35 kV電纜導體的結構性能研究

程 沖

（福州地鐵集團有限公司，福建 福州 350009）

在城市軌道交通供電系統中，電力系統的110 kV高壓電通過110 kV電力電纜接入地鐵專用變電站，由地鐵110/35 kV主變壓器降壓至35 kV后，再通過主變電站35 kV母線實現向各個車站的穩定供電，且這種供電系統的供電主要網絡通過35 kv的交流電纜來實現車站沿線區域的供電效果。但供電過程中主干環網的電纜可靠性會影響到城市軌道交通供電系統整體上的穩定性，同時也會影響到整個軌道交通線路的安全穩定運行狀態。隨著電纜制造行業的發展，目前市面上的35 kV電纜規逐漸向300 mm2、400 mm2、500 mm2、630 mm2的大截面發展。電纜規格越大，用銅量也越多，隨著近幾年銅材價格的不斷攀升，造成軌道交通行業供電系統建設過程中，電纜造價占比大幅攀升。目前國內主流電纜生產廠家電纜產品材料成本均占比較高，材料成本中的銅導體更是占70%以上。為此，很多企業在電纜導體上通過多種工藝改進和創新，在滿足GB/T 3956-2008《電纜的導體》標準的前提下調整導體結構，例如改變了傳統的圓形緊壓導體結構，通過差異化導體結構的設計，促使導體在運行過程中取得預期的應用效果。具體來說，導體結構按照不同的形狀狀態，可進行進一步細分，但需要強調的是，應用過程中低壓電纜和高壓直流電纜，架空線路是導體結構架設的主要區域。應用在35 kV地鐵電纜上并不多見。文章通過對比現有35 kV電纜圓形壓緊、異性壓緊結構，分析結構優劣以及異形結構電纜在運行情況方面進行分析闡述。

1 圓形35 kV電纜優缺點分析

1.1 圓形緊壓導體的基本情況

電纜導體的作用及重要性：電纜導體主要承擔電流傳送的工作任務，當導體中有電流通過時，會產生一定的電流損耗，導體的溫度也會因此而有所上升，溫度上升會伴隨電阻的增大狀態。這時，導體的絕緣性能就會受到一定程度的影響，若導體溫度與絕緣材料的工作溫度承受范圍出現矛盾沖突，絕緣材料就會受到損傷，出現老化或功能發揮異常的現象。具體表現在外部形態上主要是絕緣層出現軟化變形的情況。若不及時采取措施進行處理，則會直接影響到相應的電纜在運行應用過程中的安全性，且電纜內部還有可能出現擊穿事故，最終導致導體的整體狀態和運行功能受到影響。

非緊壓圓形導體柔軟特性：主要是指在電纜的實踐應用中，為了提升其自身的柔軟程度和彎曲承受力，會通過電纜導體線芯的制作環節達到預期的要求。通常情況下，會通過多根小直徑單線進行絞合的方式構建電纜內部的主體結構，單線的線芯具有柔軟性能好且可彎曲的程度較大的優勢。在具體的制作過程中，可通過合理的單線數量選擇和制作工藝的應用，確保整體的導體結構柔軟性。

圓形緊壓導體工藝特性：這主要強調的是導體在圓形井壓的結構中是基于非緊壓圓形導體，通過單根導體正規絞合的方式形成具體的導體結構的導體與導體層之間的緊壓密實度也處在較高的水平層次上。單絲結構主要在導體層之間發揮作用。在具體的導體作用發揮時，導體總根數會影響絞合方式，同時絞合緊壓的方式也需要對減壓系數進行合理控制。通常情況下，若單次的導體根數小于19根時，采用同向絞合的方式進行緊固，而若整體的單絲總根數大于19根，則需要在最外層實現反向絞合，內層則應用同向攪合方式，這種構建方式具有穩定性強、加工操作便捷性高的特征。需要強調的是，在絞合操作的過程中，導體在經過圓形擠壓輪的過程會形成緊壓模具，以此來完成導體單絲的擠壓操作。另外，還需要對絞合導體之間的間隙進行合理控制。以此來減小導體絞合過程中的外徑區域面積，最終促使電纜的絕緣效果和護套材料的用量得到優化控制。通常情況下，緊壓圓形導體的適用范圍主要集中在低壓高壓電力電纜的架空絕緣設置中。

1.2 圓形緊壓導體存在的單絲間隙問題

雖然導體結構經過了減壓模型的擠壓過程，但緊壓系數也只達到90%的水平。這時，導體的單絲之間仍然存在間隙或縫隙的問題。導體在應用過程中若屬于規格范圍較大的狀態，則單絲在完成絞合和擠壓操作后，外表面的單絲會出現一定的凹槽問題。另外，若采用的方式為交聯三層共擠，則導體結構中的內屏蔽結構，會出現嵌入凹槽部分的情況，內屏蔽的厚度會因此受到影響。且這種缺陷由于更加具有細節性。因此，不易在初步出廠設置和檢驗環節及時被發現，但從實際的影響來說，內屏蔽的厚度不均勻會影響電纜的運行安全性，導致擊穿問題的發生率有所提高。所以，GB/T12706.3-2020中規定500 mm2及以上電纜導體表面應有半導電帶和擠出半導電層復合組成。

2 異形導體35 kV電纜優缺點分析

2.1 異形導體的基本情況

針對圓形緊壓導體外表面單絲與單絲之間還有細小凹槽的問題，可以用提高導體緊壓系數解決；但緊壓系數過高，導體絞合后相對硬度增加，直流電阻反而變大。所以，過分提高導體緊壓系數，不是最好的工藝方法。

異形緊壓導體絞合工藝，該導體具有以下特點：①表面更光滑，能夠促使電場水平更加均勻穩定，另外絕緣體的內外屏蔽層在結合緊密度上也更高，能夠避免尖端放電現象的出現；②經過絞合處理后，導體的外徑會有所縮小，從絕緣材料和護套材料應用的角度上來說，這有利于減少相關材料的應用量；③經過絞合處理后，單絲之間產生的縫隙相對較小部分情況下還可完全避免縫隙，這對于提高導體的阻水性能具有非常顯著的促進作用。因此，異形緊壓導體結構中的中壓電纜不僅能夠發揮出電氣系統運行的相關性能，也能夠通過電纜外徑的控制，縮小整體的生產成本。

異形緊壓導體絞合工藝要求很高，主要有：①異形線的導體設計需針對單層的單絲排布和整體結構進行針對性的控制和設計。并且要求單絲結構的分布呈現狀態保持穩定。在生產的過程中也要注重單絲獨立系統的形狀和絞合角度的選擇，絞合效果要達到緊密貼合的程度。另外，單絲翻身的問題也是需要杜絕的關鍵性問題。②導體絞合狀態的緊密度，以及減壓系數會上升到96%，另外單絲接觸面也能夠保證平整光滑，不出現凹槽問題。③導體穩定性相對更高，可適應于不同形狀截面的異形導體應用。

生產異形線絞合導體有兩種方式：首先是通過擠壓成型的方式形成異型線條結構，隨后通過絞合操作進行導體制作。其次是應用原單線通過擠壓成型的方式達到導體構件的目標。在前一種方法應用的背景下，擠壓成型的同時需進行退火操作，導體的截面減縮率也會因此而增大。另外，退火后導體內部單線的內部應力會相對更大。尤其是在導體規格較大的狀態下，高壓生產線的放線操作容易出現松散的問題。而后一種方式在實際應用的過程中會出現成型狀態和結構穩定性不足的現象。另外，若束絞工藝的整體范圍和導體規格處在相對更大的狀態下，則也容易出現絞合效果松散的問題。

基于此，應當首先完成拉絲異形單線的拉動，隨后再進行絞合導體的處理。這也是為了解決現有工藝應用中的實際問題。從應用優勢上來講，該導體成本低、結構穩定、不易出現生產工藝質量問題。

2.2 異形緊壓絞合制作工藝

制作順序的控制對于制作效果會產生非常直接的影響，在異形減壓絞合制作工藝的推進過程中，需結合實際控制工藝推進流程，并且采取針對性的措施，對減壓絞合制作工藝的效果進行優化控制，具體來說這個工藝包括以下幾方面基本流程。

銅桿→異形銅單絲拉絲→異形導體絞合→三層共擠交聯→銅帶（銅絲）屏蔽→擠包內護套→金屬裝鎧→擠外護套→測試→入庫。

以WDZC-YJY63 26/35 1×400、導體規格為銅芯400 mm2為例。異形導體單絲尺寸改變了國內常規圓形緊壓導體單線及絞合工藝，在滿足國標GB/T 3956-2008第2種絞合導體最小根數和電阻標準的前提下改成異形單絲絞合結構，此生產工藝流程不變，變的是拉絲拉制的不是圓銅線，而是根據不同規格經合理的異形（T形或瓦形）線，絞制時通過獨特的工藝，將異形單絲預先扭轉的角度及異形整形模具絞合成形。

以銅芯400 mm2的單絲尺寸為例：異形緊壓絞合導體中心位置單根圓形，單絲直徑∮2.86，內層T形單絲2.86（50T），鄰內層T形單絲2.86（120T），鄰外層T形單絲2.86（240T）， 外層T形單絲2.86（400T）。絞合根數為54根。絞合導體最外層絞向為左向，相鄰層絞向相反，絞合導體外徑為22.2±0.2 mm。絞合后導體實測截面371.3 mm2，導體緊壓系數為96%～97%，最后實測20 ℃導體直流電阻 0.0468 Ω/km，實測數據均符合GB/T 3956-2008標準要求。（注：T為內部標注的異形單絲的不同尺寸）

3 兩種導體結構優劣對比

3.1 圓形、異性導體技術參數對比

以630 mm2和400 mm2兩種緊壓圓形和緊壓異形導體規格為例，列出新舊工藝參數對比表1，從表中可以看出異形導體的材料節省比例。

表1 試制規格的工藝參數對比

3.2 異形導體的結構優勢

①根據圓形、異形壓緊工藝對比，異形導體緊壓系數達96%以上，相同規格導體外徑變小，成品電纜外徑平均小5%以上；②異形導體外表光滑無毛刺，單線間縫隙小，電纜局部的放電量相對較小，這能夠促使電纜產品的質量得到穩定性的保障，產品應用的狀態也會更加穩定，從宏觀上來講，這會優化產品的合格率，對質量問題進行有效地杜絕；③若導體的規格相同且穩定，則異形導體在單線應用的根數上相對較小，生產規格也對單線應用的需求量較低，這意味著電纜生產的整體效率會因此而得到提升。④異型線導體的單線拉線控制成型效果更加穩定，且異型的不同角度能夠更加緊密地形成合攏狀態，合攏時發熱總量較低，導體溫度變化較小電阻也會因此得到有效的控制，尤其是直流電的電阻值也會產生更小的波動，穩定性更強。

3.3 異形電纜運行優勢

①采用異形絞合導體的電纜，其導體單線間屬于面接觸，其接觸面大，接觸電阻小，電纜運行中的渦流損耗小，電纜發熱損耗就變小，更節能；②同樣規格的電纜外徑相比，外徑小，在相同環境敷設條件下的電纜間距變大，通電運行的散熱性更好，可以提高電纜運行載流量；③相比普通電纜外徑小了，電力通道預埋的管道也可以減小，電纜穿管敷設時可節約管道、橋架或電纜溝的空間，減少了電力項目投資；④異形絞合導體的外表面相比圓形緊壓導體更光滑、無毛刺，單線之間的縫隙小，相當于實芯導體，電纜的阻水性能更優良；⑤異形導體表面光滑，三層共擠的絕緣層、內外屏蔽與導體間組合更加緊密，大幅度減少電纜局部放電量，電纜運行故障率減少，可延長電纜使用壽命。

4 異形導體電纜的性能檢測

以我異形導體緊壓絞合技術35 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜為例（型號規格為：WDZC-YJY63 26/35 1×400），導體單絲間基本無間隙。經國家電線電纜質量監督檢驗中心進行的電纜抽檢全性能型式試驗情況來看，試驗結果符合GB/T 12706.3-2020標準和行業標準要求。

從試驗數據匯總表2進行分析，電纜通過了局放和耐壓等型式試驗，并進行了反復的彎曲試驗，試驗結果數據優良。試驗數據均符合標準要求，充分證明異形導體35 kV電纜的結構合理，性能可靠。

表2 電纜部分型式試驗數據匯總

5 應用及結論

①異形導體緊壓系數高，外表光滑無凹槽，單線間屬于面接觸，縫隙小，絞合合成的導體外徑小；結構更緊密，阻水性能更優。②電纜外徑小，散熱好，渦流損耗小，可提高電纜載流量；相比圓形緊壓的普通電纜，不僅可以減少地鐵項目投資，運行時更加節能。③異形導體中壓電纜不僅降低了電纜生產廠制造成本，還提高了產品質量。④隨著城市軌道交通的不斷擴大，35 kV電纜的用量將越來越廣泛，異形緊壓導體結構的電纜應用也將成為一種趨勢。