35kV城市轨道交通用电力电缆的设计

黄 海

（湖南省电线电缆产品质量监督检验中心，湖南 衡阳 421001）

进入21世纪以来，随着中国经济的飞速发展和城市化进程的加快，作为城市公共交通系统重要组成部分的城市轨道交通也进入大发展时期。未来5～10年间，中国城市轨道交通运输及其设备制造市场前景广阔，预计至2016年我国将新建轨道交通线路89条，总建设里程为 2500km，投资规模达 9937.3亿元。这也为在城市轨道交通供电系统中将 110kV主变电所的电源输送到各个牵引、降压变电所的35kV电力电缆提供了广阔的市场。

1 电缆的结构设计

1.1 总体结构设计

由于城市轨道交通的环境多为人口密集的地下，一旦发生事故，救援难度远远超过地面，对供电系统的稳定性提出了严格的要求。电力电缆作为传输电力的载体，如果没有特殊的设计结构，会成为安全隐患。结和我国城市轨道交通招标需求和国家标准，对用于城市轨道交通的 35kV电力电缆的总体结构做如下设计（结构见图1）。

图1 电缆结构图

1）电缆选择使用单芯铜导体结构，有助于增加电缆的载流量，提升系统负荷，并能够减少电缆绝缘故障时发生相间短路。此外，单芯结构减轻了单根电缆的重量，增加了装盘长度，方便运输和施工。

2）电缆所使用的材料均为低烟、无卤、阻燃材料，并设计有隔火层，满足阻燃A类的要求，且能避免发生火灾时电缆燃烧时释放大量烟雾和有毒气体，妨碍疏散和救援，以及酸性气体对人和设备造成伤害。

3）由于电缆多敷设于地下和管道中，经常被水浸泡，为避免水分侵入绝缘形成水树，影响电缆寿命，电缆设计有防水层。

1.2 导体结构设计

电缆的导体采用绞合紧压圆形铜导体结构，导体用铜线符合GB/T 3953-2009规定，导体的结构和直流电阻符合GB/T 3956-2008的规定。

导体的绞合紧压在设有除尘装置框绞机上进行，生产时能有效清除导体表面的铜灰及铜屑。为确保导体圆整、表面光滑，可采用纳米金刚石复合涂层拉模。为提高导体的紧压系数，紧压工序采用分层拉模紧压，减少了导体的绞合效应和导体损耗，在机械性能上使导体弯曲性能更加优良。

1.3 电缆绝缘的确定

GB/T 12706.3-2008中35kV电缆的额定电压U0有21kV和26kV两种。其中，21kV的电缆适用于A类和B类，即单相接地故障在任何情况下于1min内迅速排除的系统（A类）和仅包括单相接地故障短时运行的系统，一般接地故障持续时间在1min～2h之间，个别情况在2～8h之间（B类）；26kV的电缆则适用于C类。

因此，绝缘采用交联聚乙烯（XLPE）材料，U0为26kV，绝缘标称厚度为10.5mm。能够避免因城市轨道交通供电系统接地故障不能立即自动解除，造成电缆绝缘承受过高的电场，缩短电缆的使用寿命。

电缆的绝缘材料和半导电屏蔽材料选用进口材料。虽然国产材料在价格和供货及时性方面有一定优势，但产品技术指标和质量的稳定性与国外进口材料还是有一定差距，很多电缆料企业缺乏技术和检测手段。尤其是国产材料均为普通材料，进口材料则为超光滑材料。衡量材料光滑性的一个重要指标就是粒结，粒结是指很小的凸起，其高度至少要比其周围的粗糙程度高一个数量级，并且粒结应该是单独出现的，而且其数量也是有限的，粒结的出现会导致局部电场强度过高，影响电缆的使用寿命。超光滑料与普通料的粒结个数的比较见表1。

表1 超光滑料与普通料的粒结个数

1.4 电缆的金属屏蔽设计

GB/T 12706.3-2008规定电缆的金属屏蔽层可以采用铜带屏蔽和铜丝屏蔽结构，但考虑城市轨道交通中电缆在不同故障下的短路容量，招标需求要求金属屏蔽层截面不小于16mm2。因此，金属屏蔽层采用铜丝屏蔽结构，由疏绕的软铜线组成，在表面反向间隙绕包一层软铜带扎紧，疏绕铜丝的平均间隙不大于4mm。屏蔽铜丝的直径为0.8mm。其他常用的铜丝屏蔽截面还有 25mm2、35mm2、50mm2等，不同截面的允许短路电流如图2所示。

图2 铜丝屏蔽截面的短路电流

但疏绕的铜丝很容易在生产和使用中勒进绝缘屏蔽层，影响绝缘线芯外观，造成电缆局部放电量增大甚至超标，严重时会使电缆击穿。为了避免铜丝疏绕对绝缘线芯的损伤，设计时可以采用两种方法：一是在绝缘线芯外绕包1～2层厚度约为0.2mm的半导电尼龙带，二是在三层共挤工序增加绝缘屏蔽层厚度，将厚度由通常的 0.6mm 增加到 1.0～1.2mm。

铜丝疏绕屏蔽截面S的计算公式为

式中，n为疏绕铜丝的根数；d为疏绕铜丝单丝直径，单位为mm。

该公式不计疏绕铜带的截面和疏绕铜丝的绞入率。

1.5 电缆防水层设计

在南方雨水较多或地下水丰富的地区，敷设在地下的电缆容易被水浸泡，外界的水分会逐渐渗透到电缆内部，在绝缘层滋生水树，水树会在电场的作用下，随着时间而不断生长，最终导致绝缘的击穿，从而过早结束电缆的使用寿命。因此，城市轨道交通用电缆需要有径向防水结构。

电缆防水层的设计采用铝-塑综合结构，即在金属屏蔽层上纵包一层厚度0.25～0.3mm的铝塑复合带并挤包低烟无卤阻燃聚烯烃护套。采用这种结构比单一聚乙烯护套防水层的水密性高出了很多，当挤包聚烯烃护套时，由于聚烯烃融体高温和压力的作用，铝塑复合带表面的薄膜与聚烯烃护套的内表面得以很好地粘结；同时铝塑复合带纵包之间的搭盖也获得良好的粘结。从而完全堵塞了水分（气）渗入电缆的途径，达到良好的阻水效果。在生产时需要专门的纵包设备，要求铝塑复合带纵包紧密圆整、无“荷叶边”，铝塑复合带的搭接处粘结完整密实，搭接处的重叠不小于6mm为宜。

挤包的低烟无卤阻燃聚烯烃护套不仅起到防水的作用，还作为高阻燃层提高电缆的阻燃性能。

1.6 电缆金属铠装层设计

城市轨道交通用电缆需要有金属铠装层来抵抗一定外力对电缆的伤害和防止老鼠、白蚁对电缆的破坏，同时，金属铠装层也能提高电缆的阻燃性能。

单芯电缆的金属铠装层必须使用非磁性材料，以避免磁感应产生的涡流造成电缆严重发热。常用的非磁性金属带材料有非磁性不锈钢带和软铜带。由于铜带比不锈钢带软，用铜带铠装的电缆的弯曲性能较好，施工中也便于敷设，一般比较常用。

电缆设计软铜带的厚度为0.12mm，采用单层重叠绕包方式，重叠率不小于20%。

1.7 电缆隔火层设计

为提高阻燃性能，隔火层结构由常用的挤包高阻燃隔氧层材料，改为重叠绕包一层厚度为0.4mm的陶瓷化硅橡胶带，这种材料在 350～3000℃火焰或无焰条件下可以被烧成陶瓷状铠装，结壳性能好，具有良好的防火耐火性能和优异的阻燃性能。

与挤包隔氧层材料相比，绕包陶瓷化硅橡胶带还能显著减小电缆成品外径，减轻电缆重量，增加电缆的弯曲性能。

1.8 电缆外护层设计

电缆的外护层采用黑色的低烟无卤阻燃聚烯烃材料挤包，在配方中加入了对人体和环境无毒无害的防白蚁化学添加剂。黑色的外护层还可满足电缆对防紫外线的要求，延长电缆露天敷设时护套的使用寿命。

电缆的外径大于老鼠的张口直径时，电缆不会被咬伤，反之，则电缆很容易被咬伤。现场实验发现电缆直径在40mm以上时，电缆没有被咬伤痕迹。35kV城市轨道交通用电力电缆的外径均大于40mm，一般不易受老鼠啃咬。因此，外护层材料中无需特意添加驱鼠剂。

2 结论

35kV城市轨道交通用电力电缆的主要性能指标见表2，具有无卤、低烟、阻燃A类、防水、防鼠、防白蚁的性能，完全能够满足城市轨道交通使用的要求。

表2 电缆的主要性能指标

[1] 田胜利.地铁用 35kV交流电力电缆结构与参数选择分析[J].电气化铁道,2004(4)：38-46.

[2] 蒋佩南.国产交联电缆的生产和运行经验[C].中国电工技术学会电线电缆专委会、中国电机工程学会电力电缆分专委会交联电缆专题研讨会(2002年会)论文集：122-140.

[3] 高宗麟.浅议光(电)缆的防鼠保护[C].全国第十次光纤通信暨第十一届集成光学学术会议（OFCIO’2001）论文集：462-470.