35 kV电缆导体的结构性能研究

程 冲

（福州地铁集团有限公司，福建 福州 350009）

在城市轨道交通供电系统中，电力系统的110 kV高压电通过110 kV电力电缆接入地铁专用变电站，由地铁110/35 kV主变压器降压至35 kV后，再通过主变电站35 kV母线实现向各个车站的稳定供电，且这种供电系统的供电主要网络通过35 kv的交流电缆来实现车站沿线区域的供电效果。但供电过程中主干环网的电缆可靠性会影响到城市轨道交通供电系统整体上的稳定性，同时也会影响到整个轨道交通线路的安全稳定运行状态。随着电缆制造行业的发展，目前市面上的35 kV电缆规逐渐向300 mm2、400 mm2、500 mm2、630 mm2的大截面发展。电缆规格越大，用铜量也越多，随着近几年铜材价格的不断攀升，造成轨道交通行业供电系统建设过程中，电缆造价占比大幅攀升。目前国内主流电缆生产厂家电缆产品材料成本均占比较高，材料成本中的铜导体更是占70%以上。为此，很多企业在电缆导体上通过多种工艺改进和创新，在满足GB/T 3956-2008《电缆的导体》标准的前提下调整导体结构，例如改变了传统的圆形紧压导体结构，通过差异化导体结构的设计，促使导体在运行过程中取得预期的应用效果。具体来说，导体结构按照不同的形状状态，可进行进一步细分，但需要强调的是，应用过程中低压电缆和高压直流电缆，架空线路是导体结构架设的主要区域。应用在35 kV地铁电缆上并不多见。文章通过对比现有35 kV电缆圆形压紧、异性压紧结构，分析结构优劣以及异形结构电缆在运行情况方面进行分析阐述。

1 圆形35 kV电缆优缺点分析

1.1 圆形紧压导体的基本情况

电缆导体的作用及重要性：电缆导体主要承担电流传送的工作任务，当导体中有电流通过时，会产生一定的电流损耗，导体的温度也会因此而有所上升，温度上升会伴随电阻的增大状态。这时，导体的绝缘性能就会受到一定程度的影响，若导体温度与绝缘材料的工作温度承受范围出现矛盾冲突，绝缘材料就会受到损伤，出现老化或功能发挥异常的现象。具体表现在外部形态上主要是绝缘层出现软化变形的情况。若不及时采取措施进行处理，则会直接影响到相应的电缆在运行应用过程中的安全性，且电缆内部还有可能出现击穿事故，最终导致导体的整体状态和运行功能受到影响。

非紧压圆形导体柔软特性：主要是指在电缆的实践应用中，为了提升其自身的柔软程度和弯曲承受力，会通过电缆导体线芯的制作环节达到预期的要求。通常情况下，会通过多根小直径单线进行绞合的方式构建电缆内部的主体结构，单线的线芯具有柔软性能好且可弯曲的程度较大的优势。在具体的制作过程中，可通过合理的单线数量选择和制作工艺的应用，确保整体的导体结构柔软性。

圆形紧压导体工艺特性：这主要强调的是导体在圆形井压的结构中是基于非紧压圆形导体，通过单根导体正规绞合的方式形成具体的导体结构的导体与导体层之间的紧压密实度也处在较高的水平层次上。单丝结构主要在导体层之间发挥作用。在具体的导体作用发挥时，导体总根数会影响绞合方式，同时绞合紧压的方式也需要对减压系数进行合理控制。通常情况下，若单次的导体根数小于19根时，采用同向绞合的方式进行紧固，而若整体的单丝总根数大于19根，则需要在最外层实现反向绞合，内层则应用同向搅合方式，这种构建方式具有稳定性强、加工操作便捷性高的特征。需要强调的是，在绞合操作的过程中，导体在经过圆形挤压轮的过程会形成紧压模具，以此来完成导体单丝的挤压操作。另外，还需要对绞合导体之间的间隙进行合理控制。以此来减小导体绞合过程中的外径区域面积，最终促使电缆的绝缘效果和护套材料的用量得到优化控制。通常情况下，紧压圆形导体的适用范围主要集中在低压高压电力电缆的架空绝缘设置中。

1.2 圆形紧压导体存在的单丝间隙问题

虽然导体结构经过了减压模型的挤压过程，但紧压系数也只达到90%的水平。这时，导体的单丝之间仍然存在间隙或缝隙的问题。导体在应用过程中若属于规格范围较大的状态，则单丝在完成绞合和挤压操作后，外表面的单丝会出现一定的凹槽问题。另外，若采用的方式为交联三层共挤，则导体结构中的内屏蔽结构，会出现嵌入凹槽部分的情况，内屏蔽的厚度会因此受到影响。且这种缺陷由于更加具有细节性。因此，不易在初步出厂设置和检验环节及时被发现，但从实际的影响来说，内屏蔽的厚度不均匀会影响电缆的运行安全性，导致击穿问题的发生率有所提高。所以，GB/T12706.3-2020中规定500 mm2及以上电缆导体表面应有半导电带和挤出半导电层复合组成。

2 异形导体35 kV电缆优缺点分析

2.1 异形导体的基本情况

针对圆形紧压导体外表面单丝与单丝之间还有细小凹槽的问题，可以用提高导体紧压系数解决；但紧压系数过高，导体绞合后相对硬度增加，直流电阻反而变大。所以，过分提高导体紧压系数，不是最好的工艺方法。

异形紧压导体绞合工艺，该导体具有以下特点：①表面更光滑，能够促使电场水平更加均匀稳定，另外绝缘体的内外屏蔽层在结合紧密度上也更高，能够避免尖端放电现象的出现；②经过绞合处理后，导体的外径会有所缩小，从绝缘材料和护套材料应用的角度上来说，这有利于减少相关材料的应用量；③经过绞合处理后，单丝之间产生的缝隙相对较小部分情况下还可完全避免缝隙，这对于提高导体的阻水性能具有非常显著的促进作用。因此，异形紧压导体结构中的中压电缆不仅能够发挥出电气系统运行的相关性能，也能够通过电缆外径的控制，缩小整体的生产成本。

异形紧压导体绞合工艺要求很高，主要有：①异形线的导体设计需针对单层的单丝排布和整体结构进行针对性的控制和设计。并且要求单丝结构的分布呈现状态保持稳定。在生产的过程中也要注重单丝独立系统的形状和绞合角度的选择，绞合效果要达到紧密贴合的程度。另外，单丝翻身的问题也是需要杜绝的关键性问题。②导体绞合状态的紧密度，以及减压系数会上升到96%，另外单丝接触面也能够保证平整光滑，不出现凹槽问题。③导体稳定性相对更高，可适应于不同形状截面的异形导体应用。

生产异形线绞合导体有两种方式：首先是通过挤压成型的方式形成异型线条结构，随后通过绞合操作进行导体制作。其次是应用原单线通过挤压成型的方式达到导体构件的目标。在前一种方法应用的背景下，挤压成型的同时需进行退火操作，导体的截面减缩率也会因此而增大。另外，退火后导体内部单线的内部应力会相对更大。尤其是在导体规格较大的状态下，高压生产线的放线操作容易出现松散的问题。而后一种方式在实际应用的过程中会出现成型状态和结构稳定性不足的现象。另外，若束绞工艺的整体范围和导体规格处在相对更大的状态下，则也容易出现绞合效果松散的问题。

基于此，应当首先完成拉丝异形单线的拉动，随后再进行绞合导体的处理。这也是为了解决现有工艺应用中的实际问题。从应用优势上来讲，该导体成本低、结构稳定、不易出现生产工艺质量问题。

2.2 异形紧压绞合制作工艺

制作顺序的控制对于制作效果会产生非常直接的影响，在异形减压绞合制作工艺的推进过程中，需结合实际控制工艺推进流程，并且采取针对性的措施，对减压绞合制作工艺的效果进行优化控制，具体来说这个工艺包括以下几方面基本流程。

铜杆→异形铜单丝拉丝→异形导体绞合→三层共挤交联→铜带（铜丝）屏蔽→挤包内护套→金属装铠→挤外护套→测试→入库。

以WDZC-YJY63 26/35 1×400、导体规格为铜芯400 mm2为例。异形导体单丝尺寸改变了国内常规圆形紧压导体单线及绞合工艺，在满足国标GB/T 3956-2008第2种绞合导体最小根数和电阻标准的前提下改成异形单丝绞合结构，此生产工艺流程不变，变的是拉丝拉制的不是圆铜线，而是根据不同规格经合理的异形（T形或瓦形）线，绞制时通过独特的工艺，将异形单丝预先扭转的角度及异形整形模具绞合成形。

以铜芯400 mm2的单丝尺寸为例：异形紧压绞合导体中心位置单根圆形，单丝直径∮2.86，内层T形单丝2.86（50T），邻内层T形单丝2.86（120T），邻外层T形单丝2.86（240T）， 外层T形单丝2.86（400T）。绞合根数为54根。绞合导体最外层绞向为左向，相邻层绞向相反，绞合导体外径为22.2±0.2 mm。绞合后导体实测截面371.3 mm2，导体紧压系数为96%～97%，最后实测20 ℃导体直流电阻 0.0468 Ω/km，实测数据均符合GB/T 3956-2008标准要求。（注：T为内部标注的异形单丝的不同尺寸）

3 两种导体结构优劣对比

3.1 圆形、异性导体技术参数对比

以630 mm2和400 mm2两种紧压圆形和紧压异形导体规格为例，列出新旧工艺参数对比表1，从表中可以看出异形导体的材料节省比例。

表1 试制规格的工艺参数对比

3.2 异形导体的结构优势

①根据圆形、异形压紧工艺对比，异形导体紧压系数达96%以上，相同规格导体外径变小，成品电缆外径平均小5%以上；②异形导体外表光滑无毛刺，单线间缝隙小，电缆局部的放电量相对较小，这能够促使电缆产品的质量得到稳定性的保障，产品应用的状态也会更加稳定，从宏观上来讲，这会优化产品的合格率，对质量问题进行有效地杜绝；③若导体的规格相同且稳定，则异形导体在单线应用的根数上相对较小，生产规格也对单线应用的需求量较低，这意味着电缆生产的整体效率会因此而得到提升。④异型线导体的单线拉线控制成型效果更加稳定，且异型的不同角度能够更加紧密地形成合拢状态，合拢时发热总量较低，导体温度变化较小电阻也会因此得到有效的控制，尤其是直流电的电阻值也会产生更小的波动，稳定性更强。

3.3 异形电缆运行优势

①采用异形绞合导体的电缆，其导体单线间属于面接触，其接触面大，接触电阻小，电缆运行中的涡流损耗小，电缆发热损耗就变小，更节能；②同样规格的电缆外径相比，外径小，在相同环境敷设条件下的电缆间距变大，通电运行的散热性更好，可以提高电缆运行载流量；③相比普通电缆外径小了，电力通道预埋的管道也可以减小，电缆穿管敷设时可节约管道、桥架或电缆沟的空间，减少了电力项目投资；④异形绞合导体的外表面相比圆形紧压导体更光滑、无毛刺，单线之间的缝隙小，相当于实芯导体，电缆的阻水性能更优良；⑤异形导体表面光滑，三层共挤的绝缘层、内外屏蔽与导体间组合更加紧密，大幅度减少电缆局部放电量，电缆运行故障率减少，可延长电缆使用寿命。

4 异形导体电缆的性能检测

以我异形导体紧压绞合技术35 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆为例（型号规格为：WDZC-YJY63 26/35 1×400），导体单丝间基本无间隙。经国家电线电缆质量监督检验中心进行的电缆抽检全性能型式试验情况来看，试验结果符合GB/T 12706.3-2020标准和行业标准要求。

从试验数据汇总表2进行分析，电缆通过了局放和耐压等型式试验，并进行了反复的弯曲试验，试验结果数据优良。试验数据均符合标准要求，充分证明异形导体35 kV电缆的结构合理，性能可靠。

表2 电缆部分型式试验数据汇总

5 应用及结论

①异形导体紧压系数高，外表光滑无凹槽，单线间属于面接触，缝隙小，绞合合成的导体外径小；结构更紧密，阻水性能更优。②电缆外径小，散热好，涡流损耗小，可提高电缆载流量；相比圆形紧压的普通电缆，不仅可以减少地铁项目投资，运行时更加节能。③异形导体中压电缆不仅降低了电缆生产厂制造成本，还提高了产品质量。④随着城市轨道交通的不断扩大，35 kV电缆的用量将越来越广泛，异形紧压导体结构的电缆应用也将成为一种趋势。