一種大截面鋁芯分割導(dǎo)體的設(shè)計與制作

宋光輝，李春梅，田亞飛，宋程成

(江蘇亨通高壓電纜有限公司，江蘇 常熟215537)

0 引言

中國的電纜工業(yè)中“以鋁節(jié)銅”已是大勢所趨［1］，因為中國的銅資源稀缺，以鋁節(jié)銅可節(jié)省成本，不過以鋁節(jié)銅發(fā)展到什么程度，還要由技術(shù)經(jīng)濟上的可行性以及供、需雙方的認同來確定。

由于導(dǎo)體傳輸電流的大小并不是隨著導(dǎo)體截面的增加而線性增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之一是導(dǎo)體在傳輸交流電流的過程中存在“集膚效應(yīng)”和“鄰近效應(yīng)”，隨著導(dǎo)體截面的增大，這種現(xiàn)象會越來越顯著。因此110～220 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜標準中，明確規(guī)定了截面在800 mm2以上的電纜導(dǎo)體必須采用分割導(dǎo)體［2，3］，以減小“集膚效應(yīng)”和“鄰近效應(yīng)”引起電纜的導(dǎo)體交流電阻增加對傳輸容量的影響［4］。

1 分割導(dǎo)體的選型

經(jīng)結(jié)構(gòu)驗證，四芯分割導(dǎo)體在絞合、緊壓、成纜工藝上比較容易實現(xiàn)，但從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐彎曲性能上五芯分割導(dǎo)體要比四芯分割導(dǎo)體更優(yōu)越一些。鑒于我公司現(xiàn)有德國斯凱特公司的3.6米盤絞機有6個放線架的特點，綜合考慮分割導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的工藝可行性和導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確定在試制2 000 mm2的分割導(dǎo)體時采用五分割結(jié)構(gòu)。

2 五分割導(dǎo)體的設(shè)計

2.1 計算2 000 mm2分割導(dǎo)體的實際截面積

有關(guān)標準規(guī)定了2 000 mm2鋁芯導(dǎo)體的電阻不大于0.014 9Ω/km，同時規(guī)定了2 000 mm2導(dǎo)體結(jié)構(gòu)最少根數(shù)不小于170根［5］。由此計算出導(dǎo)體實際允許最小截面積:

式中:k1為導(dǎo)體系數(shù)，取決于電纜線芯組成的單線直徑、金屬種類，取k1=1.016;k2為絞合系數(shù)，取決于電纜線芯絞合方式，取k2=1.028;k3為引入的修正系數(shù)，取決于瓦形股塊成纜狀況，取k3=1.002;ρ為導(dǎo)體電阻率，取ρ=0.028 264Ω·mm2/m;R為分割導(dǎo)體20℃時的直流電阻，按標準的規(guī)定，2 000 mm2截面的導(dǎo)體R=0.014 9Ω/km。

2.2 分割導(dǎo)體關(guān)鍵參數(shù)的選取和設(shè)定

(1)計算1 985.2 mm2截面的導(dǎo)體直徑

(2)填充系數(shù)的選取和成纜外徑的設(shè)定

采用分層緊壓方法，填充系數(shù)可提高到0.88～0.92［6］。本設(shè)計采用五分割瓦形股塊成纜構(gòu)成的鋁芯分割導(dǎo)體，鋁相對銅緊壓系數(shù)要小，按經(jīng)驗選取其填充系數(shù)為0.85～0.86。成纜后外徑設(shè)定為55.3 mm。

(3)單線直徑d的選取

由于2 000 mm2導(dǎo)體不少于170根，因此五芯分割導(dǎo)體每個瓦形股塊的最少單線根數(shù)為34根。用Autocad(三維輔助設(shè)計軟件)作圖，設(shè)計瓦形股塊單線排列，擬取正規(guī)絞合，即1+6+12+18+24+30，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，每個股塊單線根數(shù)為91根。單線經(jīng)緊壓后產(chǎn)生塑性和彈性變形，影響緊壓絞線填充系數(shù)和單線延伸率的因素很多，一般均采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)和公式，在工藝試驗基礎(chǔ)上，做了適當調(diào)整，使之達到良好的工藝效果。

計算單線直徑的經(jīng)驗公式:

式中:S為導(dǎo)體實際允許最小截面積，S=1 985.2 mm2;λ為單線延伸系數(shù)，取λ=1.05;p為瓦形股塊數(shù)，p=5;n為每個瓦形股塊單線根數(shù)，取n=91;n0為導(dǎo)體中心線單線根數(shù)，取n0=18。

經(jīng)計算，d=2.369 mm，綜合實際生產(chǎn)情況，取d=2.37 mm。

3 分割導(dǎo)體壓輪設(shè)計

五芯分割導(dǎo)體瓦形角度為72°，在實際生產(chǎn)中要考慮成纜緊壓后的反彈情況，設(shè)計角度應(yīng)稍小于72°。銅芯分割導(dǎo)體壓輪設(shè)計角度一般取71.5°，而鋁芯導(dǎo)體相對銅芯導(dǎo)體反彈小，本設(shè)計選取71.6°。瓦形導(dǎo)體的扇尖要求光滑過渡，不能形成尖角，對分割導(dǎo)體瓦形股塊尺寸精確程度要求較高。設(shè)計的五芯分割導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)見圖1，瓦形股塊結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 五芯分割導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

圖2 瓦形股塊結(jié)構(gòu)

4 瓦形股塊的絞制和壓型

(1)瓦形股塊的絞制

鋁芯瓦形股塊絞制的關(guān)鍵在于并線模具的形狀及材質(zhì)的選用。經(jīng)反復(fù)試驗，最終采用膠木瓦形并線模具，見圖3。膠木材質(zhì)的模具可以保證鋁導(dǎo)體在經(jīng)過模具時不損傷，瓦形可以保證導(dǎo)體在進入壓輥前有預(yù)成型的效果，盡可能地保證瓦形股塊的形狀。一般瓦形股塊預(yù)扭節(jié)距規(guī)定為分割導(dǎo)體直徑的23～25倍，五個瓦形股塊的預(yù)扭節(jié)距應(yīng)保持一致。

圖3 膠木瓦形并線模具

(2)瓦形股塊的壓型

針對鋁線延伸率低的特點，在加工技術(shù)上下工夫。實現(xiàn)了單線由一次緊壓變形，變?yōu)槎啻尉o壓變形，減小了單線的一次變形率。瓦形股塊的形成是通過三次絞合、六道壓型而完成的。第一次絞合為1+6+12+18，同時進行第一道壓型，形成瓦形角度并控制好瓦形高度;第二次絞合為(1+6+12+18)+24，同時進行第二道壓型，形成扇尖角度;第三次絞合為(1+6+12+18+24)+30，同時進行第三、四、五道壓型，并控制好瓦形寬度;第六道壓型是通過成品壓型模獲得與設(shè)計尺寸基本相一致的瓦形股塊。

瓦形股塊的弧形寬度應(yīng)控制在30.2～30.5 mm，瓦高控制在22.6～22.7 mm，否則會出現(xiàn)分割導(dǎo)體不圓整或線芯外徑變大的現(xiàn)象，在成纜時出現(xiàn)困難。

(3)瓦形股塊制作中應(yīng)注意的幾個問題

1)鋁相對銅拉伸強度小，制作過程中應(yīng)控制好放線張力，保證鋁絲不被拉斷。

2)分割導(dǎo)體的每一個瓦形股塊的制作，要求緊壓后瓦形面外形尺寸必須符合要求，兩個側(cè)扇面和一個弓形扇面壓型要光滑平整，角度符合要求。

3)及時清理堆積在并線模具口的鋁殘留物，保證鋁絲順利通過并線模具。

4)鋁分割股塊因強度小，容易破損，在收線時要避免扇面翻身和排線不規(guī)則，每層需用牛皮紙隔開，以保證瓦形股塊不被擦傷。

5 瓦形股塊的成纜

成纜是分割導(dǎo)體制作的關(guān)鍵過程，每一個環(huán)節(jié)的控制都至關(guān)重要，在制作過程中應(yīng)注意以下幾點:

(1)選擇合適材質(zhì)的成纜并線模具，因鋁導(dǎo)體材質(zhì)較軟，若用金屬材質(zhì)模具會把導(dǎo)體刮傷，實際生產(chǎn)采用尼龍材質(zhì)的成纜并線模具。

(2)大截面鋁芯導(dǎo)體因外徑較大，成纜過程較易松散，因此必須選擇牢固且直徑和分割導(dǎo)體接近的引線。

(3)為保證成型效果，應(yīng)設(shè)定瓦形股塊成纜方向和預(yù)扭方向并保持一致。成纜的節(jié)距要和預(yù)扭的節(jié)距基本相同。

(4)及時清理堆積在并線模具口的鋁殘留物，保證股塊順利通過并線模具。

(5)緩慢走線，在導(dǎo)線進第一道并線模時，要將其慢慢合攏，但不應(yīng)過緊。當已成纜的瓦形股塊被牽引履帶夾緊后，合攏第二道和第三道并線模，但此時并線模間還應(yīng)留有一定間隙，待已成纜的瓦形股塊全部上軸后，再逐漸完全合攏并線模。此時并線模最好能夠自由旋轉(zhuǎn)。并線模的內(nèi)孔直徑應(yīng)適當，尤其是最后一道成品并線模，其直徑應(yīng)控制在比設(shè)計的分割導(dǎo)體直徑大0.3～0.5 mm。

(6)要時刻注意股塊的角度，避免翻身現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)有大角度偏轉(zhuǎn)的可能，要提前停車，再通過旋轉(zhuǎn)放線架來調(diào)節(jié)角度，并同時對其它部位進行調(diào)整。否則，一旦發(fā)生翻身情況很難處理。

(7)皺紋紙要縱包均勻，繞包半導(dǎo)電帶時應(yīng)二層重疊搭蓋，每層搭蓋率40%～45%，要求平整，均勻。最后應(yīng)用無紡布纏繞，防止半導(dǎo)電帶破損。

6 結(jié)束語

此次制作鋁芯分割導(dǎo)體采用進口的股塊絞合及成纜設(shè)備、優(yōu)質(zhì)的原材料以及合理的模具設(shè)計，成功進行了產(chǎn)品試制，經(jīng)檢測各項性能全部符合國家標準的規(guī)定。大截面鋁芯分割導(dǎo)體的試制成功，符合我國電纜工業(yè)中“以鋁節(jié)銅”的趨勢，滿足了市場需求，為以后研發(fā)此類產(chǎn)品積累了經(jīng)驗。

［1］黃崇祺.論中國電纜工業(yè)的以鋁節(jié)銅［J］.電線電纜，2008(6):1-3.

［2］GB/T 11017—2002額定電壓110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件［S］.

［3］GB/Z 18890—2002額定電壓220 kV(Um=252 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件［S］.

［4］吳 炯.大長度、大截面超高壓電力電纜技術(shù)開發(fā)前景［J］.中國電線電纜，2003(4):5-7.

［5］GB/T 3956—2008電纜的導(dǎo)體［S］.

［6］卓金玉.電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.