35 kV電纜導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)性能研究

程 沖

（福州地鐵集團(tuán)有限公司，福建 福州 350009）

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)的110 kV高壓電通過110 kV電力電纜接入地鐵專用變電站，由地鐵110/35 kV主變壓器降壓至35 kV后，再通過主變電站35 kV母線實(shí)現(xiàn)向各個(gè)車站的穩(wěn)定供電，且這種供電系統(tǒng)的供電主要網(wǎng)絡(luò)通過35 kv的交流電纜來實(shí)現(xiàn)車站沿線區(qū)域的供電效果。但供電過程中主干環(huán)網(wǎng)的電纜可靠性會影響到城市軌道交通供電系統(tǒng)整體上的穩(wěn)定性，同時(shí)也會影響到整個(gè)軌道交通線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。隨著電纜制造行業(yè)的發(fā)展，目前市面上的35 kV電纜規(guī)逐漸向300 mm2、400 mm2、500 mm2、630 mm2的大截面發(fā)展。電纜規(guī)格越大，用銅量也越多，隨著近幾年銅材價(jià)格的不斷攀升，造成軌道交通行業(yè)供電系統(tǒng)建設(shè)過程中，電纜造價(jià)占比大幅攀升。目前國內(nèi)主流電纜生產(chǎn)廠家電纜產(chǎn)品材料成本均占比較高，材料成本中的銅導(dǎo)體更是占70%以上。為此，很多企業(yè)在電纜導(dǎo)體上通過多種工藝改進(jìn)和創(chuàng)新，在滿足GB/T 3956-2008《電纜的導(dǎo)體》標(biāo)準(zhǔn)的前提下調(diào)整導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，例如改變了傳統(tǒng)的圓形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，通過差異化導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，促使導(dǎo)體在運(yùn)行過程中取得預(yù)期的應(yīng)用效果。具體來說，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)按照不同的形狀狀態(tài)，可進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，但需要強(qiáng)調(diào)的是，應(yīng)用過程中低壓電纜和高壓直流電纜，架空線路是導(dǎo)體結(jié)構(gòu)架設(shè)的主要區(qū)域。應(yīng)用在35 kV地鐵電纜上并不多見。文章通過對比現(xiàn)有35 kV電纜圓形壓緊、異性壓緊結(jié)構(gòu)，分析結(jié)構(gòu)優(yōu)劣以及異形結(jié)構(gòu)電纜在運(yùn)行情況方面進(jìn)行分析闡述。

1 圓形35 kV電纜優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 圓形緊壓導(dǎo)體的基本情況

電纜導(dǎo)體的作用及重要性：電纜導(dǎo)體主要承擔(dān)電流傳送的工作任務(wù)，當(dāng)導(dǎo)體中有電流通過時(shí)，會產(chǎn)生一定的電流損耗，導(dǎo)體的溫度也會因此而有所上升，溫度上升會伴隨電阻的增大狀態(tài)。這時(shí)，導(dǎo)體的絕緣性能就會受到一定程度的影響，若導(dǎo)體溫度與絕緣材料的工作溫度承受范圍出現(xiàn)矛盾沖突，絕緣材料就會受到損傷，出現(xiàn)老化或功能發(fā)揮異常的現(xiàn)象。具體表現(xiàn)在外部形態(tài)上主要是絕緣層出現(xiàn)軟化變形的情況。若不及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，則會直接影響到相應(yīng)的電纜在運(yùn)行應(yīng)用過程中的安全性，且電纜內(nèi)部還有可能出現(xiàn)擊穿事故，最終導(dǎo)致導(dǎo)體的整體狀態(tài)和運(yùn)行功能受到影響。

非緊壓圓形導(dǎo)體柔軟特性：主要是指在電纜的實(shí)踐應(yīng)用中，為了提升其自身的柔軟程度和彎曲承受力，會通過電纜導(dǎo)體線芯的制作環(huán)節(jié)達(dá)到預(yù)期的要求。通常情況下，會通過多根小直徑單線進(jìn)行絞合的方式構(gòu)建電纜內(nèi)部的主體結(jié)構(gòu)，單線的線芯具有柔軟性能好且可彎曲的程度較大的優(yōu)勢。在具體的制作過程中，可通過合理的單線數(shù)量選擇和制作工藝的應(yīng)用，確保整體的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)柔軟性。

圓形緊壓導(dǎo)體工藝特性：這主要強(qiáng)調(diào)的是導(dǎo)體在圓形井壓的結(jié)構(gòu)中是基于非緊壓圓形導(dǎo)體，通過單根導(dǎo)體正規(guī)絞合的方式形成具體的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體與導(dǎo)體層之間的緊壓密實(shí)度也處在較高的水平層次上。單絲結(jié)構(gòu)主要在導(dǎo)體層之間發(fā)揮作用。在具體的導(dǎo)體作用發(fā)揮時(shí)，導(dǎo)體總根數(shù)會影響絞合方式，同時(shí)絞合緊壓的方式也需要對減壓系數(shù)進(jìn)行合理控制。通常情況下，若單次的導(dǎo)體根數(shù)小于19根時(shí)，采用同向絞合的方式進(jìn)行緊固，而若整體的單絲總根數(shù)大于19根，則需要在最外層實(shí)現(xiàn)反向絞合，內(nèi)層則應(yīng)用同向攪合方式，這種構(gòu)建方式具有穩(wěn)定性強(qiáng)、加工操作便捷性高的特征。需要強(qiáng)調(diào)的是，在絞合操作的過程中，導(dǎo)體在經(jīng)過圓形擠壓輪的過程會形成緊壓模具，以此來完成導(dǎo)體單絲的擠壓操作。另外，還需要對絞合導(dǎo)體之間的間隙進(jìn)行合理控制。以此來減小導(dǎo)體絞合過程中的外徑區(qū)域面積，最終促使電纜的絕緣效果和護(hù)套材料的用量得到優(yōu)化控制。通常情況下，緊壓圓形導(dǎo)體的適用范圍主要集中在低壓高壓電力電纜的架空絕緣設(shè)置中。

1.2 圓形緊壓導(dǎo)體存在的單絲間隙問題

雖然導(dǎo)體結(jié)構(gòu)經(jīng)過了減壓模型的擠壓過程，但緊壓系數(shù)也只達(dá)到90%的水平。這時(shí)，導(dǎo)體的單絲之間仍然存在間隙或縫隙的問題。導(dǎo)體在應(yīng)用過程中若屬于規(guī)格范圍較大的狀態(tài)，則單絲在完成絞合和擠壓操作后，外表面的單絲會出現(xiàn)一定的凹槽問題。另外，若采用的方式為交聯(lián)三層共擠，則導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)，會出現(xiàn)嵌入凹槽部分的情況，內(nèi)屏蔽的厚度會因此受到影響。且這種缺陷由于更加具有細(xì)節(jié)性。因此，不易在初步出廠設(shè)置和檢驗(yàn)環(huán)節(jié)及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，但從實(shí)際的影響來說，內(nèi)屏蔽的厚度不均勻會影響電纜的運(yùn)行安全性，導(dǎo)致?lián)舸﹩栴}的發(fā)生率有所提高。所以，GB/T12706.3-2020中規(guī)定500 mm2及以上電纜導(dǎo)體表面應(yīng)有半導(dǎo)電帶和擠出半導(dǎo)電層復(fù)合組成。

2 異形導(dǎo)體35 kV電纜優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 異形導(dǎo)體的基本情況

針對圓形緊壓導(dǎo)體外表面單絲與單絲之間還有細(xì)小凹槽的問題，可以用提高導(dǎo)體緊壓系數(shù)解決；但緊壓系數(shù)過高，導(dǎo)體絞合后相對硬度增加，直流電阻反而變大。所以，過分提高導(dǎo)體緊壓系數(shù)，不是最好的工藝方法。

異形緊壓導(dǎo)體絞合工藝，該導(dǎo)體具有以下特點(diǎn)：①表面更光滑，能夠促使電場水平更加均勻穩(wěn)定，另外絕緣體的內(nèi)外屏蔽層在結(jié)合緊密度上也更高，能夠避免尖端放電現(xiàn)象的出現(xiàn)；②經(jīng)過絞合處理后，導(dǎo)體的外徑會有所縮小，從絕緣材料和護(hù)套材料應(yīng)用的角度上來說，這有利于減少相關(guān)材料的應(yīng)用量；③經(jīng)過絞合處理后，單絲之間產(chǎn)生的縫隙相對較小部分情況下還可完全避免縫隙，這對于提高導(dǎo)體的阻水性能具有非常顯著的促進(jìn)作用。因此，異形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的中壓電纜不僅能夠發(fā)揮出電氣系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)性能，也能夠通過電纜外徑的控制，縮小整體的生產(chǎn)成本。

異形緊壓導(dǎo)體絞合工藝要求很高，主要有：①異形線的導(dǎo)體設(shè)計(jì)需針對單層的單絲排布和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的控制和設(shè)計(jì)。并且要求單絲結(jié)構(gòu)的分布呈現(xiàn)狀態(tài)保持穩(wěn)定。在生產(chǎn)的過程中也要注重單絲獨(dú)立系統(tǒng)的形狀和絞合角度的選擇，絞合效果要達(dá)到緊密貼合的程度。另外，單絲翻身的問題也是需要杜絕的關(guān)鍵性問題。②導(dǎo)體絞合狀態(tài)的緊密度，以及減壓系數(shù)會上升到96%，另外單絲接觸面也能夠保證平整光滑，不出現(xiàn)凹槽問題。③導(dǎo)體穩(wěn)定性相對更高，可適應(yīng)于不同形狀截面的異形導(dǎo)體應(yīng)用。

生產(chǎn)異形線絞合導(dǎo)體有兩種方式：首先是通過擠壓成型的方式形成異型線條結(jié)構(gòu)，隨后通過絞合操作進(jìn)行導(dǎo)體制作。其次是應(yīng)用原單線通過擠壓成型的方式達(dá)到導(dǎo)體構(gòu)件的目標(biāo)。在前一種方法應(yīng)用的背景下，擠壓成型的同時(shí)需進(jìn)行退火操作，導(dǎo)體的截面減縮率也會因此而增大。另外，退火后導(dǎo)體內(nèi)部單線的內(nèi)部應(yīng)力會相對更大。尤其是在導(dǎo)體規(guī)格較大的狀態(tài)下，高壓生產(chǎn)線的放線操作容易出現(xiàn)松散的問題。而后一種方式在實(shí)際應(yīng)用的過程中會出現(xiàn)成型狀態(tài)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足的現(xiàn)象。另外，若束絞工藝的整體范圍和導(dǎo)體規(guī)格處在相對更大的狀態(tài)下，則也容易出現(xiàn)絞合效果松散的問題。

基于此，應(yīng)當(dāng)首先完成拉絲異形單線的拉動(dòng)，隨后再進(jìn)行絞合導(dǎo)體的處理。這也是為了解決現(xiàn)有工藝應(yīng)用中的實(shí)際問題。從應(yīng)用優(yōu)勢上來講，該導(dǎo)體成本低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易出現(xiàn)生產(chǎn)工藝質(zhì)量問題。

2.2 異形緊壓絞合制作工藝

制作順序的控制對于制作效果會產(chǎn)生非常直接的影響，在異形減壓絞合制作工藝的推進(jìn)過程中，需結(jié)合實(shí)際控制工藝推進(jìn)流程，并且采取針對性的措施，對減壓絞合制作工藝的效果進(jìn)行優(yōu)化控制，具體來說這個(gè)工藝包括以下幾方面基本流程。

銅桿→異形銅單絲拉絲→異形導(dǎo)體絞合→三層共擠交聯(lián)→銅帶（銅絲）屏蔽→擠包內(nèi)護(hù)套→金屬裝鎧→擠外護(hù)套→測試→入庫。

以WDZC-YJY63 26/35 1×400、導(dǎo)體規(guī)格為銅芯400 mm2為例。異形導(dǎo)體單絲尺寸改變了國內(nèi)常規(guī)圓形緊壓導(dǎo)體單線及絞合工藝，在滿足國標(biāo)GB/T 3956-2008第2種絞合導(dǎo)體最小根數(shù)和電阻標(biāo)準(zhǔn)的前提下改成異形單絲絞合結(jié)構(gòu)，此生產(chǎn)工藝流程不變，變的是拉絲拉制的不是圓銅線，而是根據(jù)不同規(guī)格經(jīng)合理的異形（T形或瓦形）線，絞制時(shí)通過獨(dú)特的工藝，將異形單絲預(yù)先扭轉(zhuǎn)的角度及異形整形模具絞合成形。

以銅芯400 mm2的單絲尺寸為例：異形緊壓絞合導(dǎo)體中心位置單根圓形，單絲直徑∮2.86，內(nèi)層T形單絲2.86（50T），鄰內(nèi)層T形單絲2.86（120T），鄰?fù)鈱覶形單絲2.86（240T）， 外層T形單絲2.86（400T）。絞合根數(shù)為54根。絞合導(dǎo)體最外層絞向?yàn)樽笙颍噜弻咏g向相反，絞合導(dǎo)體外徑為22.2±0.2 mm。絞合后導(dǎo)體實(shí)測截面371.3 mm2，導(dǎo)體緊壓系數(shù)為96%～97%，最后實(shí)測20 ℃導(dǎo)體直流電阻 0.0468 Ω/km，實(shí)測數(shù)據(jù)均符合GB/T 3956-2008標(biāo)準(zhǔn)要求。（注：T為內(nèi)部標(biāo)注的異形單絲的不同尺寸）

3 兩種導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對比

3.1 圓形、異性導(dǎo)體技術(shù)參數(shù)對比

以630 mm2和400 mm2兩種緊壓圓形和緊壓異形導(dǎo)體規(guī)格為例，列出新舊工藝參數(shù)對比表1，從表中可以看出異形導(dǎo)體的材料節(jié)省比例。

表1 試制規(guī)格的工藝參數(shù)對比

3.2 異形導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

①根據(jù)圓形、異形壓緊工藝對比，異形導(dǎo)體緊壓系數(shù)達(dá)96%以上，相同規(guī)格導(dǎo)體外徑變小，成品電纜外徑平均小5%以上；②異形導(dǎo)體外表光滑無毛刺，單線間縫隙小，電纜局部的放電量相對較小，這能夠促使電纜產(chǎn)品的質(zhì)量得到穩(wěn)定性的保障，產(chǎn)品應(yīng)用的狀態(tài)也會更加穩(wěn)定，從宏觀上來講，這會優(yōu)化產(chǎn)品的合格率，對質(zhì)量問題進(jìn)行有效地杜絕；③若導(dǎo)體的規(guī)格相同且穩(wěn)定，則異形導(dǎo)體在單線應(yīng)用的根數(shù)上相對較小，生產(chǎn)規(guī)格也對單線應(yīng)用的需求量較低，這意味著電纜生產(chǎn)的整體效率會因此而得到提升。④異型線導(dǎo)體的單線拉線控制成型效果更加穩(wěn)定，且異型的不同角度能夠更加緊密地形成合攏狀態(tài)，合攏時(shí)發(fā)熱總量較低，導(dǎo)體溫度變化較小電阻也會因此得到有效的控制，尤其是直流電的電阻值也會產(chǎn)生更小的波動(dòng)，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3.3 異形電纜運(yùn)行優(yōu)勢

①采用異形絞合導(dǎo)體的電纜，其導(dǎo)體單線間屬于面接觸，其接觸面大，接觸電阻小，電纜運(yùn)行中的渦流損耗小，電纜發(fā)熱損耗就變小，更節(jié)能；②同樣規(guī)格的電纜外徑相比，外徑小，在相同環(huán)境敷設(shè)條件下的電纜間距變大，通電運(yùn)行的散熱性更好，可以提高電纜運(yùn)行載流量；③相比普通電纜外徑小了，電力通道預(yù)埋的管道也可以減小，電纜穿管敷設(shè)時(shí)可節(jié)約管道、橋架或電纜溝的空間，減少了電力項(xiàng)目投資；④異形絞合導(dǎo)體的外表面相比圓形緊壓導(dǎo)體更光滑、無毛刺，單線之間的縫隙小，相當(dāng)于實(shí)芯導(dǎo)體，電纜的阻水性能更優(yōu)良；⑤異形導(dǎo)體表面光滑，三層共擠的絕緣層、內(nèi)外屏蔽與導(dǎo)體間組合更加緊密，大幅度減少電纜局部放電量，電纜運(yùn)行故障率減少，可延長電纜使用壽命。

4 異形導(dǎo)體電纜的性能檢測

以我異形導(dǎo)體緊壓絞合技術(shù)35 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜為例（型號規(guī)格為：WDZC-YJY63 26/35 1×400），導(dǎo)體單絲間基本無間隙。經(jīng)國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行的電纜抽檢全性能型式試驗(yàn)情況來看，試驗(yàn)結(jié)果符合GB/T 12706.3-2020標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表2進(jìn)行分析，電纜通過了局放和耐壓等型式試驗(yàn)，并進(jìn)行了反復(fù)的彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)優(yōu)良。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，充分證明異形導(dǎo)體35 kV電纜的結(jié)構(gòu)合理，性能可靠。

表2 電纜部分型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

5 應(yīng)用及結(jié)論

①異形導(dǎo)體緊壓系數(shù)高，外表光滑無凹槽，單線間屬于面接觸，縫隙小，絞合合成的導(dǎo)體外徑小；結(jié)構(gòu)更緊密，阻水性能更優(yōu)。②電纜外徑小，散熱好，渦流損耗小，可提高電纜載流量；相比圓形緊壓的普通電纜，不僅可以減少地鐵項(xiàng)目投資，運(yùn)行時(shí)更加節(jié)能。③異形導(dǎo)體中壓電纜不僅降低了電纜生產(chǎn)廠制造成本，還提高了產(chǎn)品質(zhì)量。④隨著城市軌道交通的不斷擴(kuò)大，35 kV電纜的用量將越來越廣泛，異形緊壓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電纜應(yīng)用也將成為一種趨勢。