實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜的設(shè)計(jì)與研究

方 永 ,劉洪軍 ,黃 靜* ,沈智飛 ,龐超群 ,王 娟 ,江 巍

(1.尚緯股份有限公司,樂(lè)山 614012;2.江蘇中天科技股份有限公司,南通 226463)

0 引 言

隨著電纜導(dǎo)體截面的增加,其傳輸功率和電流也會(huì)相應(yīng)增加,但是導(dǎo)體截面積越大,“集膚效應(yīng)”和“臨近效應(yīng)”的影響越明顯。降低大截面高壓電纜線路損耗的措施之一是導(dǎo)體采用分割導(dǎo)體,以提高電纜線路的傳輸容量。分割導(dǎo)體是把大截面導(dǎo)體分成若干股塊絞合而成,股塊之間采用絕緣皺紋紙隔離,股塊之間彼此絕緣,使導(dǎo)體由若干相互絕緣的扇形股塊并聯(lián)組成。因?yàn)閱蝹€(gè)扇形股塊的截面積僅為導(dǎo)體總截面積的若干分之一,所以單個(gè)股塊的“集膚效應(yīng)”和“臨近效應(yīng)”大大地減小,從而使導(dǎo)體交流電阻減小[1]。

目前,采用絞合分割鋁導(dǎo)體作為線芯的高壓電纜已有案例,該結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中存在以下幾個(gè)問(wèn)題:①其機(jī)械強(qiáng)度較差,易折斷;②接頭處容易發(fā)生蠕變變形,導(dǎo)致導(dǎo)線接頭處產(chǎn)生空隙,接頭處的電阻增大,產(chǎn)生大量的熱量,引起蠕變加劇,最后導(dǎo)線接頭處會(huì)熔斷或者起火;③出現(xiàn)過(guò)載發(fā)熱現(xiàn)象;④易發(fā)生電化學(xué)以及化學(xué)腐蝕。為解決這些問(wèn)題,本工作研發(fā)了實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜,并對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、工藝裝備和產(chǎn)品性能等進(jìn)行了研究。

1 實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜的設(shè)計(jì)

1.1 電纜的結(jié)構(gòu)

實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合GB/T 11017—2014 《額定電壓 110 kV (Um=126 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》及GB/T 18890—2015 《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》的要求,與普通高壓電纜結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要體現(xiàn)在導(dǎo)體,實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

高壓電纜采用實(shí)心分割鋁合金作為導(dǎo)體,在純鋁中加入合金元素來(lái)改善其性能,包括力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、抗蠕變性能、耐熱性能及耐化學(xué)腐蝕性能等,實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2(a)。同時(shí),采用實(shí)心導(dǎo)體分割的結(jié)構(gòu)比多根絞合分割的結(jié)構(gòu)更能改善接頭處的抗蠕變性能,能夠更好地保證高壓電纜長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載和過(guò)熱時(shí)的持續(xù)工作能力[2],絞合分割鋁合金導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2(b)。

圖2 導(dǎo)體截面示意圖

1.2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

目前,實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜尚無(wú)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),本工作參考IEC 60840:2020《額定電壓30 kV(Um=36 kV)以上至150 kV(Um=170 kV)擠包絕緣電力電纜及其附件試驗(yàn)方法和要求》、GB/T 11017—2014《額定電壓110 kV(Um=126 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》、Q/GDW 13241《國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)110 kV 電力電纜采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,制訂了《額定電壓110 kV 實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜》的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)生產(chǎn)和產(chǎn)品檢驗(yàn)。

1.3 實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體的設(shè)計(jì)

高壓電纜分割導(dǎo)體,一般有五分割扇形及5+1分割瓦楞形結(jié)構(gòu),綜合考慮兩種結(jié)構(gòu)分割導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝難易程度、工裝模具設(shè)計(jì)與制作、設(shè)備的加工能力等,本次試制的標(biāo)稱(chēng)截面積為1 000 mm2的鋁合金導(dǎo)體設(shè)計(jì)采用五分割實(shí)心扇形股塊結(jié)構(gòu)。

1.3.1 導(dǎo)體截面積的設(shè)計(jì)

導(dǎo)體截面積的計(jì)算公式為

式中:S為導(dǎo)體截面積,mm2;k1為擠壓導(dǎo)體過(guò)程中,引起電阻率增加所引入的系數(shù);k2為扇形股塊絞制過(guò)程中引入的系數(shù);k3為扇形股塊合股引入的系數(shù);ρ為鋁合金導(dǎo)體電阻率[3],Ω·mm2·m-1;R為導(dǎo)體20℃時(shí)的直流電阻[4],Ω·km-1。將k1=1.01,k2=1,k3=1.008,ρ=0.028 264 Ω·mm2·m-1,R=0.0291Ω·km-1 代入式(1) 得:S為989 mm2。

1.3.2 實(shí)心分割導(dǎo)體關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)和研究

扇形股塊輪廓理論計(jì)算截面積(SA)為五分之一的導(dǎo)體截面積,求得SA為197.8 mm2。

從理論上計(jì)算,五分割扇形股塊的中心角(n)為72°。因股塊合股成纜絞入角的影響,若股塊中心角按照72°設(shè)計(jì),股塊合股困難且易出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象。因此,股塊中心角應(yīng)略小于72°,本次試制扇形股塊中心角為71.5°。

扇形股塊圓弧半徑(r)理論計(jì)算公式為

將SA=197.8 mm2,n=71.5°代入式(2)得:r為17.8 mm。

本工作對(duì)扇形股塊內(nèi)弧半徑進(jìn)行了研究。扇形股塊的底弧半徑(r1) 和邊弧半徑(r2),理論上越小越好,以減小合股導(dǎo)體圓周的縫隙和中心空隙,提高分割導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。根據(jù)大量的銅分割導(dǎo)體的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及工藝試驗(yàn)總結(jié),對(duì)于五分割導(dǎo)體,一般r1、r2取值范圍均為0.96～1.68 mm。根據(jù)驗(yàn)證,此次試制標(biāo)稱(chēng)截面積為1 000 mm2的五分割實(shí)心鋁合金導(dǎo)體,r1、r2均取1.08 mm。

本工作對(duì)扇形股塊輪廓尺寸進(jìn)行了校準(zhǔn),r、r1、r2、n的取值均根據(jù)理論計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)選取。為加工制作更加精確的股塊模具,須根據(jù)上述參數(shù)采用AutoCAD 軟件繪制扇形股塊輪廓,測(cè)繪出扇形股塊輪廓面積(SF),對(duì)扇形股塊輪廓的扇高及扇寬進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn),見(jiàn)圖3。

圖3 扇形股塊輪廓尺寸

經(jīng)測(cè)繪,扇形股塊輪廓面積SF校正為198.85 mm2,扇形股塊圓弧半徑r校正為17.9 mm。

經(jīng)校準(zhǔn),該扇形股塊輪廓的扇高H為17.12 mm,寬度B為19.97 mm。

2 實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜的生產(chǎn)工藝

2.1 工藝流程

實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜的生產(chǎn)工藝流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜生產(chǎn)工藝流程圖

2.2 實(shí)心鋁合金扇形股塊擠壓工藝

將直徑為15 mm 的8030 鋁合金桿連續(xù)引拽進(jìn)入旋轉(zhuǎn)凹槽擠壓輪中,鋁合金桿在固定槽中受到徑向擠壓和摩擦。鋁合金桿在巨大的擠壓和摩擦力下產(chǎn)生足夠的溫度并達(dá)到再結(jié)晶狀態(tài),經(jīng)由腔體從特制的扇形股塊擠壓模具中擠出并一次成型,擠壓溫度為320～330 ℃。

鋁合金桿擠壓成型后,經(jīng)過(guò)水槽冷卻。水槽出口采用萬(wàn)向竹節(jié)管?chē)娮?用壓縮空氣將鋁合金股塊的表面吹干,再采用2.2 kW 漩渦高壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的熱風(fēng),確保吹干股塊表面的水分。扇形股塊擠壓工藝生產(chǎn)流程見(jiàn)圖5。

圖5 扇形股塊擠壓工藝生產(chǎn)流程圖

2.3 實(shí)心鋁合金扇形股塊預(yù)扭工藝

為了確保導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,避免股塊合股時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)位、移位等不良情況,高壓電纜分割導(dǎo)體必須實(shí)行股塊的預(yù)扭。多股絞合分割導(dǎo)體在絞制過(guò)程中就可以實(shí)現(xiàn)一邊絞制壓型,一邊股塊預(yù)扭。其中,導(dǎo)體進(jìn)入預(yù)扭裝置之前會(huì)隨著絞體旋轉(zhuǎn),原理上相當(dāng)于絞合導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)放線。

通過(guò)驗(yàn)證,實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體無(wú)法像絞合導(dǎo)體那樣實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)放線,因此在試制生產(chǎn)時(shí),通過(guò)在特種設(shè)備上實(shí)現(xiàn)扇形股塊的預(yù)扭。扇形股塊預(yù)扭流程見(jiàn)圖6。

圖6 扇形股塊預(yù)扭工藝流程圖

設(shè)備操作系統(tǒng)有退扭模式和不退扭模式兩種。扇形股塊預(yù)扭,選用不退扭模式即放線盤(pán)不旋轉(zhuǎn),在分線盤(pán)中心裝一組特制壓輪用來(lái)固定扇形股塊,并通過(guò)預(yù)扭頭與旋轉(zhuǎn)牽引的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)扇形股塊的預(yù)扭,預(yù)扭頭與旋轉(zhuǎn)牽引的旋轉(zhuǎn)角度一致,形成節(jié)距,預(yù)扭節(jié)距不大于40 倍的成纜外徑。設(shè)備采用分電機(jī)、無(wú)極調(diào)速,精確控制預(yù)扭節(jié)距,確保股塊預(yù)扭節(jié)距與后續(xù)股塊合股的節(jié)距保持一致。

2.4 實(shí)心鋁合金扇形股塊合股成纜工藝

1)選用合適材質(zhì)的并線模具。為避免金屬模具刮傷導(dǎo)體,在試制生產(chǎn)時(shí)選用尼龍材質(zhì)的并線模具,且嚴(yán)格控制導(dǎo)體外徑,確保導(dǎo)體不圓度不大于0.5 mm。

2)為保證成型效果,應(yīng)使扇形股塊成纜方向和股塊預(yù)扭方向保持一致,成纜的節(jié)距要和預(yù)扭的節(jié)距一致。

3)成纜時(shí)緩慢走線,時(shí)刻關(guān)注扇形股塊角度,一旦角度出現(xiàn)較大偏差,應(yīng)立即停機(jī)調(diào)整,否則股塊翻身通過(guò)模具,將很難修復(fù)。

4)選擇硬質(zhì)的牽引繩,牽引繩自身不能扭轉(zhuǎn),其與導(dǎo)體的連接采用鐵管壓接方式。牽引繩外徑應(yīng)與導(dǎo)體外徑相當(dāng),否則會(huì)出現(xiàn)節(jié)距不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

5)成纜時(shí)控制好放線至并線之間的張力。張力過(guò)大,并線導(dǎo)輪與股塊之間的摩擦力增大,影響股塊表面質(zhì)量;張力過(guò)小,影響股塊形狀,導(dǎo)致股塊預(yù)扭節(jié)距不均勻,從而造成合股時(shí)節(jié)距發(fā)生變化,導(dǎo)體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

3 產(chǎn)品性能

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸

試制的產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格為YJLH(S)LW02-64/110 kV 1×1 000 的電氣型式試驗(yàn)及非電氣型式試驗(yàn)項(xiàng)目均符合GB/T 11017—2014《額定電壓110 kV(Um=126 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》的規(guī)定。

實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜與多股絞合分割鋁導(dǎo)體高壓電纜的主要區(qū)別是導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。因此,關(guān)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)及測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)試數(shù)據(jù)mm

由表1 可知,電纜的實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)尺寸均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量合格。

3.2 導(dǎo)體直流電阻的測(cè)試

首先將股塊之間的絕緣紙去除,然后對(duì)股塊進(jìn)行還原并進(jìn)行導(dǎo)體直流電阻測(cè)試。受股塊間和股塊單線間接觸電阻等因素的影響,往往出現(xiàn)電阻測(cè)量不準(zhǔn)確的情況。尤其是鋁導(dǎo)體,表面形成的氧化層使測(cè)試的電阻忽大忽小,測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定。

導(dǎo)體直流電阻的測(cè)試采用四端測(cè)試技術(shù),兩個(gè)電流極,兩個(gè)電位極[5],導(dǎo)體直流電阻測(cè)試示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 導(dǎo)體直流電阻測(cè)試示意圖

多股絞合分割導(dǎo)體股塊之間、導(dǎo)體單線之間接觸存在差異,由此引起的差異性接觸電阻導(dǎo)致電位極的電壓不穩(wěn)定,電壓忽大忽小。根據(jù)歐姆定律,當(dāng)電壓變大時(shí),電阻測(cè)試值也變大;當(dāng)電壓變小時(shí),電阻測(cè)試值也變小。

采用實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體能有效避免單絲之間接觸不充分造成的電阻測(cè)試差異,但是股塊接觸不充分造成的電阻測(cè)試差異仍然存在。因此,本工作采用金屬壓接法對(duì)實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體進(jìn)行電阻測(cè)試,在電流引入端采用內(nèi)徑與分割導(dǎo)體外徑相當(dāng)?shù)慕饘俟軐?duì)試樣所在電流夾位置處進(jìn)行有效壓接。一方面,可以破壞導(dǎo)體表面的氧化層;另一方面,可以使扇形股塊之間充分接觸,保證測(cè)試電流在導(dǎo)線中分布均勻,壓接后的導(dǎo)體與接頭融為一體。電位電極端采用直徑為1.0 mm 的軟銅絲在分割導(dǎo)體外緊密纏繞1～2 圈后打結(jié)引出,以防松動(dòng)。本工作對(duì)6 個(gè)不同樣品的直流電阻進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)心鋁合金分割導(dǎo)體直流電阻測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2 可知,根據(jù)GB/T 3956—2008 中電纜的導(dǎo)體要求,1 000 mm2實(shí)心鋁合金導(dǎo)體的20 ℃直流電阻應(yīng)不大于0.029 1 Ω·km-1。經(jīng)測(cè)試,試制的實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體20 ℃時(shí)的直流電阻均不大于0.029 1 Ω·km-1。采用該方法測(cè)試,6 個(gè)不同樣品電阻的相對(duì)偏差均在±0.5%以?xún)?nèi),導(dǎo)體的電阻穩(wěn)定。

3.3 電纜交流電阻測(cè)試

本工作對(duì)電纜樣品在20～90 ℃不同溫度下的導(dǎo)體交流電阻進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 實(shí)心鋁合金分割導(dǎo)體交流電阻測(cè)試結(jié)果

由表3 可知,導(dǎo)體交流電阻測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算值的相對(duì)偏差均在-1.0%以?xún)?nèi)。后續(xù)可進(jìn)行典型敷設(shè)條件下載流量的計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

本工作系統(tǒng)分析了實(shí)心分割導(dǎo)體與多股絞合分割導(dǎo)體在高壓電纜產(chǎn)品中的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜進(jìn)行設(shè)計(jì)和試制生產(chǎn)。經(jīng)檢測(cè),各項(xiàng)性能均符合GB/T 11017—2014《額定電壓110 kV(Um=126 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》的要求。通過(guò)對(duì)電纜附件金具壓接的溫升研究,驗(yàn)證導(dǎo)體與金具壓接處溫升變化,致力于解決多芯絞合分割鋁導(dǎo)體高壓電纜在應(yīng)用中出現(xiàn)的接頭蠕變?cè)斐山宇^松動(dòng)等問(wèn)題。實(shí)心分割鋁合金導(dǎo)體高壓電纜的開(kāi)發(fā)符合我國(guó)電纜工業(yè)以鋁代銅的趨勢(shì)。后續(xù)將繼續(xù)深入研究電纜附件金具壓接部位的損耗及熱循環(huán)試驗(yàn)。