無縫平滑鋁套電纜的設(shè)計及應(yīng)用

金金元，陳朝暉，葉香微，錢朝輝，金宏磊

(1.浙江晨光電纜股份有限公司，浙江 嘉興 314200；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司廈門供電公司，福建 廈門 361000；3.東莞電力設(shè)計院有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引言

高壓電力電纜運行的可靠性是電網(wǎng)安全的重要保證，但近年來，國內(nèi)多地輸電系統(tǒng)運行的高壓皺紋鋁套電纜屢屢出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成電纜擊穿，給電網(wǎng)安全運行帶來嚴(yán)重隱患。在此背景下，一種新型的復(fù)合平滑鋁套電纜產(chǎn)品應(yīng)運而生。該電纜結(jié)構(gòu)緊湊，外護(hù)套與鋁套粘合成一個整體，但國內(nèi)這種復(fù)合平滑鋁套電纜基本都采用氬弧焊工藝生產(chǎn)，俗稱有縫平滑鋁套。由于氬弧焊生產(chǎn)的鋁套有一條焊縫，如果焊縫表面稍有不平，焊縫向內(nèi)凸起，經(jīng)過拉拔縮緊后會有壓傷外屏蔽或絕緣的風(fēng)險。為進(jìn)一步提高平滑鋁套質(zhì)量，創(chuàng)新設(shè)計了無縫平滑鋁套電纜及其生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了平滑鋁套內(nèi)外表面無縫光滑的工藝創(chuàng)新。無縫平滑鋁套和電纜緩沖層緊密接觸，接觸面積大，可有效預(yù)防電纜緩沖層接觸不良而產(chǎn)生放電現(xiàn)象，避免電纜內(nèi)部放電燒蝕，保證電纜的長期運行安全。

1 無縫鋁套擠出工藝設(shè)計

1.1 工藝方案及生產(chǎn)線設(shè)計

為優(yōu)化焊接平滑鋁套質(zhì)量，在焊接平滑鋁套電纜生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)已經(jīng)研發(fā)掌握的連續(xù)包覆無縫皺紋鋁套技術(shù)，結(jié)合平滑鋁套電纜一體化連續(xù)生產(chǎn)特點，設(shè)計開發(fā)出一種全新的無縫平滑鋁套電纜生產(chǎn)工藝，消除氬弧焊焊縫可能存在的內(nèi)突風(fēng)險，實現(xiàn)平滑鋁套內(nèi)表面無縫光滑的質(zhì)量提升。

1) 工藝方案確定。無縫平滑鋁套工藝方案所需的生產(chǎn)線配置由某公司提出與設(shè)計，并與國外知名設(shè)備制造商開展合作，建設(shè)了一條無縫平滑鋁套電纜生產(chǎn)線，并首次應(yīng)用于該公司無縫平滑鋁套電纜的研制生產(chǎn)中。

2) 生產(chǎn)線設(shè)計。該生產(chǎn)線的設(shè)計組成主要包括電纜絕緣線芯放線、芯線位置控制、前置牽引1、鋁桿放線、鋁桿清洗單元、擠鋁主機(jī)、冷卻系統(tǒng)、后置牽引2、電纜位置控制、鋁套縮緊裝置、后置牽引3、鋁套感應(yīng)預(yù)熱裝置、φ30+φ120+φ60多層共擠擠塑機(jī)、冷卻水槽、吹氣干燥、噴碼計米機(jī)、后置牽引4、收線架，以及整條生產(chǎn)線聯(lián)動電氣控制系統(tǒng)等；輔助單元包括感應(yīng)加熱爐、機(jī)頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、工作臺和機(jī)頭清洗裝置等，分別用于機(jī)頭的預(yù)熱和清理。工藝控制由CDS計算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行，系統(tǒng)運行環(huán)境為Windows XP，與裝在驅(qū)動系統(tǒng)的Siemens S7-200 PLC系統(tǒng)相通，用于選擇和記錄數(shù)據(jù)，能夠以列表和圖解形式顯示數(shù)據(jù)，可用于實時質(zhì)量控制，設(shè)備最大可生產(chǎn)500 kV 1×2 500 mm2無縫鋁套電纜。

3) 鋁桿的放線和清洗設(shè)計。設(shè)計的平滑鋁套連續(xù)擠壓工藝是以兩根直徑φ12 mm鋁桿為原材料，鋁桿放線是實現(xiàn)連續(xù)擠出鋁套的關(guān)鍵，采用圈式放線保證了大長度電纜生產(chǎn)的連續(xù)性。原料放線為直徑φ12 mm的兩根鋁桿，兩根鋁桿在進(jìn)入擠壓機(jī)之前，專門設(shè)計一套輔助裝置用于對運動中的兩根鋁桿進(jìn)行矯直，并設(shè)計聯(lián)動的圓形細(xì)銅絲刷子對鋁桿表面清潔，然后進(jìn)行清洗，洗去鋁桿上的氧化層和油污，保證進(jìn)入擠壓機(jī)的鋁桿表面潔凈，避免擠出的鋁套內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)、氣孔或其他瑕疵。

4) 線芯防燙傷設(shè)計。在電纜線芯和鋁管內(nèi)壁之間，設(shè)計了一個帶夾層的冷卻水管，避免高溫狀態(tài)下的鋁管對電纜線芯灼傷。鋁管形成之后，必須立即進(jìn)行外部冷卻，為此設(shè)計采用四周水幕冷卻方式，其特點是使鋁管冷卻均勻且不間斷，保證鋁管的圓整度，并有效避免電纜絕緣線芯在模口處受過熱傷害，確保絕緣線芯不受灼傷，從而解決了擠出鋁套燙傷絕緣線芯的技術(shù)難題。

5) 線芯緩沖層防潮設(shè)計。采用特殊材質(zhì)制作的鋁管擠出模具，正常擠出鋁管時的管口是全封閉的，擠出鋁管后水幕冷卻時的水汽被完全阻隔在擠出鋁套的正前方，確保進(jìn)入擠出鋁管機(jī)頭內(nèi)的電纜緩沖層始終處于干燥狀態(tài)，從而完全避免緩沖層受潮，進(jìn)一步消除制造過程中電纜緩沖層受潮問題。

1.2 鋁套同心度及圓整度設(shè)計

為了保證鋁套的同心度與圓整度，對擠出模具進(jìn)行精密設(shè)計，對溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

1) 鋁套擠出溫度及模芯設(shè)計。對模具進(jìn)行反復(fù)設(shè)計改進(jìn)，將原來設(shè)計的流道層壓板式模芯改為古堡式模芯，使鋁在模腔內(nèi)分布均勻，確保鋁材在流道中的壓力保持一致，從而使擠出鋁管的厚度保持均勻。熔融的鋁溫度約為500 ℃，兩個流道的鋁在模腔內(nèi)混合，并在模芯和蓋板之間形成鋁管，為了保證鋁管厚度的均勻性，又對模芯座的流道進(jìn)行了反復(fù)設(shè)計改進(jìn)，并通過試驗證明電纜外徑相近的規(guī)格可以采用同一個模芯座。

2) 擠壓機(jī)頭預(yù)熱溫度設(shè)定。溫度不同會導(dǎo)致鋁材的流速和壓力不同，在原料鋁桿連續(xù)不斷進(jìn)入擠壓輪后，摩擦生熱，與機(jī)頭上部的感應(yīng)傳感器溫度達(dá)到基本平衡。為了保證鋁套厚度均勻，需對各部分的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，擠壓的預(yù)熱溫度設(shè)定比較關(guān)鍵，如果預(yù)熱溫度不合理，就不能保證剛開機(jī)時擠出的鋁套很圓整。經(jīng)過多次試制，總結(jié)出預(yù)熱時的合適溫度，機(jī)頭預(yù)熱外部溫度設(shè)定(550±5) ℃，底部(500±5) ℃，上部(480±5) ℃，最終試制順利。

2 無縫鋁套縮徑工藝設(shè)計

2.1 鋁套縮徑及工藝方式

從擠壓機(jī)連續(xù)擠出鋁套時，與絕緣線芯的緩沖層間留有一定間隙，因為擠出時如果鋁套太緊，極易燙傷緩沖層或電纜線芯，而且擠出鋁套表面會出現(xiàn)不平整；如果鋁套與電纜緩沖層間有一定間隙，也會存在間隙偏大、接觸不良的風(fēng)險，且電纜彎曲時鋁套會起皺而影響電纜產(chǎn)品質(zhì)量。因此，擠出后的鋁套一定要進(jìn)行縮徑。目前，鋁套縮徑工藝方式大致有兩種：一是拉拔式縮徑，采用這種縮徑方式時，電纜承受的牽引力較大，而且大規(guī)格電纜的鋁套越厚，承受的牽引力會更大，對設(shè)備性能也是一種考驗；二是輥輪式縮徑，采用這種無摩擦的輥輪縮徑方式時，電纜承受的拉力不大，且不受電纜規(guī)格限制，其拉力主要是牽引力。因此，綜合來看，后一種輥輪式縮徑工藝性能更優(yōu)。

2.2 輥輪式縮徑工藝設(shè)計

針對輥輪式新型縮徑工藝，與英國BWE公司合作，專門設(shè)計了一組輥輪式無縫鋁套縮徑裝置，可以對包覆緩沖層纜芯的無縫鋁套進(jìn)行縮徑。輥輪裝置共有三個壓輥，每個壓輥都設(shè)計成內(nèi)弧凹形擠壓面，三個內(nèi)弧凹形擠壓面設(shè)計成機(jī)械齒輪傳動，可以各自同時向內(nèi)收攏，全部向內(nèi)收攏后，會自動對正中心處形成一個完整的圓形孔。這樣的縮徑輥輪共有三組，每組的角度分別對正中心處旋轉(zhuǎn)180°，相當(dāng)于整個圓周的每個面均會產(chǎn)生壓力等同的縮緊力。對縮徑后的鋁套進(jìn)行嚴(yán)格檢測，反復(fù)測試鋁套的圓整度和外徑尺寸，如果外徑偏大，還可以手動調(diào)節(jié)三個壓輥的緊壓程度，適當(dāng)調(diào)整直至縮徑后的鋁套外形尺寸符合工藝要求。縮徑后的鋁套表面無刮痕、無飛邊、無壓痕，既滿足鋁套的圓整度和內(nèi)外表面光滑度要求，又符合對應(yīng)的鋁套外徑正負(fù)公差要求。

3 護(hù)套三層共擠工藝

3.1 三層共擠工藝設(shè)計

復(fù)合平滑鋁套是把鋁套與熱熔膠、外護(hù)套、導(dǎo)電層等多層牢牢粘合并復(fù)合在一起的復(fù)合型護(hù)套，復(fù)合的目的就是防止電纜在生產(chǎn)收線和現(xiàn)場安裝彎曲時護(hù)套產(chǎn)生起皺缺陷現(xiàn)象。為此，在研發(fā)焊接平滑鋁套涂覆熱熔膠技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計了全新的護(hù)套三層共擠工藝。

此外，與奧地利ROSENDAHL公司合作，設(shè)計采用φ30+φ120+φ60三臺擠塑機(jī)共同組合成一整套擠塑機(jī)頭，可同時擠出熱熔膠、外護(hù)套、導(dǎo)電層，擠出的三層厚度均勻，粘合牢固。該擠出設(shè)備與英國BWE公司的擠壓鋁套設(shè)備組合成連續(xù)的一體化無縫平滑鋁套電纜新型生產(chǎn)線，重點解決了生產(chǎn)線各設(shè)備部件的同步問題，在電氣控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)攻克了許多難題，并形成了一套無縫平滑鋁套電纜特殊的制作工藝。

3.2 三層共擠工藝流程

1) 設(shè)計工藝流程。導(dǎo)體拉絲退火→導(dǎo)體線芯股塊絞合緊壓→導(dǎo)體股塊線芯成纜→三層共擠試交聯(lián)→烘房去氣→繞包半導(dǎo)電緩沖層+金屬絲布帶→擠出鋁套→輥輪縮徑鋁套→鋁套預(yù)熱→熱熔膠、外護(hù)套、導(dǎo)電層三層共擠→水槽冷卻→收線→出廠試驗→入庫。

2) 關(guān)鍵操作步驟。在無縫平滑鋁套電纜護(hù)套三層共擠前，設(shè)計加裝一套鋁套感應(yīng)加熱裝置，因為擠出鋁套通過輥輪縮徑后，由于牽引的距離較長，鋁套在進(jìn)入擠塑機(jī)頭時表面已處于冷態(tài)，基本接近室內(nèi)溫度。在進(jìn)行護(hù)套三層共擠時，熱熔膠擠包遇到冷態(tài)的鋁套表面會導(dǎo)致熱熔膠快速固化，造成與鋁套之間的粘合不牢靠，電纜收線彎曲時護(hù)套表面會產(chǎn)生起皺的現(xiàn)象。為了提高熱熔膠與鋁套之間的粘合力，縮徑后的鋁套一定要在熱態(tài)時進(jìn)入三層共擠機(jī)頭。因此，在擠塑機(jī)前設(shè)計加裝了一種鋁套感應(yīng)加熱裝置，給縮徑后的鋁套預(yù)熱，預(yù)熱溫度設(shè)計在120 ℃左右，以保證鋁套在牽引運動過程中不會燙傷線芯，使鋁套、熱熔膠、外護(hù)套、導(dǎo)電層粘合牢固。

3) 冷卻工藝要求。三層共擠護(hù)套后的無縫鋁套電纜，需經(jīng)過水槽冷卻，使鋁套、熱熔膠與外護(hù)套牢固粘合，最后通過牽引機(jī)把無縫鋁套電纜繞上收線盤。由于聚乙烯護(hù)套材料彈性模量較大，因此，彎曲收線時護(hù)套不會起皺。取小段成品電纜對護(hù)套進(jìn)行噴燈加熱，在熱熔膠處于熔融狀態(tài)時，及時用專用工具剝離外護(hù)套，目測鋁套內(nèi)表面光滑，無凹凸現(xiàn)象，然后對成品電纜進(jìn)行局部放電、交流耐壓以及外護(hù)套耐壓試驗，試驗合格。

4 無縫鋁套性能試驗

4.1 無縫鋁套力學(xué)強(qiáng)度試驗

為了分析擠出無縫鋁套的力學(xué)機(jī)械性能，取兩段縮徑前后的無縫平滑鋁套樣品，委托西安交通大學(xué)電氣絕緣研究中心國家重點實驗室，對無縫鋁套進(jìn)行拉伸試驗，研究護(hù)套的橫向及縱向拉伸力學(xué)性能特征；對比縮徑前后平滑鋁套的拉伸性能差異和縮徑前后對鋁套力學(xué)性能的影響(見表1)。

表1 縮徑前后鋁套試驗數(shù)據(jù)

綜上數(shù)據(jù)對比分析，縮徑后的鋁套試樣沿橫向的強(qiáng)度和塑性參數(shù)均有所提高，沿縱向的強(qiáng)度和塑性參數(shù)則相應(yīng)下降，但變化幅度均在20 %以內(nèi)。因此，縮徑過程導(dǎo)致鋁套沿橫向的力學(xué)性能有所提高，而沿縱向的力學(xué)性能略有降低。此外，排除試樣數(shù)量不同的影響，從拉伸曲線上看，縮徑后鋁套的性能變得更加穩(wěn)定，分散性變小。鋁套縮徑后的橫向強(qiáng)度和塑性參數(shù)提高意味著鋁套的抗側(cè)壓力和抗沖擊力提高，縱向強(qiáng)度和塑性參數(shù)降低，說明鋁套的彎曲性能更好了。

4.2 無縫鋁套電纜彎曲試驗

4.2.1 電纜彎曲試驗

對無縫平滑鋁套電纜的彎曲性能進(jìn)行試驗研究，結(jié)果顯示無縫平滑鋁套電纜完全能滿足20倍電纜直徑彎曲要求，滿足現(xiàn)場敷設(shè)要求；試制的YJLP03-Z 64/110 1×630無縫平滑鋁套電纜，委托國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心加做了平滑鋁套“20倍電纜直徑的彎曲試驗”，試驗結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2.2 電纜抗沖擊試驗

委托國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對無縫平滑鋁套電纜進(jìn)行抗沖擊試驗，參照IEC TR61901—2016 (Tests recommended on cables with a longitudinally applied metal foil for rated voltages above 30 kV (Um=36 kV) up to and including 500 kV (Um=550 kV))的試驗方法和要求，從0.27 m高處對長1 m的平滑鋁套電纜拋27 kg重物，在外護(hù)套上取一個點進(jìn)行沖擊試驗，反復(fù)4次；再對沖擊點相反的位置進(jìn)行沖擊試驗，反復(fù)4次；沖擊物有一個1 mm曲率半徑和90°的楔形接觸面；最終，對電纜解剖檢驗結(jié)果顯示，沖擊點無穿刺損傷，絕緣無變形，沖擊位置無侵入絕緣的銳角形變，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

無縫平滑鋁套與絕緣線芯成為整體，相當(dāng)于實芯體，提高了側(cè)面抗沖擊能力和抗側(cè)壓能力；無縫平滑鋁套電纜結(jié)構(gòu)緊密，增大了線芯內(nèi)外結(jié)構(gòu)層之間的摩擦阻力，十分有利于高落差豎井中的垂直敷設(shè)和運行，線芯不會滑移損傷，鋁套也不會起皺。

通過以上試驗證明，無縫平滑鋁套電纜彎曲性能與皺紋鋁套電纜基本等同，完全可以滿足現(xiàn)場敷設(shè)要求，且垂直敷設(shè)比皺紋鋁套電纜更方便和安全。

4.3 敷設(shè)應(yīng)用試驗研究

為了驗證無縫平滑鋁套電纜現(xiàn)場應(yīng)用彎曲及側(cè)壓能力，選取規(guī)格為YJLP03-Z 64/110 1×800的平滑鋁套電纜進(jìn)行彎曲試驗，成品電纜直徑約92 mm，長約100 m。敷設(shè)完成后，檢查平滑鋁套電纜及牽引頭表面是否損傷。最后按現(xiàn)場驗收標(biāo)準(zhǔn)對電纜外護(hù)套進(jìn)行直流耐壓試驗。結(jié)果顯示，電纜表面無損傷，護(hù)套無起皺，外觀圓整，目測檢查通過；彎曲及拖拉時的側(cè)壓力為2 800 N/m，符合GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》附錄H中側(cè)壓力小于3 000 N/m的要求，試驗合格。

對經(jīng)過現(xiàn)場彎曲拉拔施工的電纜外護(hù)套進(jìn)行機(jī)械物理性能試驗，結(jié)果顯示外護(hù)套抗拉強(qiáng)度達(dá)到23.8 N/mm2，伸長率達(dá)到680 %，主要試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 外護(hù)套機(jī)械物理性能試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

研發(fā)的110 kV無縫平滑鋁套電纜已通過國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的型式試驗，性能指標(biāo)優(yōu)良，產(chǎn)品已在某供電公司得到應(yīng)用，運行良好。

無縫平滑鋁套電纜制作工藝先進(jìn)，結(jié)構(gòu)緊密，鋁套內(nèi)外表面光滑無凹凸，實現(xiàn)了平滑鋁套內(nèi)外表面無縫光滑的工藝創(chuàng)新；無縫平滑鋁套電纜在結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)械性能、安裝敷設(shè)等方面有較大的安全技術(shù)優(yōu)勢，鋁套與絕緣線芯成為整體，提高了抗側(cè)面沖擊能力和抗側(cè)壓能力，彎曲性能優(yōu)，還可預(yù)防電纜在運行中發(fā)生內(nèi)部電腐蝕的風(fēng)險。

從需求側(cè)看，在國內(nèi)由于敷設(shè)環(huán)境及施工過程的限制，基本上是采用皺紋鋁套電纜以降低電纜受機(jī)械損傷的風(fēng)險。但隨著行業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步以及有關(guān)部門的重視，國內(nèi)電纜的敷設(shè)環(huán)境及施工設(shè)備得到了很大提升，給無縫平滑鋁套電纜的應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。

從供給側(cè)看，國內(nèi)部分制造企業(yè)已具備平滑鋁套電纜的研發(fā)與生產(chǎn)能力，并取得了一定的技術(shù)進(jìn)展。但是，對于這種新型的電纜結(jié)構(gòu)，需要從設(shè)計、施工及應(yīng)用等多個方面開展系統(tǒng)全面的研究，從而為電纜的實際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)，保證電網(wǎng)的安全運行。