金金元，陳志忠，陳朝暉，金宏磊，張仲奇

(1.浙江晨光電纜股份有限公司，浙江 嘉興 314200；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福建 福州 350000；3.國網(wǎng)福建省電力有限公司廈門供電公司，福建 廈門 361000)

0 引言

近年來，我國發(fā)生了多起因高壓電纜半導電緩沖層與皺紋鋁護套之間放電燒蝕引發(fā)的電纜本體故障。據(jù)統(tǒng)計，該類電纜故障數(shù)量已超過外力破壞、多點接地、交叉互聯(lián)接地線盜割等產(chǎn)生的故障數(shù)量，成為引發(fā)電纜本體故障的首要原因。為此，研發(fā)了平滑鋁護套電纜。該電纜結構緊湊，涂敷熱熔膠防腐層后，電纜的外護套與鋁套粘合成一個整體，簡稱平滑鋁護套電纜。該電纜彎曲性能優(yōu)良，鋁護套和緩沖層之間緊密且縫隙小，阻水效果更好；鋁護套和電纜外屏蔽表面屬于整體接觸，接觸面積大，降低了鋁護套表面的感應電流密度，有效預防電纜內部緩沖層接觸不良而產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，避免電纜內部的放電燒蝕現(xiàn)象，更能保證電纜的安全運行。

1 瀝青涂覆工藝設計

1.1 平滑鋁護套瀝青涂覆工藝設計

目前，皺紋鋁護套高壓電纜均采用瀝青作為防腐層，在正常生產(chǎn)情況下，瀝青涂覆厚度均勻，不會出現(xiàn)漏涂等不良現(xiàn)象，且在收線時電纜表面一般不會出現(xiàn)質量問題。然而，平滑鋁護套高壓電纜采用瀝青作為防腐層時，即使在正常生產(chǎn)情況下，在成品電纜收線上盤后，電纜內側護套表面仍會出現(xiàn)弓起或起皺現(xiàn)象，并且這種護套弓起現(xiàn)象是連續(xù)性的，一般1 m 左右出現(xiàn)1 個，嚴重影響了電纜外觀產(chǎn)品質量。

對護套出現(xiàn)弓起或起皺的位置進行解剖分析，發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因為鋁護套先起皺后造成外護套也弓起，在弓起的部位，瀝青與平滑鋁護套是脫開的，沒有完全粘合在一起。經(jīng)過對比分析，皺紋鋁護套電纜依靠鋁護套的皺紋正諧波彈性收縮，收線上盤時護套皺紋有收縮空間，所以外護套不會出現(xiàn)弓起或起皺現(xiàn)象；而平滑鋁護套電纜經(jīng)彎曲收線上盤時，內側鋁護套沒有彈性收縮空間，向電纜盤內側彎曲收線時鋁護套會起皺或弓起，嚴重影響電纜外觀產(chǎn)品質量。鋁護套弓起或起皺后，經(jīng)過收線纏繞，有可能壓壞電纜絕緣層，造成電纜出廠試驗不合格。另外，電纜在施工敷設彎曲時，電纜的護套弓起或起皺現(xiàn)象可能會更嚴重，對電纜的安全運行產(chǎn)生危害。

為此，檢視了平滑鋁護套電纜生產(chǎn)工藝流程：拉絲退火→線芯股塊絞合緊壓→股塊線芯成纜→VCV 三層共擠干式交聯(lián)→烘房去氣→繞包半導電緩沖層→焊接鋁套→拉拔平滑鋁套→涂覆瀝青→外護套、導電層雙層共擠→出廠試驗(局放耐壓檢測)→入庫。其中涂覆瀝青工序是在拉拔后的平滑鋁護套外涂覆一層瀝青，以達到防腐作用。平滑鋁護套電纜的鋁套外涂覆瀝青的工藝要求是：使用氬弧焊或連續(xù)擠包在電纜的纜芯上制成鋁護套，鋁護套經(jīng)過拉拔后，包覆緊密平滑鋁護套的電纜半成品經(jīng)牽引通過瀝青缸，使瀝青涂覆在鋁套四周表面，厚度均勻，然后通過擠塑機雙層共擠外護套后再進入水槽冷卻，瀝青冷卻后凝結形成防腐層，最后把包覆瀝青及外護套的成品平滑鋁護套電纜繞上收線盤。經(jīng)過多次試制，平滑鋁護套涂覆瀝青時這種護套弓起現(xiàn)象仍無法消除，這表明涂覆瀝青工藝并不適用平滑鋁護套電纜防腐層的制作。

1.2 平滑鋁護套熱熔膠涂覆工藝開發(fā)

為了設計開發(fā)出適合平滑鋁護套電纜防腐制作工藝的新型材料，按國家標準GB/T 11017—2014，并結合國外平滑鋁護套電纜防腐材料涂覆技術，根據(jù)標準規(guī)定電纜鋁護套表面應有瀝青或熱熔膠防腐層，由此設計一種新型的熱熔膠防腐涂覆工藝，設計研發(fā)平滑鋁護套電纜涂覆用的熱熔膠材料。

2 熱熔膠材料設計及試驗

2.1 熱熔膠的成分分析及強度測試

最初試制平滑鋁護套電纜所用的熱熔膠，是根據(jù)熱熔膠生產(chǎn)廠家傳統(tǒng)設計的熱熔膠，進行了粘度的特殊配方調整，設計了一種固化性熱熔膠，其特點是改善熱熔膠耐高溫特性，提高軟化點至少到120 ℃以上，從而擴大其使用范圍。這種熱熔膠對玻璃、鋁合金、鍍鋅鋼、不銹鋼、鋁套等材料有良好的粘合性。為了進一步研究基體材料組成，取部分熱熔膠粒子通過平板硫化機制得熱熔膠試樣薄片，委托西安交通大學電氣絕緣國家重點實驗室對其進行傅里葉變換紅外光譜分析，實驗設備為賽默飛世爾公司生產(chǎn)的紅外光譜儀，型號為 Nicolet iZ1，測試模式為衰減全反射。其紅外光譜如圖1所示。由圖1 可知，該熱熔膠的主要成分為聚氨酯(圖中3)、氨基甲酸酯基(-NHCOO-)(圖中2)以及異氰酸酯基（-NCO)(圖中1)，都為聚氨酯的特征基團。

圖1 試制電纜用熱熔膠的紅外光譜

2.2 熱熔膠粘合剝離強度試驗

(1) 試驗樣品制備及試驗設備。CIGRE TB 446 標準指出，對于平滑金屬護套和非金屬外護套的復合結構，界面應具有足夠高的剝離強度。為了檢驗試制電纜用的熱熔膠的剝離強度是否合格，根據(jù) GB/T 2791—1995 分別設計制作兩組各5 片試樣：主要成分為聚氨酯熱熔膠的試樣作為第一組；主要成分為乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)熱熔膠的試樣作為第二組。試樣的尺寸和結構設計，如圖2 所示。制成的熱熔膠剝離強度試樣，設計成將剝離試樣未粘接端的鋁片和MDPE 外護套料分開，分別夾持于拉伸試驗機的夾持器中，試驗設備為CMT4503 電子萬能試驗機。

圖2 熱熔膠T 型剝離強度試樣

(2) 試驗方法。給試樣試驗的拉伸速度設計按標準為100 mm/min。測得主要成分為聚氨酯熱熔膠的第一組5 片試樣室溫下的平均剝離強度為2.27 N/mm；測得主要成分為乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)熱熔膠的第二組5 片試樣室溫下的平均剝離強度為8.18 N/mm，均高于CIGRE TB 446 推薦的標準值(大于1.5 N/mm)，說明兩種配方的熱熔膠剝離強度均滿足標準要求。

(3) 試驗結論。根據(jù)設計的復合平滑鋁護套電纜技術特點，外護套與鋁護套之間粘合強度越大，也就是剝離強度越大，說明熱熔膠的粘合力越大。研究表明，對于高電壓等級的大截面電纜，熱熔膠的粘合力越大越好。

2.3 熱熔膠材料的確定

經(jīng)多次設計研發(fā)及多次試驗，發(fā)現(xiàn)乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)熱熔膠可替代瀝青作為防腐材料用于平滑鋁護套電纜。因此利用其優(yōu)良的粘附力，把外護套和鋁護套牢牢粘合在一起成為一個整體，緊密聯(lián)結的復合鋁和PE 護套的彎曲半徑可符合高壓電纜相關國家標準要求，并且電纜表面平整，不產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。EVA 熱熔膠是由基本樹脂(乙烯與醋酸乙烯)再配以增粘劑、粘度調節(jié)劑、抗氧劑等在高壓下共聚而成的。EVA 熱熔膠的熔點一般在150 ～180 ℃，是一種不需溶劑、不含水分、100 %的固體可熔性的聚合物，其在常溫下為固體，加熱熔融到一定程度就可變?yōu)槟芰鲃忧矣幸欢ㄕ承缘囊后w粘合劑，其熔融后為淺棕色半透明體或本白色，熱熔膠涂敷在平滑鋁套表面后，利用其粘附力，把鋁護套與電纜外護套粘合成一個整體，保證電纜的彎曲半徑符合標準要求，并且彎曲時護套不會起皺；對于大截面電纜，熱熔膠的粘合力越大越好，確保平滑鋁護套電纜產(chǎn)品質量。

2.4 熱熔膠的涂覆工藝設計

經(jīng)過反復試制，最終平滑鋁護套電纜熱熔膠涂覆工藝流程設計為：繞包半導電緩沖層的纜芯→焊接鋁護套→拉拔鋁護套→鋁護套預熱→涂覆熱熔膠→外護套、導電層雙層共擠→水槽冷卻→成品收線。該工藝流程中繞包緩沖層的電纜半成品從放線架中放出，經(jīng)過鋁護套后，進入鋁護套拉拔，然后鋁護套進入預熱裝置，使處于熱態(tài)的鋁護套進入熱熔膠涂覆裝置；然后迅速進入擠塑機進行外護套和導電層雙層共擠，利用熱熔膠的優(yōu)良粘附力，把外護套、導電層和鋁護套牢牢粘合在一起成為一個整體；后再經(jīng)過水槽冷卻，使包覆在鋁護套上的熱熔膠層和外護套一起冷卻，冷卻結實后，電纜從水槽中穿出后由牽引機牽引卷入收線盤。電纜彎曲收線時利用外護套的彈性模量大、彎曲收縮量大等特性，可使電纜外護套不產(chǎn)生弓起或起皺，確保了平滑鋁護套電纜的外觀和質量。

3 兩種電纜結構及機械安全性能對比

3.1 結構參數(shù)對比

以設計試制的平滑鋁護套電纜YJLP03-Z 64/110 1×800 mm2為例，涂敷熱熔膠的平滑鋁護套電纜與皺紋鋁護套電纜外徑相比，減少了約10 %。經(jīng)過計算，其他電纜規(guī)格外徑減小也基本接近10 %左右。外徑小了2 ～3 檔規(guī)格，如平滑鋁護套110 kV 1 200 mm2的電纜外徑相當于皺紋鋁護套800 mm2電纜的外徑。這對于穿管電纜或者狹小的安裝空間，優(yōu)勢十分明顯。具體對比見表1。

表1 皺紋鋁護套電纜與平滑鋁護套電纜外徑對比

3.2 彎曲機械性能對比

(1) 電纜彎曲試驗對比。依據(jù)皺紋鋁護套電纜滿足20 倍電纜彎曲直徑的要求，經(jīng)過研究試驗，平滑鋁護套電纜也能滿足20 倍電纜彎曲直徑要求，滿足現(xiàn)場敷設要求；將研究試制的YJLP03-Z 64/110 1×630 復合平滑鋁護套電纜，委托國家電線電纜檢驗中心加做了“20 倍電纜直徑的彎曲試驗”，試驗報告編號為CT20-02239G，試驗結果完全符合標準要求(見表2)。

表2 平滑鋁護套電纜彎曲試驗數(shù)據(jù)

(2) 其他機械性能對比。

① 平滑鋁護套電纜抗沖擊試驗。委托國家電線電纜檢測中心進行試驗，報告編號CT20-02239G，試驗參照IECTR 61901—2016：從0.27 m高處對1 m 長的平滑鋁護套電纜拋27 kg 重物，在外護套上取一個點進行沖擊試驗，反復4 次，再對沖擊點相反的位置進行沖擊試驗，反復4 次，且沖擊物有一個1 mm 曲率半徑和90°的楔形接觸面。試驗后對電纜解剖檢驗，結果顯示沖擊點無穿刺損傷，絕緣無變形，沖擊位置無侵入絕緣的銳角形變，完全符合標準要求。

② 平滑鋁護套耐側壓水平相對皺紋鋁護套略有優(yōu)勢，由于平滑鋁護套結構緊密，鋁護套與電纜絕緣線芯基本已是實心體，抗側壓力增加，具體差異還與電纜外護套材料的軟硬特性有一定關系。

③ 耐振動性能受電纜本身結構緩沖特性的差異影響，平滑鋁護套電纜相對皺紋鋁護套電纜略有不如。

3.3 材料成本對比

(1) 電纜材料計算。以110 kV 1×1 000 mm2電纜規(guī)格為例，每百米平滑鋁護套電纜相比皺紋鋁護套電纜，電纜鋁護套、瀝青(熱熔膠)、外護套、導電層均節(jié)約10 %左右，電纜各部件總重量減少2.1 %。

(2) 電纜材料成本計算。銅的價格按照6.5 萬元/t 計算，每百米平滑鋁護套電纜相比皺紋鋁護套電纜，電纜鋁護套、瀝青(熱熔膠)、外護套、導電料的成本均節(jié)約10 %左右，電纜各部件總成本減少1 %～2 %，這是由于銅材和絕緣料在電纜成本中占比最高的因素造成的。

所以，在電纜的制造成本上，涂覆熱熔膠的平滑鋁護套外徑小，可減少鋁護套、外護套、導電層等材料成本，在經(jīng)濟上具有明顯的優(yōu)勢。

4 電氣安全性能對比分析

4.1 鋁護套與緩沖層電氣接觸對比

電纜鋁護套與緩沖層的電氣接觸有3 種方式：鋁護套與緩沖層的點接觸、線接觸和面接觸，3 種接觸點的電流密度相差很大。

(1) 皺紋鋁護套結構特點是鋁護套與緩沖層屬于點式和線式接觸，雖然點和線接觸也能良好接觸，但接觸面積有限。目前，出現(xiàn)的有關皺紋鋁護套電纜放電的原因比較多，例如緩沖帶的電阻率原因、緩沖帶的化學成分原因、緩沖層的受潮原因，鋁套與緩沖層的間隙原因以及引起放電的外部原因等等，且與敷設環(huán)境也有關系。比較一致的看法是電纜緩沖層與鋁護套存在電化學腐蝕現(xiàn)象。燒蝕集中在緩沖層與鋁護套緊密接觸的地方，說明其與局部電流產(chǎn)生的高溫有關，而局部的高溫是由于接觸不均勻造成的。電纜在短至2～3 年，長至5～10 年，均會發(fā)生這種電腐蝕現(xiàn)象。

(2) 平滑鋁護套結構特點是鋁護套與緩沖層屬于面接觸，是理想的接觸方式。為了確保更可靠接觸，在緩沖帶外再繞包一層半導電金屬絲布帶，這種接觸方式可充分保證鋁護套與緩沖層之間整體緊密接觸，實現(xiàn)半導電緩沖層與金屬屏蔽層真正的良好電氣接觸，可消除鋁護套與緩沖層間的電腐蝕現(xiàn)象，更能確保電纜的安全運行。

(3) 從兩種電纜剖面結構對比分析(見圖3)可知，平滑鋁護套結構更加緊密，內部與緩沖阻水帶四周接觸均勻。平滑鋁護套與內層的半導電緩沖阻水帶之間無氣隙的緊密接觸，規(guī)避了因皺紋鋁護套結構中鋁護套與緩沖層氣隙間隔設置不當存在的懸浮電位放電的風險。

圖3 皺紋鋁護套與平滑鋁護套電纜剖面對比

4.2 載流量對比

(1) 載流量計算對比。與西安交通大學合作，以110 kV 1×800 mm2電纜規(guī)格為例，對皺紋和平滑兩種不同結構電纜的載流量進行評估計算，平滑鋁護套與皺紋鋁護套電纜參數(shù)除結構不同外，其余部分都相同，主要包括：線芯導體為銅，截面積為800 mm2；絕緣為XLPE，厚度為16 mm。

利用IEC 60287 推薦解析算法獲得皺紋鋁護套電纜的載流量1 323.6 A，平滑鋁護套電纜的載流量為1 461.5 A，平滑鋁護套結構相比于皺紋鋁護套結構電纜的載流量提高了10.4 %。

(2) 載流量試驗對比。委托中國電力科學研究院武漢分院進行載流量對比試驗，試驗結果顯示平滑鋁護套電纜載流量相比于皺紋鋁護套電纜載流量增加了17.3 %。

(3) 試驗研究結果。從計算和試驗結果分析可以看出，平滑鋁護套電纜結構緊密，內部熱阻減小，有利于載流量的增加；皺紋鋁護套電纜結構不太緊密，鋁護套與緩沖層之間存在間隙，內部空氣熱阻大，不利于散熱，載流量相對較低。

(4) 平滑鋁護套與皺紋鋁護套電纜的載流量有差別，但在局部放電、交流耐壓、絕緣電阻、直流耐壓等電氣性能方面基本一致。

因此，從上述試驗分析，電纜結構對載流量有影響，但影響載流量的因素較多，這方面仍需進一步試驗研究。

5 安裝敷設對比分析

采用平滑鋁護套結構設計是解決電纜本體內部電腐蝕的有效措施之一。皺紋鋁護套與平滑鋁護套電纜實物外觀對比如圖4 所示。

圖4 皺紋鋁護套與平滑鋁護套電纜實物外觀對比

涂覆熱熔膠的平滑鋁護套電纜除了使用安全以外，還具有安裝敷設方面的性能優(yōu)勢：

(1) 同規(guī)格平滑鋁護套電纜與皺紋鋁護套電纜相比，外徑減小，重量也減小，敷設時的牽引力相對就小，方便施工且安全性高。

(2) 由于平滑鋁護套電纜結構緊密、無皺紋、表面光滑，敷設施工時摩擦阻力小，穿管敷設方便，因此可以適當加快敷設速度，提高工作效率。

(3) 在電纜敷設成本上，平滑鋁護套電纜外徑小，可以減小預埋管道直徑，節(jié)約線路預埋管道等材料成本，在經(jīng)濟上具有明顯優(yōu)勢。

(4) 平滑鋁護套電纜具有更長的裝盤長度，可減少線路中間接頭數(shù)量，降低線路投資，進一步保證線路運行安全。

6 結論

通過以上分析研究可知，設計涂覆的平滑鋁護套熱熔膠防腐層具有高強度的粘合性，涂敷熱熔膠的平滑鋁護套電纜與皺紋鋁護套電纜安全性能對比，有許多優(yōu)勢：

(1) 瀝青涂敷工藝已不適應于平滑鋁護套電纜生產(chǎn)，只有在平滑鋁護套表面涂敷高強度粘附性的熱熔膠后，電纜在安裝彎曲時才不會起皺，其在生產(chǎn)及安裝時的彎曲半徑也與皺紋鋁護套電纜彎曲半徑相近。

(2) 與皺紋鋁護套電纜對比，無論是電纜結構設計、機械性能、電氣性能、安裝敷設等方面有較大的技術和經(jīng)濟方面的優(yōu)勢，主要的性能優(yōu)勢就是可有效解決皺紋鋁護套電纜在運行中存在內部電腐蝕的風險，確保電纜長期安全運行。

(3) 平滑鋁護套電纜結構設計合理，敷設環(huán)境良好時可以替代皺紋鋁護套電纜。這樣不僅可以節(jié)約生產(chǎn)、運輸及線路投資成本，還可增加載流量，更避免了緩沖層發(fā)生燒蝕故障的風險。

(4) 研發(fā)的110 kV 平滑鋁護套電纜已在國內電網(wǎng)公司(北京供電公司、廈門供電公司、杭州供電公司等)輸電線路正式運行，其中運行最長的已有一年半時間，預計近幾年的運行數(shù)量會逐漸增加。