kV 電纜專用收線盤具［16］，盤具設計尺寸為 4 150 mm×2 600 mm×7 500 mm，經計算可承載電纜層數為4 層。

盤具最內層電纜承受最大壓力按照3 層電纜的重力計算，銅絲屏蔽型電纜和皺紋鋁套電纜所受最大側壓力經計算分別為1.5 kN／m 和1.6 kN／m。根據壓扁機壓板尺寸，模擬電纜收線至盤具的試驗側壓力取0.16 kN。

以6.8 m 收線轉盤為例，內徑、外徑、高度分別為 3.5，6.5，3.0 m。 經計算，試驗中±525 kV 電纜卷繞層數為8 層，轉盤最底層電纜承受最大壓力按照7 層電纜的重力計算，銅絲屏蔽型電纜和皺紋鋁套電纜所受最大側壓力經計算為3.2 kN／m。 根據壓扁試驗機的壓板尺寸，試驗選擇側壓力為0.32 kN。

3.1.2 牽引機下

以南京藝工電工設備有限公司的40 t 履帶牽引機為例，電纜勻速生產時，每個壓緊氣缸壓強為0.4～0.6 MPa，1 m 履帶平均分布 5 對壓緊氣缸，壓緊氣缸的直徑為90 mm，壓力與壓強的計算公式如下：

式中：P為每個壓緊氣缸的進氣壓強（MPa）；S為壓緊氣缸的面積（mm2）；d為壓緊氣缸直徑（mm）。

經計算，電纜在牽引機下所受最大側壓力為18.6 kN／m。 根據壓扁試驗機的壓板尺寸，該條件下試驗側壓力為1.86 kN。

3.1.3 電纜施工時經過轉向導輪

電纜施工時，在導體處安裝牽引頭，牽引機通過牽引繩連接導體牽引頭進行電纜施工，施工過程中電纜所受側壓力如式（7）所示：

式中：P為電纜所受的側壓力［17］（N／m）；T為牽引力（N）；R為電纜的彎曲半徑（m）；Sc為導體的標稱截面面積（mm2）。

電纜經過導輪時的彎曲半徑按照電纜運行時允許彎曲半徑15D，取最小值2.3 m，通過計算可得電纜最大側壓力為91.3 kN／m。 根據壓扁試驗機的壓板尺寸，該條件下試驗側壓力為0.92 kN。

綜上所述，試驗載荷分別選取 0.16，0.32，0.92，1.86 kN。

3.2 兩種金屬屏蔽試驗數據的對比

在1.86 kN 側壓力下，保持60 min，兩種電纜均無形變，銅絲屏蔽形式的電纜內置光纖單元，光纖衰減正常，基本無變化。

逐漸增加側壓力，當側壓力升至10 kN 時，電纜開始出現形變，保持60 min，護套、金屬屏蔽、絕緣屏蔽等各層形變數據見表5。

表5 10 kN 側壓力下各層形變數據 （單位：mm）

銅絲屏蔽形式的電纜各層基本無形變，內置光纖單元在10 kN 側壓力下光纖衰減基本無變化。 皺紋鋁套屏蔽形式的電纜存在明顯形變，受力方向外徑減小5.5 mm，垂直受力方向外徑增加7.5 mm。

綜上所述，通過試驗結果對比及對電纜的影響可知，在此試驗條件下，相同規格的高壓電力電纜，銅絲屏蔽形式經受側壓力后各結構層的形變較小。

4 結束語

（1）采用銅絲屏蔽+鋁塑復合帶的金屬屏蔽形式的電纜相比傳統的皺紋鋁套形式電纜，各結構層形變更小，內部線芯受到的影響可能更小，后續還需要通過試驗繼續驗證。

（2）綜合考慮兩種機械試驗結果，就承受機械沖擊和側壓力的能力而言，建議選用銅絲屏蔽+鋁塑復合帶的金屬屏蔽形式的電纜，且該結構電纜更容易復合光纖。