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高壓交聯聚乙烯絕緣電纜的選擇

　　[摘要]：本文對高壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜的有關問題進行了討論，對電纜導體、金屬屏蔽層或金屬護套、外護套等選擇進行了比較，也對金屬屏蔽層的接地和敷設方式進行了分析和討論。

關鍵詞：高壓電力電纜 交聯聚乙烯絕緣 導體 金屬護套外護套 屏蔽接地 敷設
1 引言
交聯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，被廣泛得到使用。其制造技術從低壓到高壓，從小截面到大截面，從普通結構到阻燃，從過氧化物交聯、硅烷交聯到輻照交聯均已日趨成熟。上世紀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交聯電纜，90年代初上海電纜廠開始用立式交聯工藝生產110KV交聯電纜，鄭州電纜（集團）股份有限公司在試制成功110KV交聯電纜后，1996年首次用立式全干法工藝生產的220KV交聯電纜通過兩部鑒定，填補國內空白，相繼已有十多條生產線具備高壓交聯電纜的生產條件。實際上國內高壓交聯電纜的應用還要超前于電纜的制造�？梢哉f高壓交聯電纜的批量使用促進了制造行業(yè)的技術進步，而制造技術和工藝裝備的發(fā)展又不斷滿足了電力工業(yè)的需要。目前，國產110KV和220KV高壓交聯電纜的制造技術已基本接近當代世界先進水平。在進一步加強企業(yè)內部管理，穩(wěn)定產品質量，合理選擇電纜種類和參數，提高與整個線路相關的技術水平的前提下，高壓交聯電纜線路的安全性、可靠性、經濟性就會不斷提高。本文就選擇高壓交聯電纜的有關問題作初淺的探討。
2 高壓交聯電纜的導體
高壓交聯電纜的導體與其他電力電纜一樣，分為銅導體和鋁導體，選擇導體截面和導體材料主要考慮兩個因素，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，熱阻以及電纜敷設方式和環(huán)境條件。在電纜敷設方式、環(huán)境條件和護層結構一定的前提下，電纜的載流量和短路電流的大小取決于導體直流電阻，也就是取決于導體的材料和導體的截面積。顯然，銅的電阻率比鋁的電阻率小得多，而且銅導體還具有接觸電阻小、機械強度高、彎曲性能好等優(yōu)點，緊壓圓型絞合導體的表面質量明顯優(yōu)于鋁導體。但是鋁的密度小，對于相同直流電阻的銅、鋁導體來說，鋁導體的重量不到銅導體重量的50%，價格也比銅導體便宜，鋁導體電纜與銅導體電纜相比具有明顯的經濟性。表1列出了銅、鋁導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，敷設條件為：直埋、平行敷設，土壤熱阻系數1.2K·m/W，環(huán)境溫度25℃，敷設深度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。由此可以認為，只要鋁芯電纜價格低于銅芯電纜的1.5倍，從經濟角度考慮應選擇鋁芯電纜。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。只要鋁芯電纜的價格低于與之小兩檔的銅芯電纜的價格，選擇鋁芯電纜的工程費用就低。需要說明的是，鋁導體焊接必須采用氬弧焊。其技術國內尚不成熟，缺乏施工和運行經驗。

3  金屬屏蔽層和金屬護套

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

鉛套電纜的優(yōu)點是柔軟、彎曲性能、密封性和耐腐蝕性好，便于敷設、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。缺點是機械強度低，抗蠕變性差，不適合用在震動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)點是機械強度高，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：表中各型號電纜均為銅芯交聯聚乙烯電纜，電壓為110KV，其中鋁套厚度為2.0mm，鉛套厚度為3.4mm。不同的是其護套或外護套材料的不同，例如YJV為聚氯乙烯（PVC）護套；YIQ02為鉛護套；YJLW02為皺紋鋁護套PVC外護套。

表   3      鉛套、鋁套電纜的重量

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

鋁塑綜合護套電纜除其外徑小，重量略輕于皺紋鋁套電纜外，沒有其他優(yōu)點，缺點是密封性差。因為鋁塑復合帶本身厚度薄，一般在0.15～0.20mm左右，而且接縫處不可避免地存在缺陷；另外由于鋁塑復合層與外護套之間的摩擦系數較小，電纜在敷設過程中容易起皺，甚至會產生破裂。這種結構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。而且在焊接過程中焊弧對焊縫的自動跟蹤性差，一旦焊弧漂移，輕則出現縫隙，重則當焊縫兩側熔融狀態(tài)的銅不能接合在一起時，必然向銅套內側滴淌，并在內壁形成銅柱�？梢姲櫦y銅套的焊接工藝不易控制，焊縫質量不易保證。鋁套與銅套不同，其焊接過程中，焊弧的自動跟蹤性能良好，不會出現焊弧漂移，焊縫質量能夠得到保證。

4   電纜外護套

高壓交聯電纜的外護套主要有兩種，聚氯乙烯和聚乙烯。按其密度或分子結構不同，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套的主要優(yōu)點是在較高環(huán)境溫度下電纜的彎曲性能好，與外表面半導電石墨涂層的粘附性強，阻燃性能也好。普通的聚氯乙烯護套的氧指數就能達到26左右，而且它是一種高填充物材料，加入大量阻燃劑后，其氧指數可以達到30以上。聚乙烯是一種非極性材料，作為電纜護套具有較強的防濕、防潮性能，絕緣電阻遠遠高于聚氯乙烯。聚氯乙烯護套的絕緣電阻較低，在運輸、儲存過程中吸潮后會使絕緣電阻進一步下降，甚至無法進行直流電壓試驗，這是高壓交聯電纜生產廠商十分警惕的。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套料，氧指數也達不到30，而且在燃燒過程中容易流淌，電纜在經受IEC 332-3規(guī)定的成束燃燒試驗時不容易合格。聚乙烯護套與其表面的半導電涂層的粘附性也較差，電纜在復繞、存放和運行過程中均會有脫落現象。上述特點是聚乙烯護套的共性，聚乙烯護套的性能隨密度的變化也有所不同，尤其是機械強度和耐磨性差異較大。低密度和線型低密度護套可以用于重量較輕的通信電纜，用于高壓交聯電纜時在敷設過程中容易受到機械損傷，這在國內個別生產廠家是有深刻教訓的。高密度聚乙烯護套雖然有良好的機械性能，但生產工藝不如中密度，表面質量也沒有中密度優(yōu)良。所以說，聚乙烯護套用于高壓交聯電纜，中密度是最佳選擇。

5   金屬屏蔽層的接地及電纜敷設方式

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接地，在這種情況下，金屬屏蔽層對地之間有感應電壓存在，感應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應的感應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。

從表4可以看出，雙端接地時電纜的載流量比單端接地或交叉互聯接地小得多，不僅造成資源浪費，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的場合。

交叉互聯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箱將三相電纜的金屬屏蔽層進行換位連接，另一端通過保護接地或直接接地。在完全換位的情況下，金屬屏蔽層中無環(huán)流通過，兩端對地之間也無感應電壓，每端電纜中間有感應電壓，且換位處感應電壓最高。交叉互聯接地與單點接地電纜的載流量相同，這種接地方式雖然適應長線路，但應根據最高允許感應電壓確定相鄰兩個換位點之間的距離。

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

從表5可以看出，在上述敷設條件下，同一結構的電纜當金屬屏蔽采用單端或交叉互聯接地時，平行敷設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，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方式進行組合，其載流量由高到低的順序為；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重要部分，我們可以從電纜附件生產廠商提供的資料和試驗報告中了解到電纜附件的電氣性能和機械性能，以電場強度作為電纜附件絕緣結構設計的依據也很經典，而且IEC287以及各種教課書對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。實際上，電纜附件的結構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該向使用者提供電纜附件的結構、尺寸和材料及其特性，以便計算整個線路的載流量，或者由電纜的允許載流量推算電纜附件的溫升。

7 結束語

綜上所述，我們在選擇高壓交聯電纜或設計高壓線路時有必要關注這樣幾個問題：（1）從經濟角度考慮，應盡量采用鋁導體代替銅導體；（2）在選擇電纜的金屬護套時應優(yōu)先采用鉛護套或皺紋鋁護套；（3）對阻燃要求較高的場合選用聚氯乙烯外護套，對防潮、防濕、防腐要求嚴格以及護套對地絕緣電阻要求較高的場合應選用聚乙烯護套；（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為最佳方案；（5）在高壓交聯電纜線路中應考慮電纜附件的熱性能。

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