無縫平滑鋁套電纜的設計及應用

金金元，陳朝暉，葉香微，錢朝輝，金宏磊

(1.浙江晨光電纜股份有限公司，浙江 嘉興 314200；2.國網福建省電力有限公司廈門供電公司，福建 廈門 361000；3.東莞電力設計院有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引言

高壓電力電纜運行的可靠性是電網安全的重要保證，但近年來，國內多地輸電系統運行的高壓皺紋鋁套電纜屢屢出現電腐蝕現象，嚴重時會造成電纜擊穿，給電網安全運行帶來嚴重隱患。在此背景下，一種新型的復合平滑鋁套電纜產品應運而生。該電纜結構緊湊，外護套與鋁套粘合成一個整體，但國內這種復合平滑鋁套電纜基本都采用氬弧焊工藝生產，俗稱有縫平滑鋁套。由于氬弧焊生產的鋁套有一條焊縫，如果焊縫表面稍有不平，焊縫向內凸起，經過拉拔縮緊后會有壓傷外屏蔽或絕緣的風險。為進一步提高平滑鋁套質量，創新設計了無縫平滑鋁套電纜及其生產工藝，實現了平滑鋁套內外表面無縫光滑的工藝創新。無縫平滑鋁套和電纜緩沖層緊密接觸，接觸面積大，可有效預防電纜緩沖層接觸不良而產生放電現象，避免電纜內部放電燒蝕，保證電纜的長期運行安全。

1 無縫鋁套擠出工藝設計

1.1 工藝方案及生產線設計

為優化焊接平滑鋁套質量，在焊接平滑鋁套電纜生產工藝的基礎上，根據已經研發掌握的連續包覆無縫皺紋鋁套技術，結合平滑鋁套電纜一體化連續生產特點，設計開發出一種全新的無縫平滑鋁套電纜生產工藝，消除氬弧焊焊縫可能存在的內突風險，實現平滑鋁套內表面無縫光滑的質量提升。

1) 工藝方案確定。無縫平滑鋁套工藝方案所需的生產線配置由某公司提出與設計，并與國外知名設備制造商開展合作，建設了一條無縫平滑鋁套電纜生產線，并首次應用于該公司無縫平滑鋁套電纜的研制生產中。

2) 生產線設計。該生產線的設計組成主要包括電纜絕緣線芯放線、芯線位置控制、前置牽引1、鋁桿放線、鋁桿清洗單元、擠鋁主機、冷卻系統、后置牽引2、電纜位置控制、鋁套縮緊裝置、后置牽引3、鋁套感應預熱裝置、φ30+φ120+φ60多層共擠擠塑機、冷卻水槽、吹氣干燥、噴碼計米機、后置牽引4、收線架，以及整條生產線聯動電氣控制系統等；輔助單元包括感應加熱爐、機頭旋轉機構、工作臺和機頭清洗裝置等，分別用于機頭的預熱和清理。工藝控制由CDS計算機系統執行，系統運行環境為Windows XP，與裝在驅動系統的Siemens S7-200 PLC系統相通，用于選擇和記錄數據，能夠以列表和圖解形式顯示數據，可用于實時質量控制，設備最大可生產500 kV 1×2 500 mm2無縫鋁套電纜。

3) 鋁桿的放線和清洗設計。設計的平滑鋁套連續擠壓工藝是以兩根直徑φ12 mm鋁桿為原材料，鋁桿放線是實現連續擠出鋁套的關鍵，采用圈式放線保證了大長度電纜生產的連續性。原料放線為直徑φ12 mm的兩根鋁桿，兩根鋁桿在進入擠壓機之前，專門設計一套輔助裝置用于對運動中的兩根鋁桿進行矯直，并設計聯動的圓形細銅絲刷子對鋁桿表面清潔，然后進行清洗，洗去鋁桿上的氧化層和油污，保證進入擠壓機的鋁桿表面潔凈，避免擠出的鋁套內產生雜質、氣孔或其他瑕疵。

4) 線芯防燙傷設計。在電纜線芯和鋁管內壁之間，設計了一個帶夾層的冷卻水管，避免高溫狀態下的鋁管對電纜線芯灼傷。鋁管形成之后，必須立即進行外部冷卻，為此設計采用四周水幕冷卻方式，其特點是使鋁管冷卻均勻且不間斷，保證鋁管的圓整度，并有效避免電纜絕緣線芯在?？谔幨苓^熱傷害，確保絕緣線芯不受灼傷，從而解決了擠出鋁套燙傷絕緣線芯的技術難題。

5) 線芯緩沖層防潮設計。采用特殊材質制作的鋁管擠出模具，正常擠出鋁管時的管口是全封閉的，擠出鋁管后水幕冷卻時的水汽被完全阻隔在擠出鋁套的正前方，確保進入擠出鋁管機頭內的電纜緩沖層始終處于干燥狀態，從而完全避免緩沖層受潮，進一步消除制造過程中電纜緩沖層受潮問題。

1.2 鋁套同心度及圓整度設計

為了保證鋁套的同心度與圓整度，對擠出模具進行精密設計，對溫度進行精準控制。

1) 鋁套擠出溫度及模芯設計。對模具進行反復設計改進，將原來設計的流道層壓板式模芯改為古堡式模芯，使鋁在模腔內分布均勻，確保鋁材在流道中的壓力保持一致，從而使擠出鋁管的厚度保持均勻。熔融的鋁溫度約為500 ℃，兩個流道的鋁在模腔內混合，并在模芯和蓋板之間形成鋁管，為了保證鋁管厚度的均勻性，又對模芯座的流道進行了反復設計改進，并通過試驗證明電纜外徑相近的規格可以采用同一個模芯座。

2) 擠壓機頭預熱溫度設定。溫度不同會導致鋁材的流速和壓力不同，在原料鋁桿連續不斷進入擠壓輪后，摩擦生熱，與機頭上部的感應傳感器溫度達到基本平衡。為了保證鋁套厚度均勻，需對各部分的溫度進行精準控制，擠壓的預熱溫度設定比較關鍵，如果預熱溫度不合理，就不能保證剛開機時擠出的鋁套很圓整。經過多次試制，總結出預熱時的合適溫度，機頭預熱外部溫度設定(550±5) ℃，底部(500±5) ℃，上部(480±5) ℃，最終試制順利。

2 無縫鋁套縮徑工藝設計

2.1 鋁套縮徑及工藝方式

從擠壓機連續擠出鋁套時，與絕緣線芯的緩沖層間留有一定間隙，因為擠出時如果鋁套太緊，極易燙傷緩沖層或電纜線芯，而且擠出鋁套表面會出現不平整；如果鋁套與電纜緩沖層間有一定間隙，也會存在間隙偏大、接觸不良的風險，且電纜彎曲時鋁套會起皺而影響電纜產品質量。因此，擠出后的鋁套一定要進行縮徑。目前，鋁套縮徑工藝方式大致有兩種：一是拉拔式縮徑，采用這種縮徑方式時，電纜承受的牽引力較大，而且大規格電纜的鋁套越厚，承受的牽引力會更大，對設備性能也是一種考驗；二是輥輪式縮徑，采用這種無摩擦的輥輪縮徑方式時，電纜承受的拉力不大，且不受電纜規格限制，其拉力主要是牽引力。因此，綜合來看，后一種輥輪式縮徑工藝性能更優。

2.2 輥輪式縮徑工藝設計

針對輥輪式新型縮徑工藝，與英國BWE公司合作，專門設計了一組輥輪式無縫鋁套縮徑裝置，可以對包覆緩沖層纜芯的無縫鋁套進行縮徑。輥輪裝置共有三個壓輥，每個壓輥都設計成內弧凹形擠壓面，三個內弧凹形擠壓面設計成機械齒輪傳動，可以各自同時向內收攏，全部向內收攏后，會自動對正中心處形成一個完整的圓形孔。這樣的縮徑輥輪共有三組，每組的角度分別對正中心處旋轉180°，相當于整個圓周的每個面均會產生壓力等同的縮緊力。對縮徑后的鋁套進行嚴格檢測，反復測試鋁套的圓整度和外徑尺寸，如果外徑偏大，還可以手動調節三個壓輥的緊壓程度，適當調整直至縮徑后的鋁套外形尺寸符合工藝要求?？s徑后的鋁套表面無刮痕、無飛邊、無壓痕，既滿足鋁套的圓整度和內外表面光滑度要求，又符合對應的鋁套外徑正負公差要求。

3 護套三層共擠工藝

3.1 三層共擠工藝設計

復合平滑鋁套是把鋁套與熱熔膠、外護套、導電層等多層牢牢粘合并復合在一起的復合型護套，復合的目的就是防止電纜在生產收線和現場安裝彎曲時護套產生起皺缺陷現象。為此，在研發焊接平滑鋁套涂覆熱熔膠技術的基礎上，進一步設計了全新的護套三層共擠工藝。

此外，與奧地利ROSENDAHL公司合作，設計采用φ30+φ120+φ60三臺擠塑機共同組合成一整套擠塑機頭，可同時擠出熱熔膠、外護套、導電層，擠出的三層厚度均勻，粘合牢固。該擠出設備與英國BWE公司的擠壓鋁套設備組合成連續的一體化無縫平滑鋁套電纜新型生產線，重點解決了生產線各設備部件的同步問題，在電氣控制系統環節攻克了許多難題，并形成了一套無縫平滑鋁套電纜特殊的制作工藝。

3.2 三層共擠工藝流程

1) 設計工藝流程。導體拉絲退火→導體線芯股塊絞合緊壓→導體股塊線芯成纜→三層共擠試交聯→烘房去氣→繞包半導電緩沖層+金屬絲布帶→擠出鋁套→輥輪縮徑鋁套→鋁套預熱→熱熔膠、外護套、導電層三層共擠→水槽冷卻→收線→出廠試驗→入庫。

2) 關鍵操作步驟。在無縫平滑鋁套電纜護套三層共擠前，設計加裝一套鋁套感應加熱裝置，因為擠出鋁套通過輥輪縮徑后，由于牽引的距離較長，鋁套在進入擠塑機頭時表面已處于冷態，基本接近室內溫度。在進行護套三層共擠時，熱熔膠擠包遇到冷態的鋁套表面會導致熱熔膠快速固化，造成與鋁套之間的粘合不牢靠，電纜收線彎曲時護套表面會產生起皺的現象。為了提高熱熔膠與鋁套之間的粘合力，縮徑后的鋁套一定要在熱態時進入三層共擠機頭。因此，在擠塑機前設計加裝了一種鋁套感應加熱裝置，給縮徑后的鋁套預熱，預熱溫度設計在120 ℃左右，以保證鋁套在牽引運動過程中不會燙傷線芯，使鋁套、熱熔膠、外護套、導電層粘合牢固。

3) 冷卻工藝要求。三層共擠護套后的無縫鋁套電纜，需經過水槽冷卻，使鋁套、熱熔膠與外護套牢固粘合，最后通過牽引機把無縫鋁套電纜繞上收線盤。由于聚乙烯護套材料彈性模量較大，因此，彎曲收線時護套不會起皺。取小段成品電纜對護套進行噴燈加熱，在熱熔膠處于熔融狀態時，及時用專用工具剝離外護套，目測鋁套內表面光滑，無凹凸現象，然后對成品電纜進行局部放電、交流耐壓以及外護套耐壓試驗，試驗合格。

4 無縫鋁套性能試驗

4.1 無縫鋁套力學強度試驗

為了分析擠出無縫鋁套的力學機械性能，取兩段縮徑前后的無縫平滑鋁套樣品，委托西安交通大學電氣絕緣研究中心國家重點實驗室，對無縫鋁套進行拉伸試驗，研究護套的橫向及縱向拉伸力學性能特征；對比縮徑前后平滑鋁套的拉伸性能差異和縮徑前后對鋁套力學性能的影響(見表1)。

表1 縮徑前后鋁套試驗數據

綜上數據對比分析，縮徑后的鋁套試樣沿橫向的強度和塑性參數均有所提高，沿縱向的強度和塑性參數則相應下降，但變化幅度均在20 %以內。因此，縮徑過程導致鋁套沿橫向的力學性能有所提高，而沿縱向的力學性能略有降低。此外，排除試樣數量不同的影響，從拉伸曲線上看，縮徑后鋁套的性能變得更加穩定，分散性變小。鋁套縮徑后的橫向強度和塑性參數提高意味著鋁套的抗側壓力和抗沖擊力提高，縱向強度和塑性參數降低，說明鋁套的彎曲性能更好了。

4.2 無縫鋁套電纜彎曲試驗

4.2.1 電纜彎曲試驗

對無縫平滑鋁套電纜的彎曲性能進行試驗研究，結果顯示無縫平滑鋁套電纜完全能滿足20倍電纜直徑彎曲要求，滿足現場敷設要求；試制的YJLP03-Z 64/110 1×630無縫平滑鋁套電纜，委托國家電線電纜質量監督檢驗中心加做了平滑鋁套“20倍電纜直徑的彎曲試驗”，試驗結果完全符合標準要求。

4.2.2 電纜抗沖擊試驗

委托國家電線電纜質量監督檢驗中心對無縫平滑鋁套電纜進行抗沖擊試驗，參照IEC TR61901—2016 (Tests recommended on cables with a longitudinally applied metal foil for rated voltages above 30 kV (Um=36 kV) up to and including 500 kV (Um=550 kV))的試驗方法和要求，從0.27 m高處對長1 m的平滑鋁套電纜拋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；沖擊物有一個1 mm曲率半徑和90°的楔形接觸面；最終，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。

無縫平滑鋁套與絕緣線芯成為整體，相當于實芯體，提高了側面抗沖擊能力和抗側壓能力；無縫平滑鋁套電纜結構緊密，增大了線芯內外結構層之間的摩擦阻力，十分有利于高落差豎井中的垂直敷設和運行，線芯不會滑移損傷，鋁套也不會起皺。

通過以上試驗證明，無縫平滑鋁套電纜彎曲性能與皺紋鋁套電纜基本等同，完全可以滿足現場敷設要求，且垂直敷設比皺紋鋁套電纜更方便和安全。

4.3 敷設應用試驗研究

為了驗證無縫平滑鋁套電纜現場應用彎曲及側壓能力，選取規格為YJLP03-Z 64/110 1×800的平滑鋁套電纜進行彎曲試驗，成品電纜直徑約92 mm，長約100 m。敷設完成后，檢查平滑鋁套電纜及牽引頭表面是否損傷。最后按現場驗收標準對電纜外護套進行直流耐壓試驗。結果顯示，電纜表面無損傷，護套無起皺，外觀圓整，目測檢查通過；彎曲及拖拉時的側壓力為2 800 N/m，符合GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》附錄H中側壓力小于3 000 N/m的要求，試驗合格。

對經過現場彎曲拉拔施工的電纜外護套進行機械物理性能試驗，結果顯示外護套抗拉強度達到23.8 N/mm2，伸長率達到680 %，主要試驗數據見表2。

表2 外護套機械物理性能試驗數據

5 結束語

研發的110 kV無縫平滑鋁套電纜已通過國家電線電纜質量監督檢驗中心的型式試驗，性能指標優良，產品已在某供電公司得到應用，運行良好。

無縫平滑鋁套電纜制作工藝先進，結構緊密，鋁套內外表面光滑無凹凸，實現了平滑鋁套內外表面無縫光滑的工藝創新；無縫平滑鋁套電纜在結構設計、機械性能、安裝敷設等方面有較大的安全技術優勢，鋁套與絕緣線芯成為整體，提高了抗側面沖擊能力和抗側壓能力，彎曲性能優，還可預防電纜在運行中發生內部電腐蝕的風險。

從需求側看，在國內由于敷設環境及施工過程的限制，基本上是采用皺紋鋁套電纜以降低電纜受機械損傷的風險。但隨著行業的發展、技術的進步以及有關部門的重視，國內電纜的敷設環境及施工設備得到了很大提升，給無縫平滑鋁套電纜的應用創造了良好條件。

從供給側看，國內部分制造企業已具備平滑鋁套電纜的研發與生產能力，并取得了一定的技術進展。但是，對于這種新型的電纜結構，需要從設計、施工及應用等多個方面開展系統全面的研究，從而為電纜的實際工程應用提供指導，保證電網的安全運行。