新型抗冰雪耐候平行集束架空電纜研制

余靜成

（安徽尚緯電纜有限公司，蕪湖 238339）

在我國農村地區，電網建設一直以單芯架空裸電線為主。隨著技術的進步，三相四線制供電方式已成為主流，為電網提供了平衡穩定的電力供應，并顯著提高了電能利用效率。架空平行集束導線技術因其將多條導線集成為一體而在農村電網（以下簡稱農網）改造中表現出突出的應用優勢，如減少中性線電流、降低電阻損耗以及避免因增加導線截面積而帶來的成本增加。此外，該技術線損率低、施工便捷，還具有經濟美觀、防漏電和高抗拉強度等優點。

但是，我國輸電線路仍然受到覆冰威脅，需要開發有效的防冰雪技術。為應對冰雪環境挑戰，文章通過篩選原材料、優化結構設計及使用先進的生產工藝，研發了新型抗冰雪耐候平行集束架空電纜。這一創新產品大幅提升了電纜對抗極端天氣的能力，對農網的改造與升級具有重要意義。

1 現有平行集束架空電纜結構

目前，普遍應用的架空平行集束絕緣電纜遵循國家電網制定的《架空平行集束絕緣導線低壓配電線路設計規程》（Q/GDW 10176—2017）。該標準規定了3 種主要的電纜結構，即四芯形結構（BS1）、三芯形結構（BS2）和二芯型結構（BS3）。其中，四芯形結構配置有4 根芯線，三芯形結構配置有3 根芯線，二芯型結構配置有2 根芯線，芯線之間以連接筋連接。

2 新型抗冰雪耐候平行集束架空電纜結構設計

2.1 抗冰雪結構設計

針對平行集束架空電纜的特點，設計了一種集成加熱元件，并將其嵌入電纜結構。該元件能利用熱能融化積冰。橫斷面采用類機翼式結構[1]，如圖1 所示。在該結構中，加熱元件被包裹在支撐筋內部，導線絕緣與連接筋的上表面為平面或微弧面，能有效降低冰雪對電纜的黏附力，同時提高融冰效率[2]。

圖1 類機翼式抗冰雪結構

2.2 高強度導體設計

目前，行業內平行集束架空導線普遍采用符合《電工圓銅線》（GB/T 3953—2009）的TR 型軟圓銅線或符合《電工圓鋁線》（GB/T 3955—2009）的LY9 型H9 狀態的硬圓鋁線。文章采用第2 種Y 型硬鋁合金單絲（單絲抗拉強度≥185 Mpa）型線絞合結構，鋁合金單線符合《電纜導體用鋁合金線》（GB/T 30552—2014）的標準，通過分電機單絲張力控制裝備絞制成型。鋁合金導體的強度相較于純鋁提高了50%，抗蠕變性能相較電工用鋁提高300%，導體20 ℃直流電阻高于《電纜的導體》（GB/T 3956—2008）的規定。鋁合金異形導體結構如圖2 所示。

圖2 異形導體結構示意圖

2.3 絕緣材質選擇

在絕緣材料選型上，選用90 ℃耐候耐寒型交聯聚乙烯絕緣，抗拉強度不小于12.5 MPa，斷裂伸長率不小于200%，溫度為135 ℃、持續時間為168 h 的老化試驗條件下抗張強度和斷裂伸長變化率不超過±25%，并通過1 008 h 耐候試驗和-40 ℃耐寒試驗。

2.4 加熱元件設計

為有效消除冬季冰雪對電力系統的影響，確保電力系統在惡劣氣候下的可靠性與穩定性，設計新型抗冰雪耐候平行集束架空電纜的加熱元件。經過分析和篩選，選擇了自限溫電伴熱帶和碳纖維發熱線2 種加熱元件[3]。自限溫電伴熱帶的優勢在于其能夠根據被加熱對象的實時溫度自動調節發熱量，這一獨特性能得益于其正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）材料的電阻率隨溫度升高而增大的特性，即溫度升高時電阻增大，通過的電流減少。這種自我調節機制簡化了控制系統的需求。碳纖維因其卓越的導電性、熱學性能和機械強度而備受推崇。碳纖維發熱線利用內部電阻將通過的電流高效轉換為熱能，電熱效率在98%以上，但為維持高效的熱能輸出，其使用長度受到了限制（5～20 m）。

綜合考慮成本效益和實際應用需求，選用自限溫電伴熱帶作為加熱元件。選擇的中溫型伴熱帶由導體、發熱電阻體、絕緣層、金屬護套屏蔽層和外護層組成，標稱功率為20 W·m-1，額定電壓為220 V，最高溫度可達90 ℃，既能滿足融冰需求，又能確保系統的安全性和長期穩定運行。加熱元件設計不僅增強了電纜的抗冰雪能力，而且降低了維護成本，簡化了操作流程，為冬季電網的可靠運行提供了高效的解決方案[4]。

3 新型抗冰雪耐候平行集束架空電纜制造工藝

3.1 制造工藝流程

根據本產品的構造，其核心生產工藝包括異型導體的制造工藝、平行集束和加熱元件的同步擠塑成型工藝。產品制造工藝流程如圖3 所示。

圖3 產品制造工藝流程

3.2 型線絞合導體制造工藝

通過研究鋁合金線材的拉伸比、延伸性，設計專用異形拉絲模具，以及拉絲、預扭整形絞合、退火等工藝，將型線絞合導體緊壓系數由85%提高到97%以上，外徑減小約5%，成本節省約1.5%，抗拉強度提高30%以上，顯著提升了架空線路在復雜條件下的綜合性能。異形導體采用預扭整形絞合，外表光滑、圓整，解決了圓形單線冷拔過程中易出現的毛刺、起皮等不良現象，同時較高的緊壓系數使導體單線間的孔隙被擠壓干凈，可以增強導體的載流能力。

在生產工藝上，采用交流永磁伺服同步直驅分電機動力系統拉絲設備，通過異形拉絲模具制成型線。通過工藝智能設定和微滑動控制原理，有效降低銅線和鼓輪之間的摩擦系數，提高鋁合金線的表面質量，延長鼓輪的使用壽命。應用分層微壓縮絞合技術，將圓形單線置于中心，瓦形線分層分布在圓周，使用氣動恒定張力框絞機和微壓縮模具將其絞制成密實的圓形導體，通過精確預留設備空間以及合理控制絞合節距比，可以防止絞合過程中型線產生過度的螺旋升角、分線板偏差以及與絞線軸向的角度差異。這樣有效避免了單絲翹邊現象，并確保了拉拔過程中型線單絲的均勻性，與傳統緊壓工藝相比，降低了導體的電阻率，減小了外徑，且減少了材料消耗。

3.3 同步擠塑加工工藝

設計了一種專用的平行集束一體成型擠塑模具，將加熱元件和架空導線集成，中間由連接筋連接。設計的模具為微調型半擠管式，由模芯、中間模和模套組成。模芯和中間模在裝入機頭后，靠機頭的壓板固定在機頭內不可移動，模套可通過機頭的調偏螺栓進行微調偏操作。模芯內孔直徑比導體外徑大0.5～1 mm，模芯壁厚0.5 mm，模套內徑為模芯外徑加2 倍絕緣標稱厚度[5]。

通過平行同步擠塑加工模具擠出后，產品試制成功，試制樣品型號為BS3-FR-JKLHYJ，電壓等級為0.6/1 kV，規格為2×70 mm2，如圖4 所示。

圖4 新型抗冰雪耐候平行集束架空電纜產品圖片

4 融冰效果評估試驗設計

根據本產品的使用環境特點，設計了產品融冰試驗，用于評估電纜在低溫冰雪環境下的融冰效果。

4.1 試驗設備

試驗設備包括低溫環境模擬裝置和融冰裝置。其中，低溫環境模擬裝置用于模擬低溫冰雪環境，包括滿足-40 ℃低溫環境的低溫試驗箱和水箱；融冰裝置用于對試樣進行融冰處理。

4.2 試樣制備

從待測電纜中截取長度為1 m 的試樣，將試樣兩端密封后放置在水箱中，1 h 后取出放置在低溫試驗箱，設置溫度為-40 ℃，保持24 h。試樣表面應有明顯的冰層，否則應重新制樣。

4.3 試驗步驟

將經過低溫處理的試樣在低溫試驗箱中，對導體和加熱元件分別施加220 V 電壓，通電時間根據不同導體截面按表1 確定。

表1 導體和加熱元件通電時間

4.4 試驗結果判定

觀察融冰后的試樣表面，若無明顯冰層殘留且電纜結構完整，則說明無破損現象。比較融冰前后試樣絕緣的抗拉強度，融冰后試樣絕緣的抗拉強度應不低于融冰前的80%。比較融冰前后試樣的質量變化，融冰后試樣的質量不應大于融冰前質量的105%。若同時滿足這些條件，則認為電纜具有較好的融冰效果。

5 成品電纜主要性能測試

通過以上結構設計和材料選用，經檢測試制樣品的各項數據符合設計要求，主要性能測試結果如下：導體拉斷力為23 684 N，符合不小于17 596 N 的要求；20 ℃導體直流電阻為0.498 Ω·km-1，符合不超過0.514 Ω·km-1的要求；工頻耐壓試驗測試（測試電壓3.5 kV、持續時間5 min）結果為試樣未擊穿，符合要求；90 ℃絕緣電阻為62 MΩ·km-1，符合不小于0.40 MΩ·km-1的要求；空氣烘箱老化試驗測試（溫度為135 ℃、時間為168 h）結果為抗張強度變化率-9%、斷裂伸長變化率-14%，符合抗張強度和斷裂伸長的變化率均不超過±25%的要求；耐磨性試驗（負載50 N）的結果為最少摩擦次數23 821 次，符合要求（≥20 000 次）；融冰試驗（-40 ℃）的測試結果為融冰后無明顯冰層殘留，且電纜結構完整，試樣絕緣的抗拉強度保留率為96%，質量保留率為102%，均符合要求。

6 結語

設計的新型抗冰雪耐候平行集束架空電纜，在結構與材料上進行了多重優化，包括優化平行集束結構、引入加熱元件、應用異形導體以及開發微壓縮絞合技術，提升了架空電纜的綜合性能，擴展了其在嚴苛環境下的應用場景，克服了北方冰雪環境對架空線路的挑戰。實驗證明，新電纜的抗冰性能顯著提升，承載能力和機械強度得到加強，有效提高了融冰效率和緊壓系數，降低了成本并增強了抗拉強度。新型抗冰雪耐候平行集束架空電纜的研制為構建更加可靠的電力輸送網絡提供了一種新的解決方案，未來將繼續探索更多環境因素對電纜性能的影響，如風載、溫度波動等，并進一步優化材料組合和制造工藝，以研制出使用壽命更長、適用性更廣的電纜。