35kV城市軌道交通用電力電纜的設(shè)計(jì)

黃 海

（湖南省電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，湖南 衡陽 421001）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，作為城市公共交通系統(tǒng)重要組成部分的城市軌道交通也進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期。未來5～10年間，中國城市軌道交通運(yùn)輸及其設(shè)備制造市場(chǎng)前景廣闊，預(yù)計(jì)至2016年我國將新建軌道交通線路89條，總建設(shè)里程為 2500km，投資規(guī)模達(dá) 9937.3億元。這也為在城市軌道交通供電系統(tǒng)中將 110kV主變電所的電源輸送到各個(gè)牽引、降壓變電所的35kV電力電纜提供了廣闊的市場(chǎng)。

1 電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于城市軌道交通的環(huán)境多為人口密集的地下，一旦發(fā)生事故，救援難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地面，對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求。電力電纜作為傳輸電力的載體，如果沒有特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，會(huì)成為安全隱患。結(jié)和我國城市軌道交通招標(biāo)需求和國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)用于城市軌道交通的 35kV電力電纜的總體結(jié)構(gòu)做如下設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)見圖1）。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)圖

1）電纜選擇使用單芯銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，有助于增加電纜的載流量，提升系統(tǒng)負(fù)荷，并能夠減少電纜絕緣故障時(shí)發(fā)生相間短路。此外，單芯結(jié)構(gòu)減輕了單根電纜的重量，增加了裝盤長(zhǎng)度，方便運(yùn)輸和施工。

2）電纜所使用的材料均為低煙、無鹵、阻燃材料，并設(shè)計(jì)有隔火層，滿足阻燃A類的要求，且能避免發(fā)生火災(zāi)時(shí)電纜燃燒時(shí)釋放大量煙霧和有毒氣體，妨礙疏散和救援，以及酸性氣體對(duì)人和設(shè)備造成傷害。

3）由于電纜多敷設(shè)于地下和管道中，經(jīng)常被水浸泡，為避免水分侵入絕緣形成水樹，影響電纜壽命，電纜設(shè)計(jì)有防水層。

1.2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜的導(dǎo)體采用絞合緊壓圓形銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體用銅線符合GB/T 3953-2009規(guī)定，導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和直流電阻符合GB/T 3956-2008的規(guī)定。

導(dǎo)體的絞合緊壓在設(shè)有除塵裝置框絞機(jī)上進(jìn)行，生產(chǎn)時(shí)能有效清除導(dǎo)體表面的銅灰及銅屑。為確保導(dǎo)體圓整、表面光滑，可采用納米金剛石復(fù)合涂層拉模。為提高導(dǎo)體的緊壓系數(shù)，緊壓工序采用分層拉模緊壓，減少了導(dǎo)體的絞合效應(yīng)和導(dǎo)體損耗，在機(jī)械性能上使導(dǎo)體彎曲性能更加優(yōu)良。

1.3 電纜絕緣的確定

GB/T 12706.3-2008中35kV電纜的額定電壓U0有21kV和26kV兩種。其中，21kV的電纜適用于A類和B類，即單相接地故障在任何情況下于1min內(nèi)迅速排除的系統(tǒng)（A類）和僅包括單相接地故障短時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)，一般接地故障持續(xù)時(shí)間在1min～2h之間，個(gè)別情況在2～8h之間（B類）；26kV的電纜則適用于C類。

因此，絕緣采用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）材料，U0為26kV，絕緣標(biāo)稱厚度為10.5mm。能夠避免因城市軌道交通供電系統(tǒng)接地故障不能立即自動(dòng)解除，造成電纜絕緣承受過高的電場(chǎng)，縮短電纜的使用壽命。

電纜的絕緣材料和半導(dǎo)電屏蔽材料選用進(jìn)口材料。雖然國產(chǎn)材料在價(jià)格和供貨及時(shí)性方面有一定優(yōu)勢(shì)，但產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量的穩(wěn)定性與國外進(jìn)口材料還是有一定差距，很多電纜料企業(yè)缺乏技術(shù)和檢測(cè)手段。尤其是國產(chǎn)材料均為普通材料，進(jìn)口材料則為超光滑材料。衡量材料光滑性的一個(gè)重要指標(biāo)就是粒結(jié)，粒結(jié)是指很小的凸起，其高度至少要比其周圍的粗糙程度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且粒結(jié)應(yīng)該是單獨(dú)出現(xiàn)的，而且其數(shù)量也是有限的，粒結(jié)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)強(qiáng)度過高，影響電纜的使用壽命。超光滑料與普通料的粒結(jié)個(gè)數(shù)的比較見表1。

表1 超光滑料與普通料的粒結(jié)個(gè)數(shù)

1.4 電纜的金屬屏蔽設(shè)計(jì)

GB/T 12706.3-2008規(guī)定電纜的金屬屏蔽層可以采用銅帶屏蔽和銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)，但考慮城市軌道交通中電纜在不同故障下的短路容量，招標(biāo)需求要求金屬屏蔽層截面不小于16mm2。因此，金屬屏蔽層采用銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)，由疏繞的軟銅線組成，在表面反向間隙繞包一層軟銅帶扎緊，疏繞銅絲的平均間隙不大于4mm。屏蔽銅絲的直徑為0.8mm。其他常用的銅絲屏蔽截面還有 25mm2、35mm2、50mm2等，不同截面的允許短路電流如圖2所示。

圖2 銅絲屏蔽截面的短路電流

但疏繞的銅絲很容易在生產(chǎn)和使用中勒進(jìn)絕緣屏蔽層，影響絕緣線芯外觀，造成電纜局部放電量增大甚至超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電纜擊穿。為了避免銅絲疏繞對(duì)絕緣線芯的損傷，設(shè)計(jì)時(shí)可以采用兩種方法：一是在絕緣線芯外繞包1～2層厚度約為0.2mm的半導(dǎo)電尼龍帶，二是在三層共擠工序增加絕緣屏蔽層厚度，將厚度由通常的 0.6mm 增加到 1.0～1.2mm。

銅絲疏繞屏蔽截面S的計(jì)算公式為

式中，n為疏繞銅絲的根數(shù)；d為疏繞銅絲單絲直徑，單位為mm。

該公式不計(jì)疏繞銅帶的截面和疏繞銅絲的絞入率。

1.5 電纜防水層設(shè)計(jì)

在南方雨水較多或地下水豐富的地區(qū)，敷設(shè)在地下的電纜容易被水浸泡，外界的水分會(huì)逐漸滲透到電纜內(nèi)部，在絕緣層滋生水樹，水樹會(huì)在電場(chǎng)的作用下，隨著時(shí)間而不斷生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致絕緣的擊穿，從而過早結(jié)束電纜的使用壽命。因此，城市軌道交通用電纜需要有徑向防水結(jié)構(gòu)。

電纜防水層的設(shè)計(jì)采用鋁-塑綜合結(jié)構(gòu)，即在金屬屏蔽層上縱包一層厚度0.25～0.3mm的鋁塑復(fù)合帶并擠包低煙無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套。采用這種結(jié)構(gòu)比單一聚乙烯護(hù)套防水層的水密性高出了很多，當(dāng)擠包聚烯烴護(hù)套時(shí)，由于聚烯烴融體高溫和壓力的作用，鋁塑復(fù)合帶表面的薄膜與聚烯烴護(hù)套的內(nèi)表面得以很好地粘結(jié)；同時(shí)鋁塑復(fù)合帶縱包之間的搭蓋也獲得良好的粘結(jié)。從而完全堵塞了水分（氣）滲入電纜的途徑，達(dá)到良好的阻水效果。在生產(chǎn)時(shí)需要專門的縱包設(shè)備，要求鋁塑復(fù)合帶縱包緊密圓整、無“荷葉邊”，鋁塑復(fù)合帶的搭接處粘結(jié)完整密實(shí)，搭接處的重疊不小于6mm為宜。

擠包的低煙無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套不僅起到防水的作用，還作為高阻燃層提高電纜的阻燃性能。

1.6 電纜金屬鎧裝層設(shè)計(jì)

城市軌道交通用電纜需要有金屬鎧裝層來抵抗一定外力對(duì)電纜的傷害和防止老鼠、白蟻對(duì)電纜的破壞，同時(shí)，金屬鎧裝層也能提高電纜的阻燃性能。

單芯電纜的金屬鎧裝層必須使用非磁性材料，以避免磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦流造成電纜嚴(yán)重發(fā)熱。常用的非磁性金屬帶材料有非磁性不銹鋼帶和軟銅帶。由于銅帶比不銹鋼帶軟，用銅帶鎧裝的電纜的彎曲性能較好，施工中也便于敷設(shè)，一般比較常用。

電纜設(shè)計(jì)軟銅帶的厚度為0.12mm，采用單層重疊繞包方式，重疊率不小于20%。

1.7 電纜隔火層設(shè)計(jì)

為提高阻燃性能，隔火層結(jié)構(gòu)由常用的擠包高阻燃隔氧層材料，改為重疊繞包一層厚度為0.4mm的陶瓷化硅橡膠帶，這種材料在 350～3000℃火焰或無焰條件下可以被燒成陶瓷狀鎧裝，結(jié)殼性能好，具有良好的防火耐火性能和優(yōu)異的阻燃性能。

與擠包隔氧層材料相比，繞包陶瓷化硅橡膠帶還能顯著減小電纜成品外徑，減輕電纜重量，增加電纜的彎曲性能。

1.8 電纜外護(hù)層設(shè)計(jì)

電纜的外護(hù)層采用黑色的低煙無鹵阻燃聚烯烴材料擠包，在配方中加入了對(duì)人體和環(huán)境無毒無害的防白蟻化學(xué)添加劑。黑色的外護(hù)層還可滿足電纜對(duì)防紫外線的要求，延長(zhǎng)電纜露天敷設(shè)時(shí)護(hù)套的使用壽命。

電纜的外徑大于老鼠的張口直徑時(shí)，電纜不會(huì)被咬傷，反之，則電纜很容易被咬傷。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電纜直徑在40mm以上時(shí)，電纜沒有被咬傷痕跡。35kV城市軌道交通用電力電纜的外徑均大于40mm，一般不易受老鼠啃咬。因此，外護(hù)層材料中無需特意添加驅(qū)鼠劑。

2 結(jié)論

35kV城市軌道交通用電力電纜的主要性能指標(biāo)見表2，具有無鹵、低煙、阻燃A類、防水、防鼠、防白蟻的性能，完全能夠滿足城市軌道交通使用的要求。

表2 電纜的主要性能指標(biāo)

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