特種防水饋電電纜的研制

摘 要：在特種防水饋電電纜的服役條件及失效分析的基礎上，提出了電纜總體結構設計，導體、絕緣、屏蔽、護套等結構層材料的選用及生產工藝優化，阻水、阻燃及防老鼠、白蟻咬等性能表征及技術措施，研制出了一種高性能的特種防水饋電電纜。結果表明：研制的ZCFSFY-YJLSY-Z特種防水饋電電纜能滿足高速磁浮交通系統使用性能要求，可替代同類進口產品，而價格卻明顯降低。

關鍵詞：特種饋電電纜 結構設計 防水技術

中圖分類號：TM8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-000-03

近年來，國內各大城市的軌道交通及沿海地區的船舶制造業發展迅速，使得各類特種饋電電纜的需求量迅速增長。如在磁懸浮系統中，電纜的使用長度約為磁懸浮線路長度的30倍，使用量大，約占磁懸浮列車總投資的3%左右[1]。由于特種饋電電纜使用環境特殊，對電纜的防水、阻燃、耐高溫、抗拉強度等性能均有特殊要求，目前世界上僅有國外的耐克森等幾家大型公司可以生產，國內同類產品雖然在電纜絕緣、護套料的阻燃及耐高溫方面已經基本能滿足使用要求，但其防水技術與國外相比仍有較大差距。

因此，上海磁懸浮項目投入使用后，其所需電纜全部依賴進口，大大增加了磁懸浮列車的運行成本[2]。該文試圖通過對磁懸浮列車用特種防水饋電電纜的國產化研究，在滿足使用性能的基礎上，降低生產成本1/3以上，以滿足國內磁懸浮系統的發展需求。

1 特種防水饋電電纜的防水結構的作用及機理

磁懸浮推進系統由一個工作電壓高達24 kV電壓電源供電，其雷電沖擊耐受水平高達±125 kV，其電流負載為330～520 A，頻率為0～300 Hz。饋電電纜在工作期間須承受瞬時（1s）22.5 kA短路電流；在敷設期間，由于復雜的地理因素，須承受拉伸、彎曲等應力；在近地區域，須承受水、氣等環境介質的浸蝕；埋地敷設時，需考慮生物防鼠防白蟻措施。在運行期間，為了列車的通訊安全，不能對列車的通訊系統產生干擾。

常見的失效形式有老化、滲水、擊穿等。基于此種特殊的服役條件，要求饋電電纜能承受瞬時5.2 kA/s的短路屏蔽容量、高屏蔽性及超強的防水性能（電纜須經10次加熱循環，加熱溫度從常溫開始升溫至95～100 ℃，持續時間80 h，水頭維持1 m高情況下，試樣兩端無水滲出）。絕緣層需要高的徑向彈性性能、導體層需要高彎曲和成型特性（最小15 d彎曲半徑）此外，由于列車高速運行，其可靠和安全性能尤為重要，要求產品須通過36 kV電壓，持續4 h絕緣無擊穿現象。

2 特種防水饋電電纜的結構設計

特種防水饋電電纜的結構見圖1所示。根據特種防水饋電電纜的服役條件及技術要求，設計各層其結構功能如下。

2.1 導體結構

絞合緊壓圓形鋁導體是電纜主體載流部分，要滿足電流負載為330～520 A，系統頻率為0～300 hz；電纜導體連續負荷的長期工作溫度達90 ℃，并需要在工作期間能承受瞬時（1s）22.5 kA短路電流。

2.2 阻水結構

目前阻水導體有以下幾種生產方法：導體內部各層間涂敷阻水粉、導體內部各層間纏繞阻水紗、導體內部各層間縱包阻水帶、或者幾種方法混合使用。

導體內部涂敷阻水粉時，阻水粉本身就不易黏附在導體層上，再加上生產時導體的抖動而更容易造成阻水粉脫落，降低阻水能力，另外阻水粉脫落到設備上容易損傷設備；導體內部纏繞阻水紗時，需要特制繞包設備，提供繞包動力裝置，阻水能力比無阻水紗全面涂覆或阻水帶全面包覆效果好；導體內部縱包阻水帶時，使用簡單方便，阻水效果好，但就是因為縱包容易漏包而降低阻水能力，導致產品不合格。

本產品采用一種用于生產縱向阻水的特殊裝置，其結構見圖2所示。

由圖2可見，在絞線機的絞籠筒體的內圈上安裝有一卷棉紗，棉紗另一側纏繞在縱包阻水帶上，使縱包阻水帶緊密帖服在導體外表面。此結構同樣可以包覆在絕緣層和屏蔽層，起到三重防水作用。

與其他防水結構相比，該結構特點是在不增加任何附加設備的情況下，可以確保電纜采用阻水帶縱包而不漏包。

2.3 半導體屏蔽、XLPE絕緣、絕緣屏蔽三層共擠結構

通過CCV懸鏈式交聯電纜生產線將導體屏蔽、XLPE絕緣（防水樹絕緣材料）、絕緣屏蔽三層高分子材料一次性擠出成型，這種擠出方式使絕緣與屏蔽層間結合緊密，無污染，避免因絕緣和屏蔽間氣隙產生的氣隙放電，但缺點是偏心不易調整，因此在制造過程中采取“EHT近端熱處理技術”及上下牽引同步旋轉方式保證絕緣偏心度在5%以內[3]。

2.4 銅絲及銅帶屏蔽結構

與普通中壓電纜結構不同，磁懸浮電纜無法使用普通的銅帶屏蔽，而需使用銅絲銅帶組合屏蔽結構。他的優勢在于避免了銅帶屏蔽因接觸面產生氧化以及在彎曲、冷熱后變形時接觸電阻增加，限制了短路容量的大小的問題[4]；并且銅帶屏蔽時電流不是沿軸向流動，而是繞軸心成螺旋流動，容易引起電感，從而導致感應電動勢增加。因此本產品采用銅絲銅帶反向疏繞結構。以防止感應電動勢過大，同時也保證了屏蔽層在受熱膨脹時不產生滑動。并且銅絲屏蔽結構產品具有良好的彎曲性能及耐拉伸性能，并且在屏蔽層前后繞包防水層作為綜合護層。以滿足產品阻水需求。

2.5 HDPE護套（高阻燃防鼠防蟻高密度聚乙烯護套）

外護套是磁懸浮電纜的另一個多功能元件，它應滿足電氣、機械、化學、抗生物蝕咬、阻燃和防水高要求：

（1）首先滿足防水要求，這也是我們重點進行防水技術研究的原因之一；

（2）護套材料中增加環保型防鼠蟻蝕咬添加劑；

（3）磁懸浮電纜暴露在大氣中，因此需耐受許多環境和化學因子影響；

（4）護套必須具有阻燃性。

3 防水饋電電纜的試制

3.1 防水饋電電纜的工藝流程

3.2 防水饋電電纜的線芯材料

電纜中導體線芯的作用是傳送電流，為了減少線路損耗和電壓降，一般采用高電導系數的金屬材料來制造電纜的線芯。同時還應考慮材料的機械強度、價格、來源是否合適，綜合比較后，一般采用銅和鋁來作為電纜的線導體。本產品采用圓形緊壓鋁導體，并逐層絞入阻水紗。圓形緊壓結構導體電場均勻[5]，且有良好的可曲度和柔軟性，相較于非緊壓結構直徑更小。阻水紗經過緊壓后不間斷性地嵌入金屬線股之間的空隙內，進而形成連續性的“水堵”。使整根導體的連續長度上，不間斷地用阻水材料填充導體內部所有的縫隙，形成連續的導體阻水結構，完全杜絕導體縱向進水。

3.3 防水饋電電纜的屏蔽材料

半導電屏蔽層是防水饋電電纜絕緣體系的重要組成部分，其主要作用是防止導體及屏蔽層的金屬離子擴散到XLPE絕緣中去而引發水樹枝和電樹枝，從而影響電纜壽命。因此要求其除具有低的電阻率要求外，還應具有例子雜質含量低，擠出加工后形成的界面光滑等特性。

因此我司在生產該產品時選用美國DOW化學的半導電屏蔽料來滿足產品特性要求。

3.4 防水饋電電纜的絕緣材料

電力電纜絕緣的質量和絕緣水平，決定了電纜的使用壽命。設計絕緣厚度首先要分析電纜絕緣內的電場分布，一般以最大場強作為設計依據，然后要考慮電力電纜在運行中所承受的各種電壓及絕緣材料擊穿的統計規律，還要考慮絕緣的機械強度和工藝性能等。

根據饋電電纜絕緣中的局部放電是其劣化的主要因素，而電纜交聯聚乙烯絕緣劣化的主要形式是絕緣內部放電導致的樹枝化，因此電纜的絕緣材料應潔凈、具有優良的耐電暈性和抗水樹性。確定采用耐受樹枝化性能更好的特種交聯聚乙烯作為國產饋電電纜絕緣。

該特種交聯聚乙烯料是在常規交聯聚乙烯絕緣中加入樹枝抑制劑，從而獲得所需的耐樹枝性能。為此經過多方對比選用美國DOW公司的防水樹型交聯聚乙烯絕緣材料進行試制[6]，在高壓變頻電源上完成絕緣料的耐樹枝性能試驗，通過普通材料與防水樹材料的樹枝增長長度對比得出本項目使用的防水樹絕緣料具有明顯的耐受高頻交流電壓下水樹枝的性能[7]。

3.5 特種饋電電纜的護套材料

外護套是特種饋電電纜的另一個多功能元件，它應滿足高電氣、機械、化學和防水和生物防白蟻、防鼠及阻燃措施等要求，采用HDPE材料（高阻燃防鼠防蟻高密度聚乙烯護套），其分子鏈具有更少的支鏈結構，且支鏈更短，分子鏈排列整齊，分子鏈間距離小，分子鏈間作用力大。

因此具有以下基本性能：材料密度較高，結晶性好，結晶度大，分子層間作用力大，拉伸強度等機械性能更優異，耐化學腐蝕性能好。但由于其熔體流動性、材料柔韌性略差，對材料的加工性能有更高的要求。另外材料本身添加防鼠防蟻助劑，并保證氧指數達38以上，以滿足特殊需求。

4 特種饋電電纜的性能檢測

試制的10 km的ZCFSFY-YJLSY-12/20 1×240/35特種防水饋電電纜，其樣品經國家電線電纜質量監督檢驗中心及廣東產品質量監督檢驗研究院檢驗，其電性能、機械性能、阻水性能、防鼠防蟻試驗以及燃燒試驗均符合特種饋電電纜的技術要求[8]。

5 結語

經過對防水饋電電纜的結構以及電纜制造工藝技術的研究，已經形成完整的防水饋電電纜技術規范。依據技術規范完成了防水饋電電纜成品的試制工作，并對特種饋電電纜樣品進行了全性能驗證和可靠性試驗驗證，通過對試驗結果的分析，證實磁懸浮饋電電纜具有預計的可靠性。目前，試制的10 km防水饋電電纜已送某設計研究院并安裝在磁懸浮實驗線路上運行，經半年使用后其各項性能數據滿足磁懸浮列車運行要求。此外，除軌道交通系統外，該電纜還可以應用于船舶制造及采用變頻調速的大型電機、變壓器繞阻等特殊場合，應用前景廣闊[9]。

參考文獻

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[2]楊建勇，連級三.磁懸浮列車定位測速及數據傳輸方法研究[J].鐵道學報，2001，8（1）：2-12.

[3]劉子玉.電氣絕緣結構設計原理[M].機械工業出版社，1981：38-43.

[4]陳仲民，程振杰.電線電纜偏心度的在線測量技術[J].南京郵電學院學報，1995，9（3）：15-22.

[5]謝鵬，王善銘，王祥，等.三繞組諧波屏蔽變壓器的研究[J].電工電能新技術，2005，24（2）：42-43.

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[7]Campus A，Ulrich M.20 years experience with copolymer power cable insulation[C]，Jicable，2004：83-86.

[8]許瑞生，劉文彪，寥強.電氣設計中的諧波影響有其抑制技術分析[J].電氣技術，2008，16（7）：43-45.

[9]王志鵬，袁登科.上海高速磁懸浮地面牽引供電系統[M].變頻器世界，2004，8：101-103.