高压交联聚乙烯绝缘电缆的选择

高压交联聚乙烯绝缘电缆的选择
2003-10-21
文/陈光高焦仲福刘建春
摘要：本文对高压交联聚乙烯绝缘电力电缆的有关问题进行了讨论，对电缆导体、金属屏蔽层或金属护套、外护套等选择进行了比较，也对金属屏蔽层的接地和敷设方式进行了分析和讨论。

关键词：高压电力电缆；交联聚乙烯绝缘；导体；金属护套；外护套；屏蔽接地；敷设；选择；讨论
1引言
交联聚乙烯绝缘电力电缆由于具有良好的电气性能等一系列优点，被广泛得到使用。

其制造技术从低压到高压，从小截面到大截面，从普通结构到阻燃，从过氧化物交联、硅烷交联到辐照交联均已日趋成熟，110kV和220kV高压交联电缆也得到蓬勃发展。

80年代末，沈阳电缆厂用2＋2悬链工艺制造出我国第一根110kV 交联电缆，90年代初上海电缆厂开始用立式交联工艺生产110kV交联电缆，郑州电缆(集团)股份有限公司在试制成功110kV交联电缆后，1996年首次用立式全干法工艺生产的220kV交联电缆通过两部鉴定，填补国内空白，相继已有十多条生产线具备高压交联电缆的生产条件。

实际上国内高压交联电缆的应用还要超前于电缆的制造。

可以说高压交联电缆的批量使用促进了制造行业的技术进步，而制造技术和工艺装备的发展又不断满足了电力工业的需要。

目前，国产110kV 和220kV高压交联电缆的制造技术已基本接近当代世界先进水平。

在进一步加强企业内部管理，稳定产品质量，合理选择电缆种类和参数，提高与整个线路相关的技术水平的前提下，高压交联电缆线路的安全性、可靠性、经济性就会不断提高。

本文就选择高压交联电缆的有关问题作初浅的探讨。

2高压交联电缆的导体
高压交联电缆的导体与其他电力电缆一样，分为铜导体和铝导体，选择导体截面和导体材料主要考虑两个因素，其一是载流量，其二是允许通过的短路电流。

影响载流量的因素分别为损耗即导体损耗、绝缘损耗、金属屏蔽层损耗和铠装层损耗，热阻以及电缆敷设方式和环境条件。

在电缆敷设方式、环境条件和护层结构一定的前提下，电缆的载流量和短路电流的大小取决于导体直流电阻，也就是取决于导体的材料和导体的截面积。

显然，铜的电阻率比铝的电阻率小得多，而且铜导体还具有接触电阻小、机械强度高、弯曲性能好等优点，紧压圆型绞合导体的表面质量明显优于铝导体。

但是铝的密度小，对于相同直流电阻的铜、铝导体来说，铝导体的重量不到铜导体重量的50％，价格也比铜导体便宜，铝导体电缆与铜导体电缆相比具有明显的经济性。

表1列出了铜、铝导体电缆的载流量和短路电流。

从表1可以看出，相同截面积铜芯电缆的载流量是铝芯电缆的13倍，短路电流
是铝芯电缆的15倍。

由此可以认为，只要铝芯电缆价格低于铜芯电缆的15倍，从经济角度考虑应选择铝芯电缆。

从表1还可以看出，铝芯电缆的载流量和短路电流均高于截面与之小两档的铜芯电缆。

只要铝芯电缆的价格低于与之小两档的铜芯电缆的价格，选择铝芯电缆的工程费用就低。

需要说明的是，铝导体焊接必须采用氩弧焊。

其技术国内尚不成熟，缺乏施工和运行经验。

3金属屏蔽层和金属护套
高压交联电缆的金属屏蔽或金属护套种类较多，有铅套、皱纹铝套、皱纹铜套、皱纹不锈钢套和铝塑综合护套。

除皱纹不锈钢套外，国内能生产各种金属护套的高压交联电缆。

铅套电缆的优点是柔软，弯曲性能、密封性和耐腐蚀性好，便于敷设、也便于电缆附件的安装，适合用于防水、防潮以及防腐蚀性要求较高的场合。

缺点是机械强度低，抗蠕变性差，不适合用在振动或正压力较大的情况下。

另外铅的密度大、直流电阻率高，允许通过的短路电流小。

皱纹铝套的优点是机械强度高，直流电阻小，允许通过的短路电流大，见表2。

由于铝的密度小，使得电缆的重量明显小于铅套，见表3。

与铅套相比铝套电缆的缺点是电缆外径大，装盘长度短，耐腐蚀性差，不易弯曲，在电缆附件安装过程中封焊比较困难。

铝塑综合护套电缆除其外径小，重量略轻于皱纹铝套电缆外，没有其他优点，缺点是密封性差。

因为铝塑复合带本身厚度薄，一般在015～0.20mm左右，而且接缝处不可避免地存在缺陷；另外由于铝塑复合层与外护套之间的摩擦系数较小，电缆在敷设过程中容易起皱，甚至会产生破裂。

这种结构的电缆不适用于直接埋地或湿度较大的环境条件。

皱纹铜套电缆与铅套电缆相比重量轻，允许通过的短路电流大，与皱纹铝套电缆相比几乎不存在优点。

而且在焊接过程中焊弧对焊缝的自动跟踪性差，一旦焊弧飘移，轻则出现缝隙，重则当焊缝两侧熔融状态的铜不能接合在一起时，必然向铜套内侧滴淌，并在内壁形成铜柱。

可见皱纹铜套的焊接工艺不易控制，焊缝质量也不易保证。

铝套与铜套不同，其焊接过程中，焊弧的自动跟踪性能良好，不会出现焊弧飘移，焊缝质量能够得到保证。

4电缆外护套
高压交联电缆的外护套材料主要有两种：聚氯乙烯和聚乙烯。

按其密度和分子结构不同，聚乙烯又分为低密度、中密度、高密度和线型低密度。

与聚乙烯相比聚氯乙烯外护套的主要优点是在较高环境温度下电缆的弯曲性能好，与外表面半导电石墨涂层的粘附性强，阻燃性能也好。

普通的聚氯乙烯护套的氧指数就能达到26左右，而且它是一种高填充物材料，加入大量阻燃剂后，其氧指数可以达到30以上。

聚乙烯是一种非极性材料，作为电缆护套具有较强的防湿、防潮性能，绝缘电阻远远高于聚氯乙烯。

聚氯乙烯护套材料的绝缘电阻较低，在运输、储存过程中吸潮后会使绝缘电阻进一步下降，甚至无法进行直流电压试验，这是高压交联电缆生产厂商应十分警惕的。

聚乙烯外护套的不足之处是阻燃性能差，它是
一种低填充物材料，在制造过程中很难加入大量的阻燃剂。

即便是阻燃型的聚乙烯护套料，氧指数也达不到30，而且在燃烧过程中容易流淌，电缆在经受IEC332－3规定的成束燃烧试验时不容易合格。

聚乙烯护套与其表面的半导电涂层的粘附性也较差，电缆在复绕、存放和运行过程中均会有脱落现象。

上述特点是聚乙烯护套的共性，聚乙烯护套的性能随密度的变化也有所不同，尤其是机械强度和耐磨性差异较大。

低密度和线型低密度护套可以用于重量较轻的通信电缆，用于高压交联电缆时在敷设过程中容易受到机械损伤，这在国内个别生产厂家是有深刻教训的。

高密度聚乙烯护套虽然有良好的机械性能，但生产工艺不如中密度，表面质量也没有中密度优良。

所以说，聚乙烯护套用于高压交联电缆，中密度是最佳的选择。

5金属屏蔽层的接地及电缆敷设方式
电缆金属屏蔽层或金属套接地分为单端接地、双端接地和交叉互联接地。

单端接地是在电缆的一端将金属屏蔽层直接接地，另一端不接地或通过保护接地。

在这种情况下，金属屏蔽层对地之间有感应电压存在，感应电压与电缆的长度成正比，但无环流通过。

这种接地方式仅适合长度较短的线路，也就是说电缆长度所对应的感应电压不能超过安全电压。

双端接地是将金属屏蔽层的两端均直接接地，在这种情况下，金属屏蔽层中有环流通过，会降低电缆的载流量，见表4。

从表4可以看出，双端接地时电缆的载流量比单端接地或交叉互联接地小的多，不仅造成资源浪费也造成能源损失。

这种方式只是在特殊情况下采用，如电缆需要过江、海底以及受条件所限无法采用交叉互联的场合。

交叉互联接地是将金属屏蔽层的一端直接接地，采用中间绝缘接头和交叉互联箱将三相电缆的金属屏蔽层进行换位连接，另一端通过保护接地或直接接地。

在完全换位的情况下，金属屏蔽层中无环流通过，两端对地之间也无感应电压，每段电缆中间有感应电压，且换位处感应电压最高。

交叉互联接地与单点接地电缆的载流量相同。

这种接地方式虽然适应长线路，但应根据最高允许感应电压确定相邻两个换位点之间的距离。

电缆敷设排列方式分为平行排列和三角形排列。

由于两种方式的电感和热阻不同，它们之间的载流量有较大的差别。

表5列出了平行排列和三角形排列以及金属屏蔽层不同接地方式的载流量。

从表5可以看出，在上述敷设条件同一结构的电缆当金属屏蔽采用单端或交叉互联接地时，平行敷设排列的载流量高于三角形排列，金属屏蔽层采用双端接地时，三角形排列的载流量高于平行排列。

将金属屏蔽层的两种不同接地方式和电缆的两种敷设排列方式进行组合，其载流量由高到低的顺序为：单端接地平行排列→单端接地三角形排列→双端接地三角形排列→双端接地平行排列。

6电缆附件的热性能
电缆附件是电缆线路中的一个重要组成部分，我们可以从电缆附件生产厂商提供
的资料和试验报告中了解到电缆附件的电气性能和机械性能，以电场强度作为电缆附件的电气性能和机械性能，以电场强度作为电缆附件绝缘结构设计的依据也很经典，而且IEC287以及各种教课书对电缆本体的热性能均有规定和论述，但都尚未涉及到电缆附件的热性能。

实际上，电缆附件的结构尺寸和材料都不同于电缆本体，其热性能也必须不同。

所以电缆附件制造厂商应该向使用者提供电缆附件的结构、尺寸和材料及其特性，以便计算整个线路的载流量，或者由电缆的允许载流量推算电缆附件的温升。

7结束语
综上述所，我们在选择高压交联电缆或设计高压线路时有必要关注这样几个问题：(1)从经济角度考虑，应尽量采用铝导体代替铜导体；(2)在选择电缆的金属护套时应优先采用铅护套或皱纹铝护套；(3)对阻燃要求较高的场合选用聚氯乙烯外护套，对防湿、防潮、防腐要求严格以及护套对地绝缘电阻要求较高的场合应选用聚乙烯护套；(4)从载流量的角度考虑，金属屏蔽单端接地及平行排列敷设为最佳方案；(5)在高压交联电缆线路中应考虑电缆附件的热性能。