高壓及超高壓XLPE絕緣電纜金屬套工藝特點

王福志， 楊 娟

(浙江萬馬集團有限公司，浙江 臨安311305)

0 引言

改革開放以來，電力電纜的應用日益廣泛。到目前為止，110 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜(以下簡稱交聯電纜)已經基本國產化，220 kV交聯電纜50%以上也采用了國內產品。多年來，無論是電纜用戶還是制造商，對于電纜的結構和性能，都積累了相當豐富的寶貴經驗。高壓、超高壓交聯電纜的防水問題越來越引起人們的關注，為了防止交聯聚乙烯絕緣水樹的產生，通常采用金屬護套作為徑向防水層。2002年頒布的110 kV交聯電纜國家標準GB/T 11017-2002和220 kV交聯電纜指導性文件GB/Z 18890-2002都對電纜的金屬護套結構做了詳細規定。

1 金屬護套種類及特點

高壓、超高壓電力電纜金屬護套按原材料不同可分為皺紋鋁套、鉛套、皺紋銅套、皺紋不銹鋼套，按生產工藝的不同可分為縱包焊接金屬套、擠包金屬套和綜合護套。縱包焊接金屬套包括縱包焊接皺紋鋁套、縱包焊接皺紋銅套和縱包焊接皺紋不銹鋼套;擠包金屬套包括擠包皺紋鋁套和擠包鉛套;綜合護套是指鋁/塑復合帶縱包與聚乙烯粘結結構。

由于鉛的密度大，鉛包層重量約占電纜總重的40% ～50%，使得電纜的重量大大增加，而鉛的資源稀少且有毒，不利于環保，因此，目前國內很少采用鉛作為電纜的金屬護套，一般只有海底電纜和傳統的充油油紙絕緣電力電纜采用鉛套結構。

歐洲發達國家對電纜結構的設計與我們有很大差異，他們通常采用鋁/塑復合帶縱包與聚乙烯粘結護層作為高壓、超高壓交聯電纜的徑向防水層。這種類型的電纜結構緊密，工藝簡單，一般無需在徑向防水層下面設置縱向防水結構，但是由于鋁/塑復合帶縱包熱風焊接存在一個重疊的焊縫，國內的電纜用戶不易接受這種結構。

銅套和不銹鋼套在國內很少應用，國際上只有美國、日本等少數國家具有一定的生產規模和較成熟的生產經驗。

在國內大量使用的高壓、超高壓交聯電纜大多采用皺紋鋁套。皺紋鋁套具有如下幾個優點:

(1)鋁資源豐富，占地殼重量的7.58%，在金屬元素中居第一位;

(2)鋁的密度小，可使電纜的重量大大減輕，有利于電纜的制造和安裝;

(3)鋁的機械強度比鉛大得多，皺紋鋁套用鋁的抗拉強度為68 MPa，是鉛的6倍(鉛套的抗拉強度為11 MPa)，因此，皺紋鋁套的機械抗壓性能很好，采用皺紋鋁套作為交聯電纜的徑向防水層還可以免去鎧裝結構;

(4)鋁的導電性能優良，在金屬元素中鋁的導電率僅次于銀、銅、金，居第四位。因此，金屬套損耗也相對比較小，而且皺紋鋁套的散熱性好，使電纜的載流量大大增加。皺紋鋁套還能夠承受相當大的短路電流，該結構電纜一般無需設置銅絲屏蔽，大大降低了電纜的制造成本。

皺紋鋁套也有相應的缺點:

(1)鋁元素比較活潑，容易出現電化腐蝕，一般皺紋鋁套的表面需要涂覆一層電纜瀝青或熱熔膠作為防腐層，或者采用表面鈍化處理。

(2)由于鋁容易氧化生成Al2O3薄膜，而這層薄膜的熔點在2000°C以上，且比鋁輕，造成焊接困難，因此皺紋鋁套電纜接頭相對比較困難一些。

(3)鋁的線性膨脹系數(2.4×10－5℃－1)約為交聯聚乙烯(2.2 ×10－4°C－1)的 1/10，皺紋鋁套內必須留有足夠的間隙來吸收絕緣膨脹，以免絕緣膨脹后在絕緣表面留下波紋的凹痕。因此，一般都在皺紋鋁套下面設置一層縱向防水層(緩沖層)來彌補這一缺陷。

基于皺紋鋁套機械強度高、導電性能好、密度小等優點，國內用戶很喜歡使用該類型的電纜，因此，皺紋鋁套電力電纜在國內得到了長足的發展。目前，皺紋鋁套的被覆存在兩種成熟工藝——擠包工藝和縱包焊接工藝。這兩種工藝在國內平行發展，在市場競爭中也是相互爭論的焦點，下面就這兩種工藝的特點和各自的優缺點做詳細描述。

2 皺紋鋁套兩種被覆方式的工藝特點

2.1 擠包皺紋鋁套

擠包皺紋鋁套是在液力活塞壓鋁機上進行的，壓鋁機可分為兩大類型:臥式壓鋁機和立式壓鋁機。兩種壓鋁機工作原理都是間歇式的，由于活塞的往復運動，擠壓出來的鋁管隨著供料間歇而呈非連續狀態。擠包皺紋鋁套是將鋁錠在壓鋁機盛鋁筒內加熱到510°C左右，通過活塞推動壓芯，將半固態鋁通過模具形成鋁管，然后冷卻，再經過軋紋形成皺紋鋁套。

兩種壓鋁機的設備組成見圖1和圖2。

圖1 臥式壓鋁機主體示意圖

圖2 立式壓鋁機主體示意圖

圖1 為臥式壓鋁機的主體示意圖。鋁套是由兩個壓芯所擠壓的兩路鋁流而形成的，兩路鋁流合并，就在鋁套上部和下部形成兩條沿電纜的縱向接縫。為了使接縫吻合，必須保證鋁非常純凈。如果氧化鋁等雜質進入接縫中，將會造成接縫斷開。由于氧化鋁密度比鋁小，通常浮在上面，因此上面的接縫容易斷開。

為了保證鋁層均勻，臥式壓鋁機的兩個活塞必須嚴格同步，所以臥式壓鋁機的結構非常復雜。

圖2 為立式壓鋁機的主體示意圖。立式壓鋁機的特點是在模具座工作室里面的鋁只從上面受到壓力，所得到的鋁套只在下面有一條接縫。另外，氧化鋁等雜質浮在盛鋁筒的表面，很容易被清除。很顯然，立式壓鋁機的性能比臥式壓鋁機優越得多。但是，由于立式壓鋁機中的鋁受的是單向壓力，造成模芯和模套之間環形孔四周的壓力不均勻，影響鋁層厚度的均勻性，需在模套前加設均壓環來補償不均勻壓力。

鋁的熔點為658℃，如果采用液態擠壓將會使壓鋁機的盛鋁筒、模具座等部件壽命降低，通常采用半熔態擠壓。但是，為了保證擠壓成形，盡量降低擠出壓力，壓鋁時壓鋁機的盛鋁筒和模具的溫度在510°C左右，此時壓鋁機的壓桿上的壓強為850～900 kPa。因此，壓鋁機的擠壓系統不僅要耐受高溫，還要有很高的機械強度。

擠包鋁套最大的弊病就是容易燙傷絕緣線芯，為了防止燙傷，需要在模芯內加裝冷卻水套。即便如此，絕緣線芯也不能夠長時間停留在模芯內。絕緣線芯在模芯內停留時間不超過40 s是安全的，如果出現意外停機，應將絕緣線芯及時繞到電纜盤上，避免因停留時間過長而燙傷絕緣。

2.2 縱包焊接皺紋鋁套

縱包焊接皺紋鋁套是采用壓延軋制的鋁板經過剪邊、縱包、氬氣保護焊接、冷卻、軋紋，形成皺紋鋁套(見圖3)。

圖3 鋁縱包設備主體示意圖

縱包焊接皺紋鋁套的原材料是經過壓延軋制的鋁板，鋁板厚度均勻、內部晶格排列整齊，縱包焊接皺紋鋁套具有很好的機械性能，不存在變形現象。該工藝最引人關注的是焊縫質量，歐美發達國家大力發展縱包焊接皺紋金屬套設備主要是改進焊接工藝，目前國內的氬氣保護焊接(簡稱氬弧焊)技術已經相當成熟，而且各廠家都在不斷地更新換代，相繼出現了雙焊槍焊接、多焊槍焊接和激光焊槍焊接等新型焊接技術，焊縫質量已經有了強有力的保證。文獻［1］對氬弧焊技術進行了詳細論述，并通過試驗證明焊接時絕緣線芯表面溫度最高僅69°C，不存在燙傷絕緣的現象。

2.3 兩種工藝控制要點

皺紋鋁套擠包工藝和縱包焊接工藝在我國平行發展，都有各自的特點，因此成了各生產廠家相互爭論的焦點。從高壓、超高壓交聯電纜的電性能來看，兩種工藝沒有任何區別，均能滿足產品要求。

擠包皺紋鋁套在壓鋁機上進行，壓鋁機無論是臥式還是立式，其工作原理都是間歇式的。如果鋁錠和鋁錠之間的界面處理不好，將會出現夾雜、氣孔等現象，嚴重的會造成橫向斷裂。臥式壓鋁機出來的鋁管存在上下兩個合縫，立式壓機鋁出來的鋁管存在一個合縫，在生產時應嚴格控制模具溫度(一般不能低于500°C)，并保證鋁錠純度。一旦有雜質混入或有氧氣侵入形成氧化鋁，鋁套的合縫很容易裂開，將會嚴重影響產品質量。此外，擠包鋁套時不能讓絕緣線芯在壓鋁機內長時間停留，意外停車時應立即將絕緣線芯繞到盤具上，避免燙傷絕緣。

縱包焊接工藝簡單、能耗小是其最大特點，焊縫質量的穩定是各生產廠家應該關注的問題。雖然目前國內的焊接技術已經成熟，但是對鋁板、氬氣等原材料的質量應嚴格加以控制。

無論是擠包皺紋鋁套還是縱包焊接皺紋鋁套，都應在生產線上加裝在線探傷監測裝置，實時監控鋁套的擠包或縱包質量。

3 結束語

金屬套在高壓、超高壓交聯電纜上的應用將會越來越普遍，皺紋鋁套的工藝也將會進一步得到發展。由于擠包皺紋鋁套是在500～600°C下擠出，對電纜的絕緣是否有影響有待進一步研究。美國電纜標準AEIC CS 7-93中建議采用皺紋焊接鋁套，縱包焊接皺紋鋁套能耗小，工藝控制簡單，產品質量容易保證。我國正在建設節約型社會，走可持續發展道路，因此縱包焊接皺紋鋁套工藝是我們國家高壓、超高壓電纜領域今后的發展方向。

［1］吳長順，向宇龍，曹曉瓏，等.110 kV、220 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜皺紋鋁護套氬弧焊技術的研究［C］//中國電工技術學會電線電纜專委會2001年會論文集.2001.

［2］王書勇主編.金屬護套制造工藝學［M］.上海:機械工業職業技能鑒定指導中心，2001.