电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE电缆的研制

肖云涛，林 磊

(江苏亨通电力电缆有限公司，江苏 吴江215234)

0 引言

根据铁道部“中长期铁路网规划(2003年 ～2020年)”，到2020年，全国铁路营业里程达到12万公里以上，复线率和电气化率分别达到50%和60%以上，主要繁忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路网络，运输能力能满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。

铁路提速、高速铁路的兴建、铁路电气化率的提高，以及铁路信息系统宽带数字通信网的建设，为各种铁路用电缆和机车车辆电缆提供了广阔市场。

采用电力机车牵引列车运行的铁道称为电气化铁道。我国的第一条电气化铁路是“一五”期间建成的宝成铁路(1952～1958)，全长669 km。多年的实践证明，电气化铁路充分发挥了加速运输和提高经济效能的作用。

2008年，席卷全球的金融危机，对中国的经济发展造成了巨大的影响，为了保持经济的平稳快速增长，国家实行了4万亿经济刺激计划。根据计划，4万亿的投资主要流向铁路、公路、重大基础设施建设等，重点建设一批客运专线、煤运通道项目和西部干线铁路，完善高速公路网，中西部干线机场和支线机场建设，加快城市电网改造等。这些项目的启动，对电缆的需求量很大。

电气化铁道27.5 kV单相铜芯交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆适用于交流单相、工频、额定电压27.5 kV电气化铁道供电线、自耦变压器供电线，以及牵引变电所、分区所、开闭所、自耦变压器所引出的馈电线等［1］。随着新建铁路、旧线路电气化改造和日常维护，铁道用电缆的使用量也会越来越大，具有广阔的市场前景。

1 电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE绝缘电缆的结构、工艺和性能

1.1 电缆的结构

铁道行业标准 TB/T 2822—1997《电气化铁道27.5kV单相铜芯交联聚乙烯绝缘电缆》中规定本产品有两个型号，分别为 TYJV和 TYJY，以及两个规格1×185 mm2和1×150 mm2。两个型号的电缆结构相同，选用的材料除塑料包带和护套材料不同外，其它均相同。电缆的结构见图1，其中:(1)导体采用第2种绞合圆形紧压结构;(2)导体屏蔽-绝缘-绝缘屏蔽采用三层共挤的交联机组一次挤出;(3)金属屏蔽采用铜丝疏绕及铜带反向绕包;(4)包带采用与绝缘耐温等级相同的聚氯乙烯(PVC)带或聚乙烯(PE)带;(5)挤出外护套(耐热90℃的 PVC或PE)并涂敷石墨层。

图1 电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE绝缘电缆结构

(1)导体。电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE绝缘电缆是用于电气化铁道牵引供电系统固定敷设的电缆，因此采用第2种绞合紧压圆形铜导体结构。导体表面应光洁、圆整，无油污、毛刺和锐边，无凸起或断裂的单线及其它缺陷。为了防止在挤出过程中，导体屏蔽层因为导体最外层铜丝间的间隙过大而凹陷，导体填充系数宜为0.9以上。

(2)导体屏蔽。通常，交联电缆导体屏蔽的制造质量是关键因素。导体屏蔽的主要作用是缓和电缆内部电场应力集中，消除导体绞合的影响，改善电缆内部电场的径向分布以提高电缆的电气强度。交联电缆在生产过程中由于多方面因素的影响，导体屏蔽易出现凹陷、凸起等缺陷，导致内部电场分布不均匀，严重影响电缆的电气性能和使用寿命。导体屏蔽通常采用挤包的半导电层。

(3)绝缘。XLPE绝缘电缆具有较高的长期工作温度、优良的电气性能、优异的热稳定性和老化稳定性等。依据标准要求和生产实际，电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE绝缘电缆的绝缘采用过氧化物(DCP)XLPE，以保证电缆的电气性能。

(4)绝缘屏蔽。绝缘屏蔽的主要作用是均化电场、吸收游离杂质、屏蔽外电场。为了保证导体屏蔽-绝缘-绝缘屏蔽的连续性和界面光滑、无气隙，应采用Nokia-Maillefer交联机组三层一次挤出，均匀地包覆在导体上，挤出层表面应光滑，无明显绞线凸纹、尖角、颗粒、焦烧或擦伤的痕迹。

(5)金属屏蔽。金属屏蔽的主要作用是将电缆运行时产生的电磁场屏蔽在绝缘线芯内，以减少对外界产生电磁干扰，以及将系统产生的设计范围内的故障电流安全引入接地系统，保护系统安全运行。金属屏蔽由疏绕的软铜线及其表面用反向绕包的铜带所组成，这可使铜线疏绕层在电气上连成一体。依据标准对金属屏蔽的要求，选择铜线的直径与根数和铜带规格，保证金属屏蔽层的截面满足标准要求以及电气导通。

(6)包带。包带的主要作用是将金属屏蔽和护套隔离，以防止两者接触后护套对金属屏蔽的腐蚀，影响电缆的电气安全性。包带采用与绝缘耐温等级相同的PVC或PE塑料带。

(7)外护套。外护套按照环境温度(TYJV型号电缆为 －15～40°C;TYJY型号电缆为 －40～40°C)分别选用 PVC或 PE护套，其性能应符合标准的要求。护套表面应有石墨导电涂层。石墨涂层可采用湿涂，也可采用干涂。

1.2 制造工艺及注意事项

根据电缆的结构，确定了电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE绝缘电缆的生产工艺流程(见图2)。

图2 制造工艺流程

从结构分析和工艺流程可以看到，电缆的制造工艺与常规交联电缆相同，并无特殊之处，具体过程不再赘述，但在制造过程中，需注意以下几点，否则，极易影响电缆的质量和性能:

(1)采用过氧化物交联生产的绝缘线芯，会产生苯乙酮、枯基醇和α-亚甲基苯乙烯之类的挥发性交联副产物，这些副产物在绝缘内会停留相当长的时间，并且分布是不均匀的［2］。若不放置足够的时间待副产物挥发出去，极易导致绝缘老化后抗张强度变化率不合格(大于+25%)。根据数学模型推算［3］，并结合实际，公司规定的停放时间不小于96 h;也可以将绝缘线芯置于烘房中热处理去除副产物，以提高效率。

(2)根据生产经验，疏绕铜丝很容易“勒”进绝缘屏蔽层，严重时会损伤绝缘，导致电缆击穿。因此，生产中可以在绝缘屏蔽层外绕包1～2层半导电带，再疏绕屏蔽铜丝，这可以有效地保证疏绕铜丝屏蔽交联电缆的质量。

(3)电缆采用塑料带将金属屏蔽层与护套层隔离，以防止护套对金属的腐蚀。塑料带应采用与电缆绝缘耐温等级相同的PVC带或PE带。塑料带在绕包于屏蔽层后收到线盘上，塑料带的外层会被拉伸，内层挤压起皱。在外护套挤包时的放线过程中，缆芯将伸直而拉伸部分不能完全复原并产生“虚凸起”。这将造成护套挤出表面不平，影响电缆的表面外观质量。若在生产中采用双层间隙绕包，并控制好绕包张力、角度和间隙，则可较好地解决此问题。

1.3 产品性能

我公司试制了 TYJV 1×185 mm2电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE绝缘电缆，并委托国家电线电缆质量监督检验中心检测。各项性能均符合TB/T 2822—1997标准的要求，主要的性能见表1。

表1 TYJV 27.5 kV 1×185 mm2主要性能

2 对标准的几点建议

根据生产实践和有关的信息，对 TB/T 2822—1997标准提出以下几点建议，与同行商榷:

(1)扩大产品型号和规格范围。标准规定的电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE绝缘电缆的规格仅有1×150 mm2和1×185 mm2。但我公司曾接到客户要求提供1×300 mm2和1×400 mm2等两种大截面规格，电缆的技术要求与 TB/T 2822—1997相同。可见，用户对更大截面的电缆是有需求的。

(2)减薄绝缘厚度，降低制造成本。电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE绝缘电缆的绝缘厚度为12mm，较 26/35kV交联电缆厚 10.5 mm，增加了14.3%，但电压等级只增大5.8%。理论上而言，绝缘厚度的增加是与电压等级的增加呈正比关系的，因此，电压等级的提高必然意味着绝缘厚度的增加。但是，世界各国一直都在努力提高绝缘材料性能和改进生产工艺，以提高电缆绝缘耐压水平来减薄高压电缆的绝缘厚度，而我国传统上总是希望简单地通过增加绝缘厚度来提高电缆的安全裕度和可靠性，这是不可取的。近些年来，有关学者的研究发现［4，5］，依靠增加绝缘厚度来降低绝缘材料耐受电场强度、提高电缆安全裕度及运行寿命及可靠性是不经济、不合理的，效果也并不明显，厚绝缘的作用似乎仅仅是延长了树枝发展到贯穿两电极的时间。实际有效的方法应是提高原材料性能(如提高半导电屏蔽层材料的界面光滑性)，改进生产加工工艺(如消除屏蔽层的凹陷、凸起等缺陷)，严格控制操作流程及生产环境，在保持电缆性能的同时减薄绝缘层厚度，降低电缆成本。当然，交联电缆的绝缘厚度取值是一个多种因素共同作用的复杂问题，其更准确的数值还需在有关研究人员进一步地深入研究和论证及大量试验的基础上确定。

(3)减薄绝缘屏蔽厚度，改变绝缘屏蔽方式。如上所述，金属屏蔽采用铜丝疏绕结构，疏绕铜丝极易“勒”进绝缘屏蔽层，严重时影响电缆的性能甚至导致绝缘击穿。建议将原绝缘屏蔽的挤出厚度1.2 mm改为0.8 mm，然后再绕包厚度为0.4 mm的半导电带，这可解决上述问题，改善电缆的质量。ABB公司等世界著名电缆制造商的铜丝疏绕屏蔽中压交联电缆，均采用这种工艺和结构。

(4)金属屏蔽疏绕铜丝的根数和直径的选择。金属屏蔽的主要作用是泄流电缆发生故障时的短路电流。在产品标准中规定了不同规格电缆的金属屏蔽的标称面积，以及铜丝根数和单丝直径，这样规定太“死”;另外，铜丝之间的平均间距也较小。根据1×185 mm2规格的金属屏蔽截面积为35 mm2，如采用60根直径为0.86 mm的铜丝计算，单丝平均间距只有1.5 mm;1×150 mm2规格的金属屏蔽截面积为25 mm2，如采用42根直径为0.87 mm的铜丝，平均间距也只有2.4 mm，这些与通常铜丝疏绕屏蔽结构的平均间距不大于4 mm的要求有很大的改进空间。因此，建议只需规定相应规格的金属屏蔽截面和疏绕铜丝最少根数，以有利于各厂家根据自身的实际情况进行生产。

(5)包带材料的选择。标准规定的包带材料为与绝缘耐温等级相同的塑料带，而在电缆行业，生产电缆大多采用无纺布、CPP带、玻璃丝带等材料，因此，建议增加适合电缆的运行温度并和电缆相兼容的其他包带材料。

(6)外护套可适当增加防鼠、防蚁等性能要求。目前，本产品大部分用于直埋、管道、电缆沟、桥架等敷设，通常这些场合适宜鼠类活动，另外在我国广东、海南、上海等省、市有严重的白蚁危害电缆的情况。因此，建议选择具有防鼠、防蚁性能的外护层，增加防鼠、防蚁型电缆产品，供有关地区用户选择。

除以上几点外，标准还应增加电缆的一些使用特性，例如敷设时允许的弯曲半径和温度等。

3 结束语

(1)本文介绍了电气化铁道27.5 kV单相铜芯XLPE绝缘电缆的结构设计、制造工艺和产品性能，并对产品标准提出了一些意见和建议，供参考。

(2)随着国家电气化铁路的新建和旧线路的电气化改造，电气化铁道27.5 kV单相铜芯交联聚乙烯绝缘电缆的使用量也会越来越大，产品具有广阔的市场前景，有着较好的经济效益和社会效益。

［1］TB/T 2822—1997 电气化铁道27.5 kV单相铜芯交联聚乙烯绝缘电缆［S］.

［2］王国忠.交联副产物对交联聚乙烯绝缘热老化性能影响的探讨［J］.电线电缆，2006(4):10-12.

［3］毛爱民，胥玉民，张 进，等，超高压交联电缆绝缘脱气时间的研究［C］//中国电工技术学会电线电缆专委会2009年年会论文集.佳木斯.

［4］郑晓泉.降低高压聚烯烃电缆绝缘厚度的必要性辨析［J］.电线电缆，2004(1):21-23.

［5］刘 英，王 乐，王 磊，等.从缺陷影响看高压 XLPE电缆绝缘减薄的必要性［J］.高电压技术，2006(7):29-32.