500 kV交联聚乙烯绝缘电缆用3 000 mm2铜分割导体的研制

陆 伟， 夏云海， 侯虹剑， 张正东， 缪双双， 黄秋香

(中天科技海缆股份有限公司，南通 226010)

0 前 言

随着我国经济的发展和基础建设的不断深入，用电负荷急剧增加，城市电网改造、大型水核电站和抽水蓄能电站等工程迅速发展极大地推动了500 kV电压等级电缆的高速发展，尤其是上海500 kV静安(世博)输变电项目的成功实施，有效地加快了500 kV大规格交联电缆在城市电网中应用的步伐。电网传输容量每年逐步增加，高压电缆用导体截面也越来越大，这样才能满足电能大容量传输，110～500 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆国家标准中规定导体标称截面大于800 mm2时采用分割导体，分割导体最大截面为2 500 mm2[1-3]，目前，分割导体的形式有扇形分割导体、填充中心线的分割导体。大截面分割导体生产的难点在生产和流转过程中，在外力作用下，股块易发生错位，最终导致绝缘界面不圆整，GB/T 22078.2—2008中规定绝缘与屏蔽的界面突起不得超过0.05 mm，为确保500 kV用3 000 mm2分割导体的绝缘与屏蔽界面光滑圆整，在2 500 mm2大截面分割导体结构设计与制作经验的基础上，本工作对3 000 mm2铜分割导体的结构设计、制造及检测进行了介绍。

1 3 000 mm2铜分割导体结构设计

1.1 大截面分割导体结构选型

由于导体交流电阻对传输容量的影响，对于小截面积的分割导体，扇形分割导体和瓦楞形分割导体的交流电阻相差不大，考虑生产工艺的复杂程度，扇形五分割导体性价比更高；而截面积大于1 600 mm2的导体更宜采用瓦楞形分割导体[4]，除交流电阻外还要考虑导体结构的稳定性，确保超高压电缆的绝缘与屏蔽界面光滑圆整。

1.1.1 偶数股块分割导体结构

由于生产过程中发现四分割或六分割结构不稳定，导体成缆或在交联线流转过程中股块极易发生错位导致绝缘界面出现凸起，见图1。因此，本设计不采用偶数股块的分割导体。

图1 2 000 mm2四分割导体股块错位

1.1.2 扇形五分割结构

扇形结构的大截面五分割结构工艺简单、生产简便，但是结构不够稳定，生产流转过程中受外力易变形，交联三层共挤时内屏蔽层与绝缘层界面易产生凸起，分别见图2，图3。因此，本设计不选用。

图2 2 500 mm2分割导体错位

图3 2 500 mm2屏蔽界面不圆整

1.1.3 瓦形5+1结构

结合实际研发与生产经验，大截面分割导体的股块采用瓦形5+1结构时，由于导体中心孔与中心导体是面接触，若瓦形股块扇角的弧形在生产压制时尺寸稍有差别，在成缆工序和交联工序流转过程中，瓦形股块将被中心导体挤出，使导体在圆周方向不圆整，内屏蔽层与绝缘层界面不圆整，导致500 kV交联聚乙烯绝缘电缆产品质量下降，如图4、图5所示。

图4 2 500 mm2 5+1 瓦形导体内屏蔽界面不圆整

图5 2 000 mm2 5+1 瓦形导体内屏蔽界面不圆整

1.1.4 扇形5+1结构

考虑到500 kV电缆可靠性和技术性能的要求，经过上述的生产工艺验证，3 000 mm2的分割导体采用扇形5+1结构设计，股块扇角设计成钝角与中心导体接触为点接触形式，其结构示意图见图6。

图6 扇形5+1结构分割导体结构示意图

由图6可知，该结构既满足结构稳定性要求又降低了交流电阻对传输容量的影响。

1.2 3 000 mm2分割导体的参数设计

1.2.1 截面设计

实践证明:只考虑电缆制造过程中的影响系数，不考虑电阻率变化时，设计的导体截面偏大。20 ℃时，导体最大直流电阻按式(1)进行计算。

R20=ρ20×k1×k2×k3/S

(1)

式中：k1为导体系数；k2为绞合系数；k3为成缆系数；ρ20为20 ℃时导体直流电阻率，Ω·mm2·km-1；R20为20 ℃时导体最大直流电阻，Ω·km-1;S为导体的横截面积,mm2。

设计时，只考虑电缆制造过程中的影响系数，不考虑电阻率变化的方法，偏重于基础理论分析，在电缆制造过程中的影响系数的取值偏大，虽然计算结果符合GB/T 3956—2008的要求，但其结构尺寸偏大，浪费材料、成本较高；不考虑影响系数、只考虑电阻率变化时导体称重截面小，其实测电阻符合GB/T 3956—2008的要求，并具有结构尺寸小、节省材料、成本较低的特点[5]。

不考虑影响系数、只考虑电阻率变化的导体设计原理是实测电阻与称重计算截面进行乘积运算得到20 ℃导体直流电阻率ρ20，根据公式S=ρ20/R20进行截面设计。

通过大量称重法的试验，对800～2 500 mm2分割导体大量样品的实测电阻、称重计算截面进行乘积运算，得到20 ℃时导体直流电阻率，经计算统计铜导体紧压后的电阻率集中在17.8 Ω·mm2·km-1，设计分割导体的截面公式为

S紧压=ρ20/R20

(2)

式中：ρ20为20 ℃时导体直流电阻率，Ω·mm2·km-1;R20为20 ℃时导体最大直流电阻,Ω·km-1;S紧压为称重截面的面积,mm2。

将ρ20=17.8 Ω·mm2·km-1，R20=0.006 0 Ω·km-1代入公式(2)中得S紧压=2 966 mm2。

中心导体截面采用120 mm2紧压圆形导体，S紧压与S扇形股块、S中心的关系为

S紧压=5×S扇形股块+S中心

(3)

式中:S扇形股块为扇形股块面积,mm2;S中心为中心导体截面面积，mm2。

将S紧压=2 966 mm2，S扇形股块=570 mm2代入公式(3)中得S中心=116 mm2。

1.2.2 导体外径设计

根据电力电缆结构设计原理，分层圆单线紧压导体的填充系数可提高到0.88～0.92[6]。根据经验，由于分割导体为五分割成型，填充系数略小于紧压圆形导体，考虑成型后的尺寸反弹和中心导体与扇形股块点接触问题，导体外径的计算公式为

(4)

式中：S紧压为紧压后的面积，取2 966 mm2；η为填充系数，取0.9；D为导体外径，mm。

经计算D=64.8 mm，考虑到成缆后外径反弹，D为66.6 mm。

1.2.3 导体单丝线径设计

由于股块截面较大，为股块压制成型容易，股块根数采用91根，排列方式为：1+6+12+18+24+30，填充系数与延伸系数见表1。

表1 分割导体填充系数与铜单丝延伸系数关系[7]

单丝外径的计算公式为

(5)

式中：S股块为紧压后的面积(S股块=S紧压/5),mm2;μ为延伸系数;d为单丝外径,mm；n为股块的单丝根数，n=91根。

d股块=2.96 mm，中线导体标称截面积为120 mm2，导体外径为13 mm，排列方式为1+6+12，d中心=3.01 mm。

1.2.4 扇形股块结构参数

结合三维画图软件模拟股块尺寸,选用股块扇角为钝角的形式，导体设计见图7、图8。五分割导体每个股块的扇尖角度为72°,考虑到股块出模具后尺寸反弹，扇尖角度将大于72°,成缆时股块会产生错位，影响产品的质量，故将扇尖角度设计为71.8°。

图7 股块三维图

图8 5+1分割导体三维图

2 3 000 mm2分割导体试制

大截面分割导体的圆整度是生产中的难点及关键控制点，分割导体的圆整度很大程度上决定了内屏蔽层与绝缘层界面的光滑性，并且还会影响绝缘层的偏心度，因此，控制好大截面分割导体的圆整度极为重要，为了严格控制圆整度，本工作采取了以下措施：①对于大截面分割导体，为了股块易压成型，经过多次试验验证，采用进口双头铜拉丝机，单丝伸长率控制在36%以上，确保单丝伸长率稳定均匀，铜单丝20 ℃时直流电阻率小于0.016 5 Ω·mm2·m-1；②采用预成型扇形模具，使股块初步成为扇形，然后经过多道压轮压制，采用预成型扇形模具，可以达到理想的扇形尺寸，确保成缆的圆整度，避免成缆时导体表面梅花瓣，影响内屏蔽层与绝缘层界面；③采用专用的股块测量工具，测量股块尺寸，使截面均匀稳定，确保成缆的圆整度；④成缆并线模选用：为解决股块在成缆时易错位的问题，将并线模长度适当加长，使导体经过模具时可以充分矫正股块突出部分，提高分割导体的圆整度，并且对模具内孔表面硬度和光滑度进行调整，使分割导体经过模具时阻力较小。

通过生产试制，股块和成缆后的尺寸参数均在设计范围内，见表2。

表2 设计与实测结果对比 mm

经过一系列有效措施，3 000 mm2分割导体f值控制在0.5 mm以内，股块与股块合缝处完美过渡，内屏蔽层与绝缘层界面良好，无因股块错位导致的界面缺陷，详见图9、图10。

图9 3 000 mm2分割导体成缆实物图

图10 3 000 mm2分割导体交联缆芯实物图

3 大截面分割导体电阻测试

在大截面分割导体直流电阻测试过程中，经常发现采用常规外端夹具测试大截面分割导体直流电阻时测试数据波动性较大、测量误差大、测试结果与测量值不相符的情况，这是电缆行业碰到的一大技术难题[8]。

为解决大截面导体直流电阻测量数据不稳定、分散性大的问题，本工作采取以下措施：①采用带液压装置V型夹具，利用液压系统对夹具的压力和张紧力控制；②同时采用100 A大电流直流电桥测试装置[9]；③导体两端头采用坦克链将导体端头扎紧，确保液压夹具电流均匀分布。

本工作采用液压夹头电阻测试仪对4个不同截面面积的导体样品进行测量，测量结果见表3。

表3 电阻测量结果

由表3可知：采用新型夹具测量20 ℃导体直流电阻，测得的实际数值相一致，并与其他实验室的试验结果相符合。经改进后，直流电阻分散性明显降低，测试更加准确。

4 结束语

本工作在瓦形5+1结构和扇形5分割结构设计和制造技术的基础上，研制扇形5+1结构3 000 mm2大截面分割导体，通过实际验证导体在经过盘绞的旋转牵引、交联牵引、交联转向轮等弯曲后，仍能保持较好的圆整度，导体f值不大于0.5 mm，产品各项指标均达到设计要求，研发的500 kV 3 000 mm2的超高压电缆系统在2020年已经顺利通过预鉴定试验，获得预鉴定试验报告。