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高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的選擇

　　[摘要]：本文對(duì)高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的有關(guān)問題進(jìn)行了討論，對(duì)電纜導(dǎo)體、金屬屏蔽層或金屬護(hù)套、外護(hù)套等選擇進(jìn)行了比較，也對(duì)金屬屏蔽層的接地和敷設(shè)方式進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)鍵詞：高壓電力電纜 交聯(lián)聚乙烯絕緣 導(dǎo)體 金屬護(hù)套外護(hù)套 屏蔽接地 敷設(shè)
1 引言
交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜由于具有良好的電氣性能等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛得到使用。其制造技術(shù)從低壓到高壓，從小截面到大截面，從普通結(jié)構(gòu)到阻燃，從過氧化物交聯(lián)、硅烷交聯(lián)到輻照交聯(lián)均已日趨成熟。上世紀(jì)80年代末，沈陽電纜廠用2+2懸鏈工藝制造出我國第一根100KV交聯(lián)電纜，90年代初上海電纜廠開始用立式交聯(lián)工藝生產(chǎn)110KV交聯(lián)電纜，鄭州電纜（集團(tuán)）股份有限公司在試制成功110KV交聯(lián)電纜后，1996年首次用立式全干法工藝生產(chǎn)的220KV交聯(lián)電纜通過兩部鑒定，填補(bǔ)國內(nèi)空白，相繼已有十多條生產(chǎn)線具備高壓交聯(lián)電纜的生產(chǎn)條件。實(shí)際上國內(nèi)高壓交聯(lián)電纜的應(yīng)用還要超前于電纜的制造。可以說高壓交聯(lián)電纜的批量使用促進(jìn)了制造行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，而制造技術(shù)和工藝裝備的發(fā)展又不斷滿足了電力工業(yè)的需要。目前，國產(chǎn)110KV和220KV高壓交聯(lián)電纜的制造技術(shù)已基本接近當(dāng)代世界先進(jìn)水平。在進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部管理，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，合理選擇電纜種類和參數(shù)，提高與整個(gè)線路相關(guān)的技術(shù)水平的前提下，高壓交聯(lián)電纜線路的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性就會(huì)不斷提高。本文就選擇高壓交聯(lián)電纜的有關(guān)問題作初淺的探討。
2 高壓交聯(lián)電纜的導(dǎo)體
高壓交聯(lián)電纜的導(dǎo)體與其他電力電纜一樣，分為銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體，選擇導(dǎo)體截面和導(dǎo)體材料主要考慮兩個(gè)因素，其一是載流量，其二是允許通過的短路電流。影響載流量的因素分別為損耗即導(dǎo)體損耗、絕緣損耗、金屬屏蔽層損耗和鎧裝層損耗，熱阻以及電纜敷設(shè)方式和環(huán)境條件。在電纜敷設(shè)方式、環(huán)境條件和護(hù)層結(jié)構(gòu)一定的前提下，電纜的載流量和短路電流的大小取決于導(dǎo)體直流電阻，也就是取決于導(dǎo)體的材料和導(dǎo)體的截面積。顯然，銅的電阻率比鋁的電阻率小得多，而且銅導(dǎo)體還具有接觸電阻小、機(jī)械強(qiáng)度高、彎曲性能好等優(yōu)點(diǎn)，緊壓圓型絞合導(dǎo)體的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于鋁導(dǎo)體。但是鋁的密度小，對(duì)于相同直流電阻的銅、鋁導(dǎo)體來說，鋁導(dǎo)體的重量不到銅導(dǎo)體重量的50%，價(jià)格也比銅導(dǎo)體便宜，鋁導(dǎo)體電纜與銅導(dǎo)體電纜相比具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。表1列出了銅、鋁導(dǎo)體電纜的載流量和短路電流。                       表 1 電纜的短路電流

注：電纜為YQL02，110KV，敷設(shè)條件為：直埋、平行敷設(shè)，土壤熱阻系數(shù)1.2K·m/W，環(huán)境溫度25℃，敷設(shè)深度1m。

從表1可以看出，相同截面積銅芯電纜的載流量是鋁芯電纜的1.3倍，短路電流是鋁芯電纜的1.5倍。由此可以認(rèn)為，只要鋁芯電纜價(jià)格低于銅芯電纜的1.5倍，從經(jīng)濟(jì)角度考慮應(yīng)選擇鋁芯電纜。從表1可以看出，鋁芯電纜的載流量和短路電纜均高于截面與之小兩檔的銅芯電纜。只要鋁芯電纜的價(jià)格低于與之小兩檔的銅芯電纜的價(jià)格，選擇鋁芯電纜的工程費(fèi)用就低。需要說明的是，鋁導(dǎo)體焊接必須采用氬弧焊。其技術(shù)國內(nèi)尚不成熟，缺乏施工和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

3  金屬屏蔽層和金屬護(hù)套

高壓交聯(lián)電纜的金屬屏蔽或金屬護(hù)套種類較多 ，有鉛套、皺紋鋁套、皺紋銅套、皺紋不銹鋼銅套和鋁塑綜合護(hù)套。除皺紋不銹鋼套外，國內(nèi)能生產(chǎn)各種金屬護(hù)套的高壓交聯(lián)電纜。

鉛套電纜的優(yōu)點(diǎn)是柔軟、彎曲性能、密封性和耐腐蝕性好，便于敷設(shè)、也便于電纜附件的安裝，適合用于防水、防潮以及防腐蝕性要求較高的場合。缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度低，抗蠕變性差，不適合用在震動(dòng)或正壓力較大的情況下。另外鉛的密度大、直流電阻率高，允許通過的短路電流小。皺紋鋁套的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高，直流電阻小，允許通過的短路電流大，見表2。由于鋁的密度小，使得電纜的重量明顯小于鉛套，見表3。與鉛套相比鋁套電纜的缺點(diǎn)是電纜外徑大，裝盤長度短，耐腐蝕性差，不易彎曲，在電纜附件安裝過程中封焊比較困難。

表  2 金屬套允許通過的短路電流                                                   

注：表中各型號(hào)電纜均為銅芯交聯(lián)聚乙烯電纜，電壓為110KV，其中鋁套厚度為2.0mm，鉛套厚度為3.4mm。不同的是其護(hù)套或外護(hù)套材料的不同，例如YJV為聚氯乙烯（PVC）護(hù)套；YIQ02為鉛護(hù)套；YJLW02為皺紋鋁護(hù)套PVC外護(hù)套。

表   3      鉛套、鋁套電纜的重量

注：表中各型號(hào)電纜的額定電壓均為110KV，鋁套厚度為2.0mm，鉛套厚度為3.4mm，型號(hào)的含義與表1相同，不同的是：YJLQ02、YJLLW02均采用鋁導(dǎo)電線芯。

鋁塑綜合護(hù)套電纜除其外徑小，重量略輕于皺紋鋁套電纜外，沒有其他優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是密封性差。因?yàn)殇X塑復(fù)合帶本身厚度薄，一般在0.15～0.20mm左右，而且接縫處不可避免地存在缺陷；另外由于鋁塑復(fù)合層與外護(hù)套之間的摩擦系數(shù)較小，電纜在敷設(shè)過程中容易起皺，甚至?xí)�產(chǎn)生破裂。這種結(jié)構(gòu)的電纜不適用于直接埋地或濕度較大的環(huán)境條件。

皺紋銅套電纜與鉛套電纜相比重量輕，允許通過的短路電流大，與皺紋鋁套電纜相比幾乎不存在優(yōu)點(diǎn)。而且在焊接過程中焊弧對(duì)焊縫的自動(dòng)跟蹤性差，一旦焊弧漂移，輕則出現(xiàn)縫隙，重則當(dāng)焊縫兩側(cè)熔融狀態(tài)的銅不能接合在一起時(shí)，必然向銅套內(nèi)側(cè)滴淌，并在內(nèi)壁形成銅柱�？梢姲櫦y銅套的焊接工藝不易控制，焊縫質(zhì)量不易保證。鋁套與銅套不同，其焊接過程中，焊弧的自動(dòng)跟蹤性能良好，不會(huì)出現(xiàn)焊弧漂移，焊縫質(zhì)量能夠得到保證。

4   電纜外護(hù)套

高壓交聯(lián)電纜的外護(hù)套主要有兩種，聚氯乙烯和聚乙烯。按其密度或分子結(jié)構(gòu)不同，聚乙烯又分為低密度、中密度、高密度和線性低密度。與聚乙烯相比聚氯乙烯外護(hù)套的主要優(yōu)點(diǎn)是在較高環(huán)境溫度下電纜的彎曲性能好，與外表面半導(dǎo)電石墨涂層的粘附性強(qiáng)，阻燃性能也好。普通的聚氯乙烯護(hù)套的氧指數(shù)就能達(dá)到26左右，而且它是一種高填充物材料，加入大量阻燃劑后，其氧指數(shù)可以達(dá)到30以上。聚乙烯是一種非極性材料，作為電纜護(hù)套具有較強(qiáng)的防濕、防潮性能，絕緣電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚氯乙烯。聚氯乙烯護(hù)套的絕緣電阻較低，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中吸潮后會(huì)使絕緣電阻進(jìn)一步下降，甚至無法進(jìn)行直流電壓試驗(yàn)，這是高壓交聯(lián)電纜生產(chǎn)廠商十分警惕的。聚乙烯外套的不足之處是阻燃性能差，它是一種低填充物材料，在制造過程中很難加入大量的阻燃劑。即便是阻燃性的聚乙烯護(hù)套料，氧指數(shù)也達(dá)不到30，而且在燃燒過程中容易流淌，電纜在經(jīng)受IEC 332-3規(guī)定的成束燃燒試驗(yàn)時(shí)不容易合格。聚乙烯護(hù)套與其表面的半導(dǎo)電涂層的粘附性也較差，電纜在復(fù)繞、存放和運(yùn)行過程中均會(huì)有脫落現(xiàn)象。上述特點(diǎn)是聚乙烯護(hù)套的共性，聚乙烯護(hù)套的性能隨密度的變化也有所不同，尤其是機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性差異較大。低密度和線型低密度護(hù)套可以用于重量較輕的通信電纜，用于高壓交聯(lián)電纜時(shí)在敷設(shè)過程中容易受到機(jī)械損傷，這在國內(nèi)個(gè)別生產(chǎn)廠家是有深刻教訓(xùn)的。高密度聚乙烯護(hù)套雖然有良好的機(jī)械性能，但生產(chǎn)工藝不如中密度，表面質(zhì)量也沒有中密度優(yōu)良。所以說，聚乙烯護(hù)套用于高壓交聯(lián)電纜，中密度是最佳選擇。

5   金屬屏蔽層的接地及電纜敷設(shè)方式

電纜金屬屏蔽層或金屬套接地分為單端接地、雙端接地和交叉接地。單端接地是在電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地，另一端不接地或通過保護(hù)接地，在這種情況下，金屬屏蔽層對(duì)地之間有感應(yīng)電壓存在，感應(yīng)電壓與電纜的長度成正比，但無環(huán)流通過。這種接地方式僅適合長度較短的線路，也就是說電纜長度所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓不能超過安全電壓。雙端接地是將金屬屏蔽層的兩端均直接接地，在這種情況下，金屬屏蔽層中有環(huán)流通過，會(huì)降低電纜載流量，見表4。

表   4      不同接地方式的載流量

注：電纜為YJLW02，110平行直埋敷設(shè)。

從表4可以看出，雙端接地時(shí)電纜的載流量比單端接地或交叉互聯(lián)接地小得多，不僅造成資源浪費(fèi)，也造成能源損失。這種方式只是在特殊情況下采用，如電纜需要過江、海底以及受條件所限無法采用交叉互聯(lián)的場合。

交叉互聯(lián)接地是將金屬屏蔽層的一端直接接地，采用中間絕緣接頭和交叉互聯(lián)箱將三相電纜的金屬屏蔽層進(jìn)行換位連接，另一端通過保護(hù)接地或直接接地。在完全換位的情況下，金屬屏蔽層中無環(huán)流通過，兩端對(duì)地之間也無感應(yīng)電壓，每端電纜中間有感應(yīng)電壓，且換位處感應(yīng)電壓最高。交叉互聯(lián)接地與單點(diǎn)接地電纜的載流量相同，這種接地方式雖然適應(yīng)長線路，但應(yīng)根據(jù)最高允許感應(yīng)電壓確定相鄰兩個(gè)換位點(diǎn)之間的距離。

注：電纜為YJQ02，110KV；敷設(shè)條件：直埋、平行敷設(shè)。土壤熱阻系數(shù)1.2K·m/W，環(huán)境溫度25℃，敷設(shè)深度1m。

從表5可以看出，在上述敷設(shè)條件下，同一結(jié)構(gòu)的電纜當(dāng)金屬屏蔽采用單端或交叉互聯(lián)接地時(shí)，平行敷設(shè)排列的載流量高于三角形排列，金屬屏蔽層采用雙端接地時(shí)，三角形排列的載流量高于平行排列。將金屬屏蔽層的兩種不同接地方式和電纜的兩種敷設(shè)方式進(jìn)行組合，其載流量由高到低的順序?yàn)�；單端接地平行排列→單端接地三角形排列→雙端接地三角形排列→雙端接地平行排列。

6 電纜附件的熱性能

電纜附件是電纜線路中的一個(gè)重要部分，我們可以從電纜附件生產(chǎn)廠商提供的資料和試驗(yàn)報(bào)告中了解到電纜附件的電氣性能和機(jī)械性能，以電場強(qiáng)度作為電纜附件絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)也很經(jīng)典，而且IEC287以及各種教課書對(duì)電纜本體的熱性能均有規(guī)定和論述，但都尚未涉及到電纜附件的熱性能。實(shí)際上，電纜附件的結(jié)構(gòu)尺寸和材料都不同于電纜本體，其熱性能也必然不同。所以電纜附件制造廠商應(yīng)該向使用者提供電纜附件的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料及其特性，以便計(jì)算整個(gè)線路的載流量，或者由電纜的允許載流量推算電纜附件的溫升。

7 結(jié)束語

綜上所述，我們在選擇高壓交聯(lián)電纜或設(shè)計(jì)高壓線路時(shí)有必要關(guān)注這樣幾個(gè)問題：（1）從經(jīng)濟(jì)角度考慮，應(yīng)盡量采用鋁導(dǎo)體代替銅導(dǎo)體；（2）在選擇電纜的金屬護(hù)套時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用鉛護(hù)套或皺紋鋁護(hù)套；（3）對(duì)阻燃要求較高的場合選用聚氯乙烯外護(hù)套，對(duì)防潮、防濕、防腐要求嚴(yán)格以及護(hù)套對(duì)地絕緣電阻要求較高的場合應(yīng)選用聚乙烯護(hù)套；（4）從載流量的角度考慮，金屬屏蔽單端接地及平行排列敷設(shè)為最佳方案；（5）在高壓交聯(lián)電纜線路中應(yīng)考慮電纜附件的熱性能。

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