于洪淼， 張洪亮， 閆志雨， 嚴(yán) 彥

（中天科技海纜股份有限公司，南通226010）

0 引 言

21 世紀(jì)以來，隨著世界能源需求的不斷增大，各國對(duì)電力資源開發(fā)也開始加速，電纜產(chǎn)量也隨之逐年增加。 作為電纜領(lǐng)域的主力軍，高壓電力電纜由于具有大容量、高可靠性、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、大跨度的輸電線路中。 高壓電力電纜在電網(wǎng)的改造升級(jí)中正逐漸取代中低壓電力電纜，以滿足國民經(jīng)濟(jì)對(duì)電力大規(guī)模及輕盈輸送的要求［1］。

高壓電力電纜結(jié)構(gòu)一般由導(dǎo)體、交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣三層共擠、半導(dǎo)電阻水層、金屬屏蔽層和外護(hù)套組成。 其中，金屬屏蔽作為電纜結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是一種改善電場分布的措施，金屬屏蔽的作用［2］主要有以下5 個(gè)方面：①作為電纜的徑向防水層，可避免XLPE 絕緣本體接觸外界水分而產(chǎn)生水樹；②電纜正常通電時(shí)導(dǎo)通電容電流，短路故障時(shí)導(dǎo)通短路電流，增強(qiáng)絕緣屏蔽能力，承受較大的零序短路電流；③將電纜通電時(shí)引起的電磁場屏蔽在絕緣線芯內(nèi)，以減少對(duì)外界產(chǎn)生的電磁干擾，金屬屏蔽層也起到限制外界電磁場對(duì)電纜內(nèi)部的影響；④可抵抗外力，具有機(jī)械保護(hù)的作用，避免在施工中因拖曳彎曲、擠壓而造成電纜機(jī)械損傷［3］；⑤均化電場，防止軸向放電。 由于半導(dǎo)電層具有一定的電阻，當(dāng)金屬屏蔽層接地不良時(shí)，在電纜軸向由于電位分布不均勻而造成電纜沿面放電。

金屬屏蔽的種類很多，高壓電力電纜金屬屏蔽按原材料不同可分為皺紋鋁套、鉛套、皺紋銅套以及皺紋不銹鋼套等，按生產(chǎn)工藝的不同可分為縱包焊接金屬套、擠包金屬套和綜合護(hù)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(hù)套是指鋁塑復(fù)合帶縱包與聚乙烯黏結(jié)結(jié)構(gòu)［4］。

銅套和不銹鋼套在國內(nèi)很少應(yīng)用，國際上只有美國、日本等少數(shù)國家具有一定的生產(chǎn)規(guī)模和較成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

在我國皺紋鋁套應(yīng)用得最多。 鉛套由于柔軟、易彎曲、耐腐蝕、密度大，更適合于海底電纜，但鉛的資源稀少且有毒，不利于環(huán)保；而皺紋鋁套由于密度小，因此電纜質(zhì)量輕，導(dǎo)電性能優(yōu)良，允許通過短路電流大，一般無須設(shè)置銅絲屏蔽以增加短路容量［5］，其散熱性好、具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 近年來，在城市地下電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用較多。 皺紋鋁套原材料為鋁材，因鋁元素比較活潑，容易出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，鋁在空氣中易被氧化，表面生成Al2O3薄膜，其熔點(diǎn)在2 000 ℃以上，焊接較為困難。

在國外一般使用鋁塑復(fù)合帶縱包與聚乙烯黏結(jié)護(hù)層作為高壓、超高壓交聯(lián)電纜的徑向防水層［6］。這種類型的電纜結(jié)構(gòu)緊密，外徑尺寸小，敷設(shè)占用空間小，尤其適合隧道和管道敷設(shè)，其生產(chǎn)工藝簡單，電纜線芯柔軟，采用鋁塑復(fù)合帶代替皺紋鋁護(hù)套作為電纜的徑向阻水層時(shí)，一般無須在徑向防水層下面設(shè)置縱向防水結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用在國外大型水電站及重點(diǎn)輸電工程中［7］。

國外普遍采用銅絲屏蔽+縱包鋁塑復(fù)合帶形式，國內(nèi)普遍采用皺紋鋁套形式。 國內(nèi)文獻(xiàn)對(duì)這兩種金屬屏蔽電纜的機(jī)械性能對(duì)比鮮有報(bào)道，同時(shí)電纜的國家標(biāo)準(zhǔn)中暫時(shí)沒有對(duì)機(jī)械沖擊試驗(yàn)和側(cè)壓力試驗(yàn)方法和要求的介紹，本工作著重對(duì)不同金屬屏蔽形式高壓電力電纜的機(jī)械性能進(jìn)行對(duì)比分析，為今后不同金屬屏蔽形式的高壓電力電纜的選型和應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 兩種金屬屏蔽形式電纜的基本對(duì)比

圖1 和圖2 為同規(guī)格的銅絲屏蔽電纜與皺紋鋁套電纜的結(jié)構(gòu)示意圖，表1 列出了兩種結(jié)構(gòu)電纜的對(duì)比情況。

圖1 ±525 kV 銅絲屏蔽結(jié)構(gòu)直流電纜示意圖

圖2 ±525 kV 皺紋鋁套結(jié)構(gòu)直流電纜示意圖

表1 兩種金屬屏蔽結(jié)構(gòu)525 kV 電纜的結(jié)果比對(duì)

由表1 結(jié)果可知：相同規(guī)格的高壓電力電纜，銅絲屏蔽型電纜的單位質(zhì)量與皺紋鋁套相近，但是外徑減小明顯，有利于在相同包裝條件下提高電纜的單根交付長度，對(duì)于遠(yuǎn)距離工程來說可大幅度減少中間接頭的使用數(shù)量［8］，既節(jié)約成本，也提高運(yùn)行安全可靠性。 同時(shí)，銅絲屏蔽型電纜外徑減小，可承受更小的彎曲半徑，施工時(shí)更加方便，并且銅絲屏蔽較皺紋鋁套柔性更佳。 此外，銅絲屏蔽型電纜可以將光纖單元輕易植入于銅絲之間［9］，實(shí)現(xiàn)光電一體化功能設(shè)計(jì)，而皺紋鋁套電纜中沒有合適的光纖單元放置位置，并且若放置光纖單元，則在鋁套成型或者電纜彎曲過程中容易造成光纖單元的受力甚至損壞。

2 機(jī)械沖擊試驗(yàn)

機(jī)械沖擊試驗(yàn)是模擬物體意外掉落到電纜表面上，通過目視和測量檢查電纜表面及其內(nèi)部各層結(jié)構(gòu)的機(jī)械損傷程度。 本試驗(yàn)中的機(jī)械沖擊是模擬電纜在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝卸或現(xiàn)場敷設(shè)過程中電纜受到的暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)沖擊。

由于目前電纜的國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)電力電纜機(jī)械沖擊的試驗(yàn)方法做相關(guān)規(guī)定，因此，試驗(yàn)采用的設(shè)備及試驗(yàn)方案為自行開發(fā)設(shè)計(jì)。

2.1 試驗(yàn)的環(huán)境條件

試驗(yàn)的環(huán)境條件如下：環(huán)境溫度10 ～35 ℃；相對(duì)濕度不大于80%；周圍無腐蝕性介質(zhì)；附近無影響試驗(yàn)結(jié)果的振源和較強(qiáng)的電磁場干擾。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

機(jī)械沖擊試驗(yàn)設(shè)備的示意圖見圖3。

圖3 機(jī)械沖擊試驗(yàn)設(shè)備的示意圖

2.3 機(jī)械沖擊試驗(yàn)要求

機(jī)械沖擊試驗(yàn)是通過選取合適質(zhì)量的重錘從一定的高度落到電纜表面來進(jìn)行試驗(yàn)。 重錘前端的形狀反映預(yù)期沖擊的目的，重錘A 下落過程模擬質(zhì)量大且尖銳的物品從較低位置自由落體落在電纜表面的情況，重錘B 下落過程模擬質(zhì)量小且尖銳的物品從較高位置自由落體砸在電纜表面的情況。 重錘下落方式均為自由落體，電纜下方接觸面材料為鋼板。

機(jī)械沖擊試驗(yàn)要求見表2。

表2 機(jī)械沖擊試驗(yàn)要求

為數(shù)字化衡量每次機(jī)械沖擊對(duì)電纜的影響程度，本工作采用沖擊能量來表示機(jī)械沖擊對(duì)電纜的影響程度。 試驗(yàn)中的沖擊能量可以根據(jù)重錘下落的高度及其質(zhì)量來進(jìn)行計(jì)算，如式（1）所示：

式中：E為沖擊能量（J／次）；m為重錘質(zhì)量（kg）；g為萬有引力常數(shù)（9.8 N／kg）；Δh為下落高度（m）。

經(jīng)計(jì)算，重錘A 和重錘B 的沖擊能量分別為71.4，49.0 J／次。

2.4 機(jī)械沖擊試驗(yàn)步驟

取各層結(jié)構(gòu)均完好的高壓電力電纜樣品1 m，首先取重錘A 沿皺紋鋁套焊縫（鋁塑復(fù)合帶搭接處）的垂直方向?qū)﹄娎|外表面某一點(diǎn)完成連續(xù)4 次0.27 m 的下落沖擊，按照此方式在同一側(cè)共完成3 個(gè)點(diǎn)的沖擊試驗(yàn)；隨后在皺紋鋁套焊縫（鋁塑復(fù)合帶搭接處）的軸向?qū)ΨQ位置取3 個(gè)點(diǎn)完成同樣的試驗(yàn)過程。

完成重錘A 的沖擊試驗(yàn)后，取同一根高壓電力電纜樣品1 m，取重錘B 沿皺紋鋁套焊縫（鋁塑復(fù)合帶搭接處）的垂直方向?qū)﹄娎|外表面某一點(diǎn)完成連續(xù)1 次1.0 m 的下落沖擊，按照此方式在同一側(cè)共完成5 個(gè)點(diǎn)的沖擊試驗(yàn)；隨后在皺紋鋁套焊縫（鋁塑復(fù)合帶搭接處）的軸向?qū)ΨQ位置取5 個(gè)點(diǎn)完成同樣的試驗(yàn)過程。

試驗(yàn)完成后檢查電纜各層結(jié)構(gòu)受損情況，記錄各層變形尺寸及相鄰位置電纜原結(jié)構(gòu)尺寸，精確至0.1 mm，檢查位置的示意圖見圖4。

圖4 檢查位置的示意圖

2.5 兩種金屬屏蔽試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

27 kg 重錘試驗(yàn)電纜各層形變數(shù)據(jù)見表3。

表3 27 kg 重錘試驗(yàn)電纜形變數(shù)據(jù) （單位：mm）

5 kg 重錘試驗(yàn)電纜各層形變數(shù)據(jù)見表4。

表4 5 kg 重錘試驗(yàn)電纜形變數(shù)據(jù)

27 kg 重錘試驗(yàn)后兩種形式金屬屏蔽電纜的絕緣屏蔽表面情況見圖5 和圖6。

圖5 27 kg 重錘試驗(yàn)后皺紋鋁套形式金屬屏蔽電纜表面

圖6 27 kg 重錘試驗(yàn)后銅絲屏蔽形式金屬屏蔽電纜表面

5 kg 重錘試驗(yàn)后兩種形式金屬屏蔽電纜的絕緣屏蔽表面情況見圖7 和圖8。

圖7 5 kg 重錘試驗(yàn)后皺紋鋁套形式金屬屏蔽電纜表面

圖8 5 kg 重錘試驗(yàn)后銅絲屏蔽形式金屬屏蔽電纜表面

2.6 機(jī)械沖擊對(duì)電纜的影響

護(hù)套凹陷會(huì)導(dǎo)致電纜在該處機(jī)械強(qiáng)度降低，使得該處成為電纜護(hù)套的隱患點(diǎn)，容易劣化甚至暴露出金屬屏蔽，危害設(shè)備和人身安全，同時(shí)空氣中的水分會(huì)侵入緩沖阻水帶造成阻水材料變質(zhì)和電阻率的降低，導(dǎo)致該處電容電流增大，長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致該處溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電纜燃燒。 由于高壓電力電纜一般采用絕緣型護(hù)套，在投入電氣運(yùn)行后，護(hù)套凹陷處會(huì)長期承受感應(yīng)電壓，因該處護(hù)套受損，此處更容易引起護(hù)套被擊穿［10］。

金屬屏蔽凹陷對(duì)電纜運(yùn)行的影響較大，凹陷引起金屬屏蔽和絕緣線芯之間距離減少，金屬屏蔽和緩沖阻水帶之間的電阻減小，流過的電流增大，長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致該處的金屬屏蔽溫度升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電纜燃燒。

緩沖阻水帶［11］具有導(dǎo)通絕緣內(nèi)的充電電流和泄漏電流的作用，電流通過內(nèi)層的半導(dǎo)電絕緣屏蔽層流到金屬屏蔽層上。 同時(shí)可弱化電場分布，有效緩沖電纜絕緣與金屬護(hù)層之間的相互作用，減小絕緣受熱膨脹而帶來的絕緣變形與損傷。 同時(shí)由于阻水帶中含有吸水膨脹顆粒材料，兼具軸向阻水的作用。 阻水帶破損會(huì)導(dǎo)致該處阻水性能下降，場強(qiáng)分布不均勻，產(chǎn)生局部放電，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致絕緣被擊穿。

2.7 機(jī)械沖擊試驗(yàn)結(jié)論

通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及機(jī)械沖擊對(duì)電纜的影響可知，在試驗(yàn)條件下，相同規(guī)格的高壓電力電纜，銅絲屏蔽形式的高壓電力電纜經(jīng)受機(jī)械沖擊后各結(jié)構(gòu)層的形變均較小。

3 側(cè)壓力試驗(yàn)

側(cè)壓力試驗(yàn)是檢驗(yàn)電纜在生產(chǎn)和施工過程中是否能承受預(yù)期的破壞載荷。 在生產(chǎn)和施工過程中，牽引機(jī)等設(shè)備施加的側(cè)壓力偏大，電纜呈現(xiàn)多層層疊放置或者電纜經(jīng)過外徑較小的轉(zhuǎn)向?qū)л喌惹闆r，均可能造成電纜由于徑向負(fù)載過大而引起變形［12］。一旦電纜發(fā)生變形，有可能造成內(nèi)部交聯(lián)線芯表面出現(xiàn)凹陷，引起絕緣內(nèi)電場分布不均勻，局部電場過大，最終導(dǎo)致電纜的電氣性能下降甚至是絕緣被擊穿［13］。

側(cè)壓力試驗(yàn)采用壓扁試驗(yàn)機(jī)，電纜樣品長度為0.5 m，將皺紋鋁套電纜樣品沿鋁套焊縫豎直方向、銅絲屏蔽電纜樣品沿鋁塑復(fù)合帶搭接豎直方向放入試驗(yàn)機(jī)，在長、寬分別為100，80 mm 壓板的作用下，壓板以100 N／s 的下降速率對(duì)樣品分別施加0.16，0.32，0.92，0.98 kN 的壓力，保持 60 min［14］，分別記錄施加側(cè)壓力前后樣品的外徑變化，通過解剖來目視檢查各結(jié)構(gòu)層變化情況，并注意電纜線芯表面是否出現(xiàn)有害壓痕。 如果試樣結(jié)構(gòu)中包含光纖，繼續(xù)檢查光纖的完整性。

壓扁試驗(yàn)機(jī)的示意圖見圖9。

圖9 壓扁試驗(yàn)機(jī)的示意圖

3.1 載荷的選取

目前，高壓陸地電纜從產(chǎn)品生產(chǎn)、包裝、安裝、敷設(shè)一般均采用電纜盤具來完成的，若電纜要求大長度連續(xù)無接頭，則需要利用收線轉(zhuǎn)盤完成。

3.1.1 堆疊過程

給定盤具的承裝長度在 JB／T 8137.1—2013《電線電纜交貨盤第一部分：一般規(guī)定》中有明確的計(jì)算方法［15］，如式（2）所示：

式中：L′為裝盤長度（m）；p為卷繞層數(shù)；n為每層卷繞圈數(shù)；D為電纜外徑（mm）；d1為側(cè)板直徑（mm）；d2為筒體直徑（mm）；l2為盤具內(nèi)寬（mm）；t為裝盤余量。

JB／T 8137.3—2013《電線電纜交貨盤 第三部分：全鋼瓦結(jié)構(gòu)交貨盤》或 JB／T 8137.4—2013《電線電纜交貨盤第四部分：塑鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)交貨盤》中推薦的常規(guī)高壓電纜盤具尺寸均較小，本工作參照青龍山輸變電工程220 kV 秋藤至高旺線路工程專用盤具，即國內(nèi)第一根大長度220 kV 電纜專用收線盤具［16］，盤具設(shè)計(jì)尺寸為 4 150 mm×2 600 mm×7 500 mm，經(jīng)計(jì)算可承載電纜層數(shù)為4 層。

盤具最內(nèi)層電纜承受最大壓力按照3 層電纜的重力計(jì)算，銅絲屏蔽型電纜和皺紋鋁套電纜所受最大側(cè)壓力經(jīng)計(jì)算分別為1.5 kN／m 和1.6 kN／m。根據(jù)壓扁機(jī)壓板尺寸，模擬電纜收線至盤具的試驗(yàn)側(cè)壓力取0.16 kN。

以6.8 m 收線轉(zhuǎn)盤為例，內(nèi)徑、外徑、高度分別為 3.5，6.5，3.0 m。 經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)中±525 kV 電纜卷繞層數(shù)為8 層，轉(zhuǎn)盤最底層電纜承受最大壓力按照7 層電纜的重力計(jì)算，銅絲屏蔽型電纜和皺紋鋁套電纜所受最大側(cè)壓力經(jīng)計(jì)算為3.2 kN／m。 根據(jù)壓扁試驗(yàn)機(jī)的壓板尺寸，試驗(yàn)選擇側(cè)壓力為0.32 kN。

3.1.2 牽引機(jī)下

以南京藝工電工設(shè)備有限公司的40 t 履帶牽引機(jī)為例，電纜勻速生產(chǎn)時(shí)，每個(gè)壓緊氣缸壓強(qiáng)為0.4～0.6 MPa，1 m 履帶平均分布 5 對(duì)壓緊氣缸，壓緊氣缸的直徑為90 mm，壓力與壓強(qiáng)的計(jì)算公式如下：

式中：P為每個(gè)壓緊氣缸的進(jìn)氣壓強(qiáng)（MPa）；S為壓緊氣缸的面積（mm2）；d為壓緊氣缸直徑（mm）。

經(jīng)計(jì)算，電纜在牽引機(jī)下所受最大側(cè)壓力為18.6 kN／m。 根據(jù)壓扁試驗(yàn)機(jī)的壓板尺寸，該條件下試驗(yàn)側(cè)壓力為1.86 kN。

3.1.3 電纜施工時(shí)經(jīng)過轉(zhuǎn)向?qū)л?/p>

電纜施工時(shí)，在導(dǎo)體處安裝牽引頭，牽引機(jī)通過牽引繩連接導(dǎo)體牽引頭進(jìn)行電纜施工，施工過程中電纜所受側(cè)壓力如式（7）所示：

式中：P為電纜所受的側(cè)壓力［17］（N／m）；T為牽引力（N）；R為電纜的彎曲半徑（m）；Sc為導(dǎo)體的標(biāo)稱截面面積（mm2）。

電纜經(jīng)過導(dǎo)輪時(shí)的彎曲半徑按照電纜運(yùn)行時(shí)允許彎曲半徑15D，取最小值2.3 m，通過計(jì)算可得電纜最大側(cè)壓力為91.3 kN／m。 根據(jù)壓扁試驗(yàn)機(jī)的壓板尺寸，該條件下試驗(yàn)側(cè)壓力為0.92 kN。

綜上所述，試驗(yàn)載荷分別選取 0.16，0.32，0.92，1.86 kN。

3.2 兩種金屬屏蔽試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

在1.86 kN 側(cè)壓力下，保持60 min，兩種電纜均無形變，銅絲屏蔽形式的電纜內(nèi)置光纖單元，光纖衰減正常，基本無變化。

逐漸增加側(cè)壓力，當(dāng)側(cè)壓力升至10 kN 時(shí)，電纜開始出現(xiàn)形變，保持60 min，護(hù)套、金屬屏蔽、絕緣屏蔽等各層形變數(shù)據(jù)見表5。

表5 10 kN 側(cè)壓力下各層形變數(shù)據(jù) （單位：mm）

銅絲屏蔽形式的電纜各層基本無形變，內(nèi)置光纖單元在10 kN 側(cè)壓力下光纖衰減基本無變化。 皺紋鋁套屏蔽形式的電纜存在明顯形變，受力方向外徑減小5.5 mm，垂直受力方向外徑增加7.5 mm。

綜上所述，通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比及對(duì)電纜的影響可知，在此試驗(yàn)條件下，相同規(guī)格的高壓電力電纜，銅絲屏蔽形式經(jīng)受側(cè)壓力后各結(jié)構(gòu)層的形變較小。

4 結(jié)束語

（1）采用銅絲屏蔽+鋁塑復(fù)合帶的金屬屏蔽形式的電纜相比傳統(tǒng)的皺紋鋁套形式電纜，各結(jié)構(gòu)層形變更小，內(nèi)部線芯受到的影響可能更小，后續(xù)還需要通過試驗(yàn)繼續(xù)驗(yàn)證。

（2）綜合考慮兩種機(jī)械試驗(yàn)結(jié)果，就承受機(jī)械沖擊和側(cè)壓力的能力而言，建議選用銅絲屏蔽+鋁塑復(fù)合帶的金屬屏蔽形式的電纜，且該結(jié)構(gòu)電纜更容易復(fù)合光纖。