電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE電纜的研制

肖云濤，林 磊

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇 吳江215234)

0 引言

根據(jù)鐵道部“中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2003年 ～2020年)”，到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達到12萬公里以上，復(fù)線率和電氣化率分別達到50%和60%以上，主要繁忙干線實現(xiàn)客貨分線，基本形成布局合理、結(jié)構(gòu)清晰、功能完善、銜接順暢的鐵路網(wǎng)絡(luò)，運輸能力能滿足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展需要，主要技術(shù)裝備達到或接近國際先進水平。

鐵路提速、高速鐵路的興建、鐵路電氣化率的提高，以及鐵路信息系統(tǒng)寬帶數(shù)字通信網(wǎng)的建設(shè)，為各種鐵路用電纜和機車車輛電纜提供了廣闊市場。

采用電力機車牽引列車運行的鐵道稱為電氣化鐵道。我國的第一條電氣化鐵路是“一五”期間建成的寶成鐵路(1952～1958)，全長669 km。多年的實踐證明，電氣化鐵路充分發(fā)揮了加速運輸和提高經(jīng)濟效能的作用。

2008年，席卷全球的金融危機，對中國的經(jīng)濟發(fā)展造成了巨大的影響，為了保持經(jīng)濟的平穩(wěn)快速增長，國家實行了4萬億經(jīng)濟刺激計劃。根據(jù)計劃，4萬億的投資主要流向鐵路、公路、重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等，重點建設(shè)一批客運專線、煤運通道項目和西部干線鐵路，完善高速公路網(wǎng)，中西部干線機場和支線機場建設(shè)，加快城市電網(wǎng)改造等。這些項目的啟動，對電纜的需求量很大。

電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜適用于交流單相、工頻、額定電壓27.5 kV電氣化鐵道供電線、自耦變壓器供電線，以及牽引變電所、分區(qū)所、開閉所、自耦變壓器所引出的饋電線等［1］。隨著新建鐵路、舊線路電氣化改造和日常維護，鐵道用電纜的使用量也會越來越大，具有廣闊的市場前景。

1 電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的結(jié)構(gòu)、工藝和性能

1.1 電纜的結(jié)構(gòu)

鐵道行業(yè)標準 TB/T 2822—1997《電氣化鐵道27.5kV單相銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜》中規(guī)定本產(chǎn)品有兩個型號，分別為 TYJV和 TYJY，以及兩個規(guī)格1×185 mm2和1×150 mm2。兩個型號的電纜結(jié)構(gòu)相同，選用的材料除塑料包帶和護套材料不同外，其它均相同。電纜的結(jié)構(gòu)見圖1，其中:(1)導(dǎo)體采用第2種絞合圓形緊壓結(jié)構(gòu);(2)導(dǎo)體屏蔽-絕緣-絕緣屏蔽采用三層共擠的交聯(lián)機組一次擠出;(3)金屬屏蔽采用銅絲疏繞及銅帶反向繞包;(4)包帶采用與絕緣耐溫等級相同的聚氯乙烯(PVC)帶或聚乙烯(PE)帶;(5)擠出外護套(耐熱90℃的 PVC或PE)并涂敷石墨層。

圖1 電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜結(jié)構(gòu)

(1)導(dǎo)體。電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜是用于電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)固定敷設(shè)的電纜，因此采用第2種絞合緊壓圓形銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體表面應(yīng)光潔、圓整，無油污、毛刺和銳邊，無凸起或斷裂的單線及其它缺陷。為了防止在擠出過程中，導(dǎo)體屏蔽層因為導(dǎo)體最外層銅絲間的間隙過大而凹陷，導(dǎo)體填充系數(shù)宜為0.9以上。

(2)導(dǎo)體屏蔽。通常，交聯(lián)電纜導(dǎo)體屏蔽的制造質(zhì)量是關(guān)鍵因素。導(dǎo)體屏蔽的主要作用是緩和電纜內(nèi)部電場應(yīng)力集中，消除導(dǎo)體絞合的影響，改善電纜內(nèi)部電場的徑向分布以提高電纜的電氣強度。交聯(lián)電纜在生產(chǎn)過程中由于多方面因素的影響，導(dǎo)體屏蔽易出現(xiàn)凹陷、凸起等缺陷，導(dǎo)致內(nèi)部電場分布不均勻，嚴重影響電纜的電氣性能和使用壽命。導(dǎo)體屏蔽通常采用擠包的半導(dǎo)電層。

(3)絕緣。XLPE絕緣電纜具有較高的長期工作溫度、優(yōu)良的電氣性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和老化穩(wěn)定性等。依據(jù)標準要求和生產(chǎn)實際，電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的絕緣采用過氧化物(DCP)XLPE，以保證電纜的電氣性能。

(4)絕緣屏蔽。絕緣屏蔽的主要作用是均化電場、吸收游離雜質(zhì)、屏蔽外電場。為了保證導(dǎo)體屏蔽-絕緣-絕緣屏蔽的連續(xù)性和界面光滑、無氣隙，應(yīng)采用Nokia-Maillefer交聯(lián)機組三層一次擠出，均勻地包覆在導(dǎo)體上，擠出層表面應(yīng)光滑，無明顯絞線凸紋、尖角、顆粒、焦燒或擦傷的痕跡。

(5)金屬屏蔽。金屬屏蔽的主要作用是將電纜運行時產(chǎn)生的電磁場屏蔽在絕緣線芯內(nèi)，以減少對外界產(chǎn)生電磁干擾，以及將系統(tǒng)產(chǎn)生的設(shè)計范圍內(nèi)的故障電流安全引入接地系統(tǒng)，保護系統(tǒng)安全運行。金屬屏蔽由疏繞的軟銅線及其表面用反向繞包的銅帶所組成，這可使銅線疏繞層在電氣上連成一體。依據(jù)標準對金屬屏蔽的要求，選擇銅線的直徑與根數(shù)和銅帶規(guī)格，保證金屬屏蔽層的截面滿足標準要求以及電氣導(dǎo)通。

(6)包帶。包帶的主要作用是將金屬屏蔽和護套隔離，以防止兩者接觸后護套對金屬屏蔽的腐蝕，影響電纜的電氣安全性。包帶采用與絕緣耐溫等級相同的PVC或PE塑料帶。

(7)外護套。外護套按照環(huán)境溫度(TYJV型號電纜為 －15～40°C;TYJY型號電纜為 －40～40°C)分別選用 PVC或 PE護套，其性能應(yīng)符合標準的要求。護套表面應(yīng)有石墨導(dǎo)電涂層。石墨涂層可采用濕涂，也可采用干涂。

1.2 制造工藝及注意事項

根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)，確定了電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的生產(chǎn)工藝流程(見圖2)。

圖2 制造工藝流程

從結(jié)構(gòu)分析和工藝流程可以看到，電纜的制造工藝與常規(guī)交聯(lián)電纜相同，并無特殊之處，具體過程不再贅述，但在制造過程中，需注意以下幾點，否則，極易影響電纜的質(zhì)量和性能:

(1)采用過氧化物交聯(lián)生產(chǎn)的絕緣線芯，會產(chǎn)生苯乙酮、枯基醇和α-亞甲基苯乙烯之類的揮發(fā)性交聯(lián)副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物在絕緣內(nèi)會停留相當長的時間，并且分布是不均勻的［2］。若不放置足夠的時間待副產(chǎn)物揮發(fā)出去，極易導(dǎo)致絕緣老化后抗張強度變化率不合格(大于+25%)。根據(jù)數(shù)學(xué)模型推算［3］，并結(jié)合實際，公司規(guī)定的停放時間不小于96 h;也可以將絕緣線芯置于烘房中熱處理去除副產(chǎn)物，以提高效率。

(2)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，疏繞銅絲很容易“勒”進絕緣屏蔽層，嚴重時會損傷絕緣，導(dǎo)致電纜擊穿。因此，生產(chǎn)中可以在絕緣屏蔽層外繞包1～2層半導(dǎo)電帶，再疏繞屏蔽銅絲，這可以有效地保證疏繞銅絲屏蔽交聯(lián)電纜的質(zhì)量。

(3)電纜采用塑料帶將金屬屏蔽層與護套層隔離，以防止護套對金屬的腐蝕。塑料帶應(yīng)采用與電纜絕緣耐溫等級相同的PVC帶或PE帶。塑料帶在繞包于屏蔽層后收到線盤上，塑料帶的外層會被拉伸，內(nèi)層擠壓起皺。在外護套擠包時的放線過程中，纜芯將伸直而拉伸部分不能完全復(fù)原并產(chǎn)生“虛凸起”。這將造成護套擠出表面不平，影響電纜的表面外觀質(zhì)量。若在生產(chǎn)中采用雙層間隙繞包，并控制好繞包張力、角度和間隙，則可較好地解決此問題。

1.3 產(chǎn)品性能

我公司試制了 TYJV 1×185 mm2電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜，并委托國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測。各項性能均符合TB/T 2822—1997標準的要求，主要的性能見表1。

表1 TYJV 27.5 kV 1×185 mm2主要性能

2 對標準的幾點建議

根據(jù)生產(chǎn)實踐和有關(guān)的信息，對 TB/T 2822—1997標準提出以下幾點建議，與同行商榷:

(1)擴大產(chǎn)品型號和規(guī)格范圍。標準規(guī)定的電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的規(guī)格僅有1×150 mm2和1×185 mm2。但我公司曾接到客戶要求提供1×300 mm2和1×400 mm2等兩種大截面規(guī)格，電纜的技術(shù)要求與 TB/T 2822—1997相同。可見，用戶對更大截面的電纜是有需求的。

(2)減薄絕緣厚度，降低制造成本。電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的絕緣厚度為12mm，較 26/35kV交聯(lián)電纜厚 10.5 mm，增加了14.3%，但電壓等級只增大5.8%。理論上而言，絕緣厚度的增加是與電壓等級的增加呈正比關(guān)系的，因此，電壓等級的提高必然意味著絕緣厚度的增加。但是，世界各國一直都在努力提高絕緣材料性能和改進生產(chǎn)工藝，以提高電纜絕緣耐壓水平來減薄高壓電纜的絕緣厚度，而我國傳統(tǒng)上總是希望簡單地通過增加絕緣厚度來提高電纜的安全裕度和可靠性，這是不可取的。近些年來，有關(guān)學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)［4，5］，依靠增加絕緣厚度來降低絕緣材料耐受電場強度、提高電纜安全裕度及運行壽命及可靠性是不經(jīng)濟、不合理的，效果也并不明顯，厚絕緣的作用似乎僅僅是延長了樹枝發(fā)展到貫穿兩電極的時間。實際有效的方法應(yīng)是提高原材料性能(如提高半導(dǎo)電屏蔽層材料的界面光滑性)，改進生產(chǎn)加工工藝(如消除屏蔽層的凹陷、凸起等缺陷)，嚴格控制操作流程及生產(chǎn)環(huán)境，在保持電纜性能的同時減薄絕緣層厚度，降低電纜成本。當然，交聯(lián)電纜的絕緣厚度取值是一個多種因素共同作用的復(fù)雜問題，其更準確的數(shù)值還需在有關(guān)研究人員進一步地深入研究和論證及大量試驗的基礎(chǔ)上確定。

(3)減薄絕緣屏蔽厚度，改變絕緣屏蔽方式。如上所述，金屬屏蔽采用銅絲疏繞結(jié)構(gòu)，疏繞銅絲極易“勒”進絕緣屏蔽層，嚴重時影響電纜的性能甚至導(dǎo)致絕緣擊穿。建議將原絕緣屏蔽的擠出厚度1.2 mm改為0.8 mm，然后再繞包厚度為0.4 mm的半導(dǎo)電帶，這可解決上述問題，改善電纜的質(zhì)量。ABB公司等世界著名電纜制造商的銅絲疏繞屏蔽中壓交聯(lián)電纜，均采用這種工藝和結(jié)構(gòu)。

(4)金屬屏蔽疏繞銅絲的根數(shù)和直徑的選擇。金屬屏蔽的主要作用是泄流電纜發(fā)生故障時的短路電流。在產(chǎn)品標準中規(guī)定了不同規(guī)格電纜的金屬屏蔽的標稱面積，以及銅絲根數(shù)和單絲直徑，這樣規(guī)定太“死”;另外，銅絲之間的平均間距也較小。根據(jù)1×185 mm2規(guī)格的金屬屏蔽截面積為35 mm2，如采用60根直徑為0.86 mm的銅絲計算，單絲平均間距只有1.5 mm;1×150 mm2規(guī)格的金屬屏蔽截面積為25 mm2，如采用42根直徑為0.87 mm的銅絲，平均間距也只有2.4 mm，這些與通常銅絲疏繞屏蔽結(jié)構(gòu)的平均間距不大于4 mm的要求有很大的改進空間。因此，建議只需規(guī)定相應(yīng)規(guī)格的金屬屏蔽截面和疏繞銅絲最少根數(shù)，以有利于各廠家根據(jù)自身的實際情況進行生產(chǎn)。

(5)包帶材料的選擇。標準規(guī)定的包帶材料為與絕緣耐溫等級相同的塑料帶，而在電纜行業(yè)，生產(chǎn)電纜大多采用無紡布、CPP帶、玻璃絲帶等材料，因此，建議增加適合電纜的運行溫度并和電纜相兼容的其他包帶材料。

(6)外護套可適當增加防鼠、防蟻等性能要求。目前，本產(chǎn)品大部分用于直埋、管道、電纜溝、橋架等敷設(shè)，通常這些場合適宜鼠類活動，另外在我國廣東、海南、上海等省、市有嚴重的白蟻危害電纜的情況。因此，建議選擇具有防鼠、防蟻性能的外護層，增加防鼠、防蟻型電纜產(chǎn)品，供有關(guān)地區(qū)用戶選擇。

除以上幾點外，標準還應(yīng)增加電纜的一些使用特性，例如敷設(shè)時允許的彎曲半徑和溫度等。

3 結(jié)束語

(1)本文介紹了電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯XLPE絕緣電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝和產(chǎn)品性能，并對產(chǎn)品標準提出了一些意見和建議，供參考。

(2)隨著國家電氣化鐵路的新建和舊線路的電氣化改造，電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的使用量也會越來越大，產(chǎn)品具有廣闊的市場前景，有著較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］TB/T 2822—1997 電氣化鐵道27.5 kV單相銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜［S］.

［2］王國忠.交聯(lián)副產(chǎn)物對交聯(lián)聚乙烯絕緣熱老化性能影響的探討［J］.電線電纜，2006(4):10-12.

［3］毛愛民，胥玉民，張 進，等，超高壓交聯(lián)電纜絕緣脫氣時間的研究［C］//中國電工技術(shù)學(xué)會電線電纜專委會2009年年會論文集.佳木斯.

［4］鄭曉泉.降低高壓聚烯烴電纜絕緣厚度的必要性辨析［J］.電線電纜，2004(1):21-23.

［5］劉 英，王 樂，王 磊，等.從缺陷影響看高壓 XLPE電纜絕緣減薄的必要性［J］.高電壓技術(shù)，2006(7):29-32.