交聯(lián)聚乙烯絕緣焊接皺紋鋼套電力電纜設(shè)計與驗證

章先杰，劉培鎮(zhèn)，劉曉東

（廣州南洋電纜集團(tuán)有限公司，廣州 511356）

0 引言

電力電纜作為高壓變電站到民用變電站輸送電能的重要載體，對電纜的性能要求在不斷提高，其壽命和質(zhì)量影響著人們的生活，以前經(jīng)常出現(xiàn)電能不足、停電等，現(xiàn)在已有所改善，其重要原因就是對電力電纜進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。電能在傳輸過程中會出現(xiàn)損耗，為了減少輸送過程中電能的損耗，對電纜的導(dǎo)體直流電阻和介質(zhì)損耗角正切值等有較大的要求[1-3]。目前城市空間合理化利用要求也在不斷提升，如隧道敷設(shè)、直埋敷設(shè)等，設(shè)計都需要考慮到維護(hù)便捷方便。提高電力電纜質(zhì)量和使用壽命，可以大大減少對電力電纜的維護(hù)[4-5]。

本文設(shè)計的交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁套電力電纜由導(dǎo)體、絕緣層和護(hù)層3 個部分組成，其中護(hù)層有金屬護(hù)層和外護(hù)層，金屬護(hù)層具有完全的不透水性，可以防止水分及其他有害物質(zhì)進(jìn)入到電纜絕緣內(nèi)部；外護(hù)層有一定的透水性，主要用于以高聚物材料作為絕緣的電纜[6-7]。交聯(lián)電纜絕緣性能好，具有結(jié)構(gòu)輕便、介質(zhì)強(qiáng)度高、損耗低、耐老化、耐溫等級高、傳輸能量大、安裝維護(hù)簡單、敷設(shè)不受落差限制等一系列優(yōu)點。皺紋鋼套的作用有以下幾點：（1）可以代替金屬屏蔽，起屏蔽作用；（2）能夠承載短路電流；（3）徑向防水作用；（4）起機(jī)械保護(hù)作用，保護(hù)絕緣線芯不受外力損壞。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，同時也符合現(xiàn)代化使用需求和發(fā)展[8]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

電纜3 大組成分別是導(dǎo)體、絕緣層和護(hù)層，導(dǎo)體的作用是傳輸電流，線芯的損耗主要由導(dǎo)體截面和材料的電導(dǎo)系數(shù)來決定。為了減小損耗，電纜線芯一般由具有高電導(dǎo)系數(shù)的金屬材料銅或鋁制成。絕緣層的作用是承受電壓，絕緣層材料應(yīng)具備以下主要性能：高的擊穿場強(qiáng)（包括脈沖、工頻、操作波等），低的介質(zhì)損失角正切（tanδ），相當(dāng)高的絕緣電阻（體積電阻率不小于1 015 Ω·cm），優(yōu)良的耐樹脂放電、局部放電性能，具有一定的柔軟性和機(jī)械強(qiáng)度，絕緣性能長期穩(wěn)定等[9-10]。電纜護(hù)層的主要作用是保護(hù)電纜絕緣層在敷設(shè)和運行過程中，免遭機(jī)械損傷和各種環(huán)境因素的破壞，如水、日光、生物、火災(zāi)等，以保持長期穩(wěn)定的電氣性能。為了使電纜適應(yīng)各種使用環(huán)境的要求，在電纜絕緣層外面所施加的保護(hù)覆蓋層，可選用PE、PVC、阻燃、防蟻等，電纜護(hù)層的質(zhì)量直接關(guān)系到電纜的使用壽命。

電纜護(hù)層所用材料繁多，主要可分為兩大類：一類是金屬材料，如鋁、鉛、鋼、銅等，這類材料主要用以制造密封護(hù)套、鎧裝或屏蔽；另一類是非金屬材料，如橡皮、塑料、涂料以及各種纖維制品等，其主要作用是防水和防腐蝕[11-12]。

電纜護(hù)套如果選用鉛材時，其應(yīng)不能低于五號鉛（Pb-5）即含鉛在99.9%以上，單純用這種鉛制作的護(hù)套稱為純鉛護(hù)套。純鉛護(hù)套的耐蝕性能較好，但是它的機(jī)械強(qiáng)度很低，容易受外力影響而產(chǎn)生變形，甚至損傷到交聯(lián)線芯，不能很好地起到防護(hù)作用，特別是在具有大蠕動性的情況下易疲勞龜裂。在架空、橋梁，沿公路或鐵路線敷設(shè)的情況下，甚至在長距離運輸?shù)倪^程中也可能由于振動而產(chǎn)生龜裂。由于鉛的資源短缺，更難滿足現(xiàn)代電纜工業(yè)發(fā)展的需要，因此純鉛護(hù)套現(xiàn)已幾乎不再使用。

鋁的比重還不到鉛的1∕4，但強(qiáng)度卻幾乎是鉛的5倍，在導(dǎo)電，導(dǎo)熱、屏蔽性能等方面都比鉛好，特別是鋁的資源十分豐富。不過，由于鋁的熔點比鉛高，約為鉛的兩倍，焊接鋁套時需要更大的電流，焊接溫度高，容易燙傷緩沖層和絕緣屏蔽，特別是在大面積補焊時，且鋁護(hù)套沒有鉛護(hù)套柔軟。

除了鉛和鋁之外，也有采用帶材縱包熔焊的方法來制造電纜的密封護(hù)套，并用軋紋的方法降低其剛性，這就是所謂焊接皺紋金屬護(hù)套。在焊接皺紋金屬護(hù)套中，最主要的產(chǎn)品是焊接皺紋鋼護(hù)套（俗稱皺紋鋼管），在某些鉛、鋁資源欠缺的國家，它在電纜護(hù)層中占有重要地位。其化學(xué)成分如表1 所示。皺紋鋼護(hù)套具有良好的耐壓縮、耐沖擊、耐振動等性能，如表2 所示。可以用于地下埋設(shè)和暴露場所。通常在遇到地震災(zāi)害、碎石砸擊等破壞性大的外力破壞時，皺紋鋼套電力電纜還可以保證正常運行，特別是近年來我國地震高發(fā)，更突出了其實用性[13]。交聯(lián)聚乙烯絕緣焊接皺紋鋼套電力電纜結(jié)構(gòu)及實物如圖1～2所示。

表1 皺紋鋼護(hù)套用鋼帶的化學(xué)成分

表2 皺紋鋼護(hù)套用鋼帶的機(jī)械性能

圖1 交聯(lián)聚乙烯絕緣焊接皺紋鋼套電力電纜

圖2 皺紋鋼護(hù)套電力電纜

2 皺紋鋼套電力電纜特點

交聯(lián)聚乙烯絕緣焊接皺紋鋼套電力電纜的主要技術(shù)特點如下。

（1）導(dǎo)體材料選用TR 型軟銅線，截面為800 mm2及以下采用緊壓絞合圓形結(jié)構(gòu)，截面為800 mm2及以上采用分割結(jié)構(gòu)，能有效減少集膚效應(yīng)引起的交流電阻的增加。

（2）絕緣線芯制作技術(shù)成熟，在U 型交聯(lián)生產(chǎn)線上進(jìn)行，采用三層共擠、干式硫化和冷卻工藝，工藝參數(shù)由NCC 硫化計算程序模擬計算，西科拉在線測厚、測徑，在線應(yīng)力消除，導(dǎo)體預(yù)熱及后加熱，凈化上料等技術(shù)。設(shè)計的皺紋鋼套電力電纜各項指標(biāo)滿足甚至優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，保證了電纜擁有足夠長的使用壽命。絕緣內(nèi)、中、外層熱延伸負(fù)荷下最大伸長率控制在60%～100%之間，最大偏差小于或等于15%，冷卻后最大永久伸長率為0～10。絕緣偏心度設(shè)計不大于5%，即：

式中：tmax為最大厚度，mm；tmin為最小厚度，mm；tmax和tmin為絕緣同一截面上的測量值。

（3）屏蔽層采用半導(dǎo)電阻水帶+銅絲屏蔽+疏繞銅帶+半導(dǎo)電緩沖阻水帶的結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)電阻水帶和緩沖阻水帶電阻率低、厚度大，且具有彈性彈性，確保絕緣屏蔽與金屬套等電位，同時起到阻水、機(jī)械和熱緩沖作用，銅絲屏蔽和疏繞銅帶確保電纜層的短路電流滿足使用要求。

（4）皺紋鋼護(hù)套采用不銹鋼帶焊接成型技術(shù)；由于焊接時熱量較少，焊接點下方絕緣線芯表面溫度相對較低，不會燙傷絕緣線芯表面，而且焊接用非磁性不銹鋼帶，其材質(zhì)和厚度均勻，杜絕雜質(zhì)的引進(jìn)和砂眼的產(chǎn)生，充分保證了皺紋鋼護(hù)套焊接連續(xù)、不漏氣。

（5）外護(hù)套選用PE、PVC 或特殊功能如阻燃、防蟻、防鼠材料。

交聯(lián)聚乙烯絕緣焊接皺紋鋼套電力電纜設(shè)計壽命可達(dá)30 a，電纜導(dǎo)體長期運行的工作溫度不高于90 ℃，短路時導(dǎo)體最高溫度不能超過250 ℃，最長持續(xù)時間不超過5 s。在機(jī)械性能方面要比鉛套電纜和皺紋鋁套電纜更好，傳輸容量大、電氣性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)相對簡單、安裝敷設(shè)方便等，電纜敷設(shè)和運行時的最小彎曲半徑為敷設(shè)時不小于20倍電纜外徑，運行不小于15倍電纜外徑[14]。

3 電氣試驗

對產(chǎn)品按照GB∕T 11017.1—2014 和IEC 60840:2020進(jìn)行電纜電氣試驗[15-16]。局部放電試驗檢測靈敏度為5 pC，將試驗電壓逐漸升到1.75U0（112 kV）并保持10 s，然后慢慢地降到1.5U0（96 kV）。在1.5U0（96 kV）下，局放量在1.51 pC（圖3），電纜無超過申明靈敏度的可檢測的放電。在導(dǎo)體和皺紋鋼套間施加2.5U0（160 kV），然后保持30 min，絕緣無發(fā)生擊穿或者閃絡(luò)現(xiàn)象。

將電纜導(dǎo)體施加電流加熱到95～100 ℃，在工頻電壓U0（64 kV）下，tanδ在10×10-4內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。環(huán)境溫度下，導(dǎo)體與皺紋鋼套間的電容也滿足設(shè)計要求。

將電纜導(dǎo)體施加電流加熱到95～100 ℃，加熱至少8 h，在每個加熱期內(nèi)，導(dǎo)體溫度在95～100 ℃之間至少保持2 h。隨后自然冷卻16 h以上，直到導(dǎo)體溫度冷卻至不高于30 ℃或者冷卻至高于環(huán)境溫度10 ℃以內(nèi)（取兩者之中的較高值）。此加熱和冷卻循環(huán)共進(jìn)行20 次，且在整個試驗期內(nèi)，電纜始終保持施加2U0（128 kV），電纜未出現(xiàn)異常情況。

將電纜導(dǎo)體施加電流加熱到95～100 ℃，導(dǎo)體溫度保持在此溫度范圍2 h 后，對電纜分別進(jìn)行10 次正極性和10 次負(fù)極性550 kV 沖擊電壓試驗，結(jié)果如表3 所示。±3%雷電沖擊電壓試驗結(jié)果如圖4 所示。隨后再次進(jìn)行2.5U0（160 kV），然后保持15 min 工頻電壓試驗，電纜主絕緣無擊穿和閃絡(luò)。

表3 沖擊電壓試驗實際耐受電壓值

圖4 雷電沖擊電壓試驗

4 結(jié)束語

按照GB∕T 11017—2014 和IEC 60840:2020 對電纜進(jìn)行了相關(guān)的試驗，試驗證明皺紋鋼套電力電纜可以滿足使用要求。皺紋鋼護(hù)套具有良好的耐壓縮、耐沖擊、耐振動等性能，扎紋設(shè)計一方面可以保持鋼套的機(jī)械性能，另一方面又可以有很好的彎曲性能，在抗壓和抗彎曲上有明顯的優(yōu)勢。電纜在敷設(shè)過程中不可避免地會出現(xiàn)擠傷和劃傷，特別是在拐彎處，皺紋鋼套設(shè)計可以有效防止金屬護(hù)套變形損傷交聯(lián)線芯。在遇到地震災(zāi)害、碎石砸擊等破壞性大的外力破壞時，皺紋鋼套電力電纜還可以保證正常運行。交聯(lián)聚乙烯絕緣焊接皺紋鋼套電力電纜能夠滿足相同電壓等級下用于輸送電能的使用要求，其電性能和機(jī)械性能等滿足或高于IEC 60840：2020 和GB∕T 11017—2014 的標(biāo)準(zhǔn)要求。因鋼的耐腐蝕性強(qiáng)，不需涂敷瀝青層，更符合環(huán)保要求。

相對其他金屬護(hù)套電纜而言，皺紋鋼套電力電纜有以下優(yōu)越性：（1）有良好的耐壓縮、耐沖擊、耐振動等性能；（2）機(jī)械強(qiáng)度高，承受壓力大，受重物擠壓、砸擊還能保證正常運行，應(yīng)用領(lǐng)域更廣；（3）皺紋鋼套電力電纜采用非磁性不銹鋼帶焊接扎紋成型，結(jié)構(gòu)簡單，材料普遍；（4）結(jié)構(gòu)不需要用到瀝青，更環(huán)保。