實心分割鋁合金導體高壓電纜的設計與研究

方 永 ,劉洪軍 ,黃 靜* ,沈智飛 ,龐超群 ,王 娟 ,江 巍

(1.尚緯股份有限公司,樂山 614012;2.江蘇中天科技股份有限公司,南通 226463)

0 引 言

隨著電纜導體截面的增加,其傳輸功率和電流也會相應增加,但是導體截面積越大,“集膚效應”和“臨近效應”的影響越明顯。降低大截面高壓電纜線路損耗的措施之一是導體采用分割導體,以提高電纜線路的傳輸容量。分割導體是把大截面導體分成若干股塊絞合而成,股塊之間采用絕緣皺紋紙隔離,股塊之間彼此絕緣,使導體由若干相互絕緣的扇形股塊并聯組成。因為單個扇形股塊的截面積僅為導體總截面積的若干分之一,所以單個股塊的“集膚效應”和“臨近效應”大大地減小,從而使導體交流電阻減小[1]。

目前,采用絞合分割鋁導體作為線芯的高壓電纜已有案例,該結構在實際應用中存在以下幾個問題:①其機械強度較差,易折斷;②接頭處容易發生蠕變變形,導致導線接頭處產生空隙,接頭處的電阻增大,產生大量的熱量,引起蠕變加劇,最后導線接頭處會熔斷或者起火;③出現過載發熱現象;④易發生電化學以及化學腐蝕。為解決這些問題,本工作研發了實心分割鋁合金導體高壓電纜,并對其結構設計、生產工藝、工藝裝備和產品性能等進行了研究。

1 實心分割鋁合金導體高壓電纜的設計

1.1 電纜的結構

實心分割鋁合金導體高壓電纜的結構設計符合GB/T 11017—2014 《額定電壓 110 kV (Um=126 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》及GB/T 18890—2015 《額定電壓 220 kV (Um=252 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》的要求,與普通高壓電纜結構上的區別主要體現在導體,實心分割鋁合金導體高壓電纜的結構示意圖見圖1。

圖1 電纜結構示意圖

高壓電纜采用實心分割鋁合金作為導體,在純鋁中加入合金元素來改善其性能,包括力學性能、導電性能、抗蠕變性能、耐熱性能及耐化學腐蝕性能等,實心分割鋁合金導體的結構見圖2(a)。同時,采用實心導體分割的結構比多根絞合分割的結構更能改善接頭處的抗蠕變性能,能夠更好地保證高壓電纜長時間過載和過熱時的持續工作能力[2],絞合分割鋁合金導體的結構見圖2(b)。

圖2 導體截面示意圖

1.2 執行標準

目前,實心分割鋁合金導體高壓電纜尚無相關國家標準、行業標準,本工作參考IEC 60840:2020《額定電壓30 kV(Um=36 kV)以上至150 kV(Um=170 kV)擠包絕緣電力電纜及其附件試驗方法和要求》、GB/T 11017—2014《額定電壓110 kV(Um=126 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》、Q/GDW 13241《國家電網公司企業標準110 kV 電力電纜采購標準》等標準及規范,制訂了《額定電壓110 kV 實心分割鋁合金導體交聯聚乙烯絕緣電力電纜》的企業標準用于指導生產和產品檢驗。

1.3 實心分割鋁合金導體的設計

高壓電纜分割導體,一般有五分割扇形及5+1分割瓦楞形結構,綜合考慮兩種結構分割導體的生產工藝難易程度、工裝模具設計與制作、設備的加工能力等,本次試制的標稱截面積為1 000 mm2的鋁合金導體設計采用五分割實心扇形股塊結構。

1.3.1 導體截面積的設計

導體截面積的計算公式為

式中:S為導體截面積,mm2;k1為擠壓導體過程中,引起電阻率增加所引入的系數;k2為扇形股塊絞制過程中引入的系數;k3為扇形股塊合股引入的系數;ρ為鋁合金導體電阻率[3],Ω·mm2·m-1;R為導體20℃時的直流電阻[4],Ω·km-1。將k1=1.01,k2=1,k3=1.008,ρ=0.028 264 Ω·mm2·m-1,R=0.0291Ω·km-1 代入式(1) 得:S為989 mm2。

1.3.2 實心分割導體關鍵參數的設計和研究

扇形股塊輪廓理論計算截面積(SA)為五分之一的導體截面積,求得SA為197.8 mm2。

從理論上計算,五分割扇形股塊的中心角(n)為72°。因股塊合股成纜絞入角的影響,若股塊中心角按照72°設計,股塊合股困難且易出現錯位現象。因此,股塊中心角應略小于72°,本次試制扇形股塊中心角為71.5°。

扇形股塊圓弧半徑(r)理論計算公式為

將SA=197.8 mm2,n=71.5°代入式(2)得:r為17.8 mm。

本工作對扇形股塊內弧半徑進行了研究。扇形股塊的底弧半徑(r1) 和邊弧半徑(r2),理論上越小越好,以減小合股導體圓周的縫隙和中心空隙,提高分割導體的結構穩定性。根據大量的銅分割導體的生產經驗及工藝試驗總結,對于五分割導體,一般r1、r2取值范圍均為0.96～1.68 mm。根據驗證,此次試制標稱截面積為1 000 mm2的五分割實心鋁合金導體,r1、r2均取1.08 mm。

本工作對扇形股塊輪廓尺寸進行了校準,r、r1、r2、n的取值均根據理論計算及經驗選取。為加工制作更加精確的股塊模具,須根據上述參數采用AutoCAD 軟件繪制扇形股塊輪廓,測繪出扇形股塊輪廓面積(SF),對扇形股塊輪廓的扇高及扇寬進行數據校準,見圖3。

圖3 扇形股塊輪廓尺寸

經測繪,扇形股塊輪廓面積SF校正為198.85 mm2,扇形股塊圓弧半徑r校正為17.9 mm。

經校準,該扇形股塊輪廓的扇高H為17.12 mm,寬度B為19.97 mm。

2 實心分割鋁合金導體高壓電纜的生產工藝

2.1 工藝流程

實心分割鋁合金導體高壓電纜的生產工藝流程圖見圖4。

圖4 實心分割鋁合金導體高壓電纜生產工藝流程圖

2.2 實心鋁合金扇形股塊擠壓工藝

將直徑為15 mm 的8030 鋁合金桿連續引拽進入旋轉凹槽擠壓輪中,鋁合金桿在固定槽中受到徑向擠壓和摩擦。鋁合金桿在巨大的擠壓和摩擦力下產生足夠的溫度并達到再結晶狀態,經由腔體從特制的扇形股塊擠壓模具中擠出并一次成型,擠壓溫度為320～330 ℃。

鋁合金桿擠壓成型后,經過水槽冷卻。水槽出口采用萬向竹節管噴嘴,用壓縮空氣將鋁合金股塊的表面吹干,再采用2.2 kW 漩渦高壓風機產生的熱風,確保吹干股塊表面的水分。扇形股塊擠壓工藝生產流程見圖5。

圖5 扇形股塊擠壓工藝生產流程圖

2.3 實心鋁合金扇形股塊預扭工藝

為了確保導體結構的穩定性,避免股塊合股時出現錯位、移位等不良情況,高壓電纜分割導體必須實行股塊的預扭。多股絞合分割導體在絞制過程中就可以實現一邊絞制壓型,一邊股塊預扭。其中,導體進入預扭裝置之前會隨著絞體旋轉,原理上相當于絞合導體旋轉放線。

通過驗證,實心分割鋁合金導體無法像絞合導體那樣實現旋轉放線,因此在試制生產時,通過在特種設備上實現扇形股塊的預扭。扇形股塊預扭流程見圖6。

圖6 扇形股塊預扭工藝流程圖

設備操作系統有退扭模式和不退扭模式兩種。扇形股塊預扭,選用不退扭模式即放線盤不旋轉,在分線盤中心裝一組特制壓輪用來固定扇形股塊,并通過預扭頭與旋轉牽引的旋轉實現扇形股塊的預扭,預扭頭與旋轉牽引的旋轉角度一致,形成節距,預扭節距不大于40 倍的成纜外徑。設備采用分電機、無極調速,精確控制預扭節距,確保股塊預扭節距與后續股塊合股的節距保持一致。

2.4 實心鋁合金扇形股塊合股成纜工藝

1)選用合適材質的并線模具。為避免金屬模具刮傷導體,在試制生產時選用尼龍材質的并線模具,且嚴格控制導體外徑,確保導體不圓度不大于0.5 mm。

2)為保證成型效果,應使扇形股塊成纜方向和股塊預扭方向保持一致,成纜的節距要和預扭的節距一致。

3)成纜時緩慢走線,時刻關注扇形股塊角度,一旦角度出現較大偏差,應立即停機調整,否則股塊翻身通過模具,將很難修復。

4)選擇硬質的牽引繩,牽引繩自身不能扭轉,其與導體的連接采用鐵管壓接方式。牽引繩外徑應與導體外徑相當,否則會出現節距不穩定等現象。

5)成纜時控制好放線至并線之間的張力。張力過大,并線導輪與股塊之間的摩擦力增大,影響股塊表面質量;張力過小,影響股塊形狀,導致股塊預扭節距不均勻,從而造成合股時節距發生變化,導體結構不穩定。

3 產品性能

3.1 產品結構尺寸

試制的產品型號規格為YJLH(S)LW02-64/110 kV 1×1 000 的電氣型式試驗及非電氣型式試驗項目均符合GB/T 11017—2014《額定電壓110 kV(Um=126 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》的規定。

實心分割鋁合金導體高壓電纜與多股絞合分割鋁導體高壓電纜的主要區別是導體結構的設計。因此,關于產品結構尺寸的設計及測試數據見表1。

表1 結構尺寸測試數據mm

由表1 可知,電纜的實測結構尺寸均滿足設計要求,產品結構尺寸測量合格。

3.2 導體直流電阻的測試

首先將股塊之間的絕緣紙去除,然后對股塊進行還原并進行導體直流電阻測試。受股塊間和股塊單線間接觸電阻等因素的影響,往往出現電阻測量不準確的情況。尤其是鋁導體,表面形成的氧化層使測試的電阻忽大忽小,測試結果不穩定。

導體直流電阻的測試采用四端測試技術,兩個電流極,兩個電位極[5],導體直流電阻測試示意圖見圖7。

圖7 導體直流電阻測試示意圖

多股絞合分割導體股塊之間、導體單線之間接觸存在差異,由此引起的差異性接觸電阻導致電位極的電壓不穩定,電壓忽大忽小。根據歐姆定律,當電壓變大時,電阻測試值也變大;當電壓變小時,電阻測試值也變小。

采用實心分割鋁合金導體能有效避免單絲之間接觸不充分造成的電阻測試差異,但是股塊接觸不充分造成的電阻測試差異仍然存在。因此,本工作采用金屬壓接法對實心分割鋁合金導體進行電阻測試,在電流引入端采用內徑與分割導體外徑相當的金屬管對試樣所在電流夾位置處進行有效壓接。一方面,可以破壞導體表面的氧化層;另一方面,可以使扇形股塊之間充分接觸,保證測試電流在導線中分布均勻,壓接后的導體與接頭融為一體。電位電極端采用直徑為1.0 mm 的軟銅絲在分割導體外緊密纏繞1～2 圈后打結引出,以防松動。本工作對6 個不同樣品的直流電阻進行測量,結果見表2。

表2 實心鋁合金分割導體直流電阻測試數據

由表2 可知,根據GB/T 3956—2008 中電纜的導體要求,1 000 mm2實心鋁合金導體的20 ℃直流電阻應不大于0.029 1 Ω·km-1。經測試,試制的實心分割鋁合金導體20 ℃時的直流電阻均不大于0.029 1 Ω·km-1。采用該方法測試,6 個不同樣品電阻的相對偏差均在±0.5%以內,導體的電阻穩定。

3.3 電纜交流電阻測試

本工作對電纜樣品在20～90 ℃不同溫度下的導體交流電阻進行測量,結果見表3。

表3 實心鋁合金分割導體交流電阻測試結果

由表3 可知,導體交流電阻測量結果與理論計算值的相對偏差均在-1.0%以內。后續可進行典型敷設條件下載流量的計算及試驗驗證。

4 結 論

本工作系統分析了實心分割導體與多股絞合分割導體在高壓電纜產品中的優缺點,對實心分割鋁合金導體高壓電纜進行設計和試制生產。經檢測,各項性能均符合GB/T 11017—2014《額定電壓110 kV(Um=126 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》的要求。通過對電纜附件金具壓接的溫升研究,驗證導體與金具壓接處溫升變化,致力于解決多芯絞合分割鋁導體高壓電纜在應用中出現的接頭蠕變造成接頭松動等問題。實心分割鋁合金導體高壓電纜的開發符合我國電纜工業以鋁代銅的趨勢。后續將繼續深入研究電纜附件金具壓接部位的損耗及熱循環試驗。