无缝平滑铝套电缆的设计及应用

金金元，陈朝晖，叶香微，钱朝辉，金宏磊

(1.浙江晨光电缆股份有限公司，浙江 嘉兴 314200；2.国网福建省电力有限公司厦门供电公司，福建 厦门 361000；3.东莞电力设计院有限公司，广东 东莞 523000)

0 引言

高压电力电缆运行的可靠性是电网安全的重要保证，但近年来，国内多地输电系统运行的高压皱纹铝套电缆屡屡出现电腐蚀现象，严重时会造成电缆击穿，给电网安全运行带来严重隐患。在此背景下，一种新型的复合平滑铝套电缆产品应运而生。该电缆结构紧凑，外护套与铝套粘合成一个整体，但国内这种复合平滑铝套电缆基本都采用氩弧焊工艺生产，俗称有缝平滑铝套。由于氩弧焊生产的铝套有一条焊缝，如果焊缝表面稍有不平，焊缝向内凸起，经过拉拔缩紧后会有压伤外屏蔽或绝缘的风险。为进一步提高平滑铝套质量，创新设计了无缝平滑铝套电缆及其生产工艺，实现了平滑铝套内外表面无缝光滑的工艺创新。无缝平滑铝套和电缆缓冲层紧密接触，接触面积大，可有效预防电缆缓冲层接触不良而产生放电现象，避免电缆内部放电烧蚀，保证电缆的长期运行安全。

1 无缝铝套挤出工艺设计

1.1 工艺方案及生产线设计

为优化焊接平滑铝套质量，在焊接平滑铝套电缆生产工艺的基础上，根据已经研发掌握的连续包覆无缝皱纹铝套技术，结合平滑铝套电缆一体化连续生产特点，设计开发出一种全新的无缝平滑铝套电缆生产工艺，消除氩弧焊焊缝可能存在的内突风险，实现平滑铝套内表面无缝光滑的质量提升。

1) 工艺方案确定。无缝平滑铝套工艺方案所需的生产线配置由某公司提出与设计，并与国外知名设备制造商开展合作，建设了一条无缝平滑铝套电缆生产线，并首次应用于该公司无缝平滑铝套电缆的研制生产中。

2) 生产线设计。该生产线的设计组成主要包括电缆绝缘线芯放线、芯线位置控制、前置牵引1、铝杆放线、铝杆清洗单元、挤铝主机、冷却系统、后置牵引2、电缆位置控制、铝套缩紧装置、后置牵引3、铝套感应预热装置、φ30+φ120+φ60多层共挤挤塑机、冷却水槽、吹气干燥、喷码计米机、后置牵引4、收线架，以及整条生产线联动电气控制系统等；辅助单元包括感应加热炉、机头旋转机构、工作台和机头清洗装置等，分别用于机头的预热和清理。工艺控制由CDS计算机系统执行，系统运行环境为Windows XP，与装在驱动系统的Siemens S7-200 PLC系统相通，用于选择和记录数据，能够以列表和图解形式显示数据，可用于实时质量控制，设备最大可生产500 kV 1×2 500 mm2无缝铝套电缆。

3) 铝杆的放线和清洗设计。设计的平滑铝套连续挤压工艺是以两根直径φ12 mm铝杆为原材料，铝杆放线是实现连续挤出铝套的关键，采用圈式放线保证了大长度电缆生产的连续性。原料放线为直径φ12 mm的两根铝杆，两根铝杆在进入挤压机之前，专门设计一套辅助装置用于对运动中的两根铝杆进行矫直，并设计联动的圆形细铜丝刷子对铝杆表面清洁，然后进行清洗，洗去铝杆上的氧化层和油污，保证进入挤压机的铝杆表面洁净，避免挤出的铝套内产生杂质、气孔或其他瑕疵。

4) 线芯防烫伤设计。在电缆线芯和铝管内壁之间，设计了一个带夹层的冷却水管，避免高温状态下的铝管对电缆线芯灼伤。铝管形成之后，必须立即进行外部冷却，为此设计采用四周水幕冷却方式，其特点是使铝管冷却均匀且不间断，保证铝管的圆整度，并有效避免电缆绝缘线芯在模口处受过热伤害，确保绝缘线芯不受灼伤，从而解决了挤出铝套烫伤绝缘线芯的技术难题。

5) 线芯缓冲层防潮设计。采用特殊材质制作的铝管挤出模具，正常挤出铝管时的管口是全封闭的，挤出铝管后水幕冷却时的水汽被完全阻隔在挤出铝套的正前方，确保进入挤出铝管机头内的电缆缓冲层始终处于干燥状态，从而完全避免缓冲层受潮，进一步消除制造过程中电缆缓冲层受潮问题。

1.2 铝套同心度及圆整度设计

为了保证铝套的同心度与圆整度，对挤出模具进行精密设计，对温度进行精准控制。

1) 铝套挤出温度及模芯设计。对模具进行反复设计改进，将原来设计的流道层压板式模芯改为古堡式模芯，使铝在模腔内分布均匀，确保铝材在流道中的压力保持一致，从而使挤出铝管的厚度保持均匀。熔融的铝温度约为500 ℃，两个流道的铝在模腔内混合，并在模芯和盖板之间形成铝管，为了保证铝管厚度的均匀性，又对模芯座的流道进行了反复设计改进，并通过试验证明电缆外径相近的规格可以采用同一个模芯座。

2) 挤压机头预热温度设定。温度不同会导致铝材的流速和压力不同，在原料铝杆连续不断进入挤压轮后，摩擦生热，与机头上部的感应传感器温度达到基本平衡。为了保证铝套厚度均匀，需对各部分的温度进行精准控制，挤压的预热温度设定比较关键，如果预热温度不合理，就不能保证刚开机时挤出的铝套很圆整。经过多次试制，总结出预热时的合适温度，机头预热外部温度设定(550±5) ℃，底部(500±5) ℃，上部(480±5) ℃，最终试制顺利。

2 无缝铝套缩径工艺设计

2.1 铝套缩径及工艺方式

从挤压机连续挤出铝套时，与绝缘线芯的缓冲层间留有一定间隙，因为挤出时如果铝套太紧，极易烫伤缓冲层或电缆线芯，而且挤出铝套表面会出现不平整；如果铝套与电缆缓冲层间有一定间隙，也会存在间隙偏大、接触不良的风险，且电缆弯曲时铝套会起皱而影响电缆产品质量。因此，挤出后的铝套一定要进行缩径。目前，铝套缩径工艺方式大致有两种：一是拉拔式缩径，采用这种缩径方式时，电缆承受的牵引力较大，而且大规格电缆的铝套越厚，承受的牵引力会更大，对设备性能也是一种考验；二是辊轮式缩径，采用这种无摩擦的辊轮缩径方式时，电缆承受的拉力不大，且不受电缆规格限制，其拉力主要是牵引力。因此，综合来看，后一种辊轮式缩径工艺性能更优。

2.2 辊轮式缩径工艺设计

针对辊轮式新型缩径工艺，与英国BWE公司合作，专门设计了一组辊轮式无缝铝套缩径装置，可以对包覆缓冲层缆芯的无缝铝套进行缩径。辊轮装置共有三个压辊，每个压辊都设计成内弧凹形挤压面，三个内弧凹形挤压面设计成机械齿轮传动，可以各自同时向内收拢，全部向内收拢后，会自动对正中心处形成一个完整的圆形孔。这样的缩径辊轮共有三组，每组的角度分别对正中心处旋转180°，相当于整个圆周的每个面均会产生压力等同的缩紧力。对缩径后的铝套进行严格检测，反复测试铝套的圆整度和外径尺寸，如果外径偏大，还可以手动调节三个压辊的紧压程度，适当调整直至缩径后的铝套外形尺寸符合工艺要求。缩径后的铝套表面无刮痕、无飞边、无压痕，既满足铝套的圆整度和内外表面光滑度要求，又符合对应的铝套外径正负公差要求。

3 护套三层共挤工艺

3.1 三层共挤工艺设计

复合平滑铝套是把铝套与热熔胶、外护套、导电层等多层牢牢粘合并复合在一起的复合型护套，复合的目的就是防止电缆在生产收线和现场安装弯曲时护套产生起皱缺陷现象。为此，在研发焊接平滑铝套涂覆热熔胶技术的基础上，进一步设计了全新的护套三层共挤工艺。

此外，与奥地利ROSENDAHL公司合作，设计采用φ30+φ120+φ60三台挤塑机共同组合成一整套挤塑机头，可同时挤出热熔胶、外护套、导电层，挤出的三层厚度均匀，粘合牢固。该挤出设备与英国BWE公司的挤压铝套设备组合成连续的一体化无缝平滑铝套电缆新型生产线，重点解决了生产线各设备部件的同步问题，在电气控制系统环节攻克了许多难题，并形成了一套无缝平滑铝套电缆特殊的制作工艺。

3.2 三层共挤工艺流程

1) 设计工艺流程。导体拉丝退火→导体线芯股块绞合紧压→导体股块线芯成缆→三层共挤试交联→烘房去气→绕包半导电缓冲层+金属丝布带→挤出铝套→辊轮缩径铝套→铝套预热→热熔胶、外护套、导电层三层共挤→水槽冷却→收线→出厂试验→入库。

2) 关键操作步骤。在无缝平滑铝套电缆护套三层共挤前，设计加装一套铝套感应加热装置，因为挤出铝套通过辊轮缩径后，由于牵引的距离较长，铝套在进入挤塑机头时表面已处于冷态，基本接近室内温度。在进行护套三层共挤时，热熔胶挤包遇到冷态的铝套表面会导致热熔胶快速固化，造成与铝套之间的粘合不牢靠，电缆收线弯曲时护套表面会产生起皱的现象。为了提高热熔胶与铝套之间的粘合力，缩径后的铝套一定要在热态时进入三层共挤机头。因此，在挤塑机前设计加装了一种铝套感应加热装置，给缩径后的铝套预热，预热温度设计在120 ℃左右，以保证铝套在牵引运动过程中不会烫伤线芯，使铝套、热熔胶、外护套、导电层粘合牢固。

3) 冷却工艺要求。三层共挤护套后的无缝铝套电缆，需经过水槽冷却，使铝套、热熔胶与外护套牢固粘合，最后通过牵引机把无缝铝套电缆绕上收线盘。由于聚乙烯护套材料弹性模量较大，因此，弯曲收线时护套不会起皱。取小段成品电缆对护套进行喷灯加热，在热熔胶处于熔融状态时，及时用专用工具剥离外护套，目测铝套内表面光滑，无凹凸现象，然后对成品电缆进行局部放电、交流耐压以及外护套耐压试验，试验合格。

4 无缝铝套性能试验

4.1 无缝铝套力学强度试验

为了分析挤出无缝铝套的力学机械性能，取两段缩径前后的无缝平滑铝套样品，委托西安交通大学电气绝缘研究中心国家重点实验室，对无缝铝套进行拉伸试验，研究护套的横向及纵向拉伸力学性能特征；对比缩径前后平滑铝套的拉伸性能差异和缩径前后对铝套力学性能的影响(见表1)。

表1 缩径前后铝套试验数据

综上数据对比分析，缩径后的铝套试样沿横向的强度和塑性参数均有所提高，沿纵向的强度和塑性参数则相应下降，但变化幅度均在20 %以内。因此，缩径过程导致铝套沿横向的力学性能有所提高，而沿纵向的力学性能略有降低。此外，排除试样数量不同的影响，从拉伸曲线上看，缩径后铝套的性能变得更加稳定，分散性变小。铝套缩径后的横向强度和塑性参数提高意味着铝套的抗侧压力和抗冲击力提高，纵向强度和塑性参数降低，说明铝套的弯曲性能更好了。

4.2 无缝铝套电缆弯曲试验

4.2.1 电缆弯曲试验

对无缝平滑铝套电缆的弯曲性能进行试验研究，结果显示无缝平滑铝套电缆完全能满足20倍电缆直径弯曲要求，满足现场敷设要求；试制的YJLP03-Z 64/110 1×630无缝平滑铝套电缆，委托国家电线电缆质量监督检验中心加做了平滑铝套“20倍电缆直径的弯曲试验”，试验结果完全符合标准要求。

4.2.2 电缆抗冲击试验

委托国家电线电缆质量监督检验中心对无缝平滑铝套电缆进行抗冲击试验，参照IEC TR61901—2016 (Tests recommended on cables with a longitudinally applied metal foil for rated voltages above 30 kV (Um=36 kV) up to and including 500 kV (Um=550 kV))的试验方法和要求，从0.27 m高处对长1 m的平滑铝套电缆抛27 kg重物，在外护套上取一个点进行冲击试验，反复4次；再对冲击点相反的位置进行冲击试验，反复4次；冲击物有一个1 mm曲率半径和90°的楔形接触面；最终，对电缆解剖检验结果显示，冲击点无穿刺损伤，绝缘无变形，冲击位置无侵入绝缘的锐角形变，完全符合标准要求。

无缝平滑铝套与绝缘线芯成为整体，相当于实芯体，提高了侧面抗冲击能力和抗侧压能力；无缝平滑铝套电缆结构紧密，增大了线芯内外结构层之间的摩擦阻力，十分有利于高落差竖井中的垂直敷设和运行，线芯不会滑移损伤，铝套也不会起皱。

通过以上试验证明，无缝平滑铝套电缆弯曲性能与皱纹铝套电缆基本等同，完全可以满足现场敷设要求，且垂直敷设比皱纹铝套电缆更方便和安全。

4.3 敷设应用试验研究

为了验证无缝平滑铝套电缆现场应用弯曲及侧压能力，选取规格为YJLP03-Z 64/110 1×800的平滑铝套电缆进行弯曲试验，成品电缆直径约92 mm，长约100 m。敷设完成后，检查平滑铝套电缆及牵引头表面是否损伤。最后按现场验收标准对电缆外护套进行直流耐压试验。结果显示，电缆表面无损伤，护套无起皱，外观圆整，目测检查通过；弯曲及拖拉时的侧压力为2 800 N/m，符合GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》附录H中侧压力小于3 000 N/m的要求，试验合格。

对经过现场弯曲拉拔施工的电缆外护套进行机械物理性能试验，结果显示外护套抗拉强度达到23.8 N/mm2，伸长率达到680 %，主要试验数据见表2。

表2 外护套机械物理性能试验数据

5 结束语

研发的110 kV无缝平滑铝套电缆已通过国家电线电缆质量监督检验中心的型式试验，性能指标优良，产品已在某供电公司得到应用，运行良好。

无缝平滑铝套电缆制作工艺先进，结构紧密，铝套内外表面光滑无凹凸，实现了平滑铝套内外表面无缝光滑的工艺创新；无缝平滑铝套电缆在结构设计、机械性能、安装敷设等方面有较大的安全技术优势，铝套与绝缘线芯成为整体，提高了抗侧面冲击能力和抗侧压能力，弯曲性能优，还可预防电缆在运行中发生内部电腐蚀的风险。

从需求侧看，在国内由于敷设环境及施工过程的限制，基本上是采用皱纹铝套电缆以降低电缆受机械损伤的风险。但随着行业的发展、技术的进步以及有关部门的重视，国内电缆的敷设环境及施工设备得到了很大提升，给无缝平滑铝套电缆的应用创造了良好条件。

从供给侧看，国内部分制造企业已具备平滑铝套电缆的研发与生产能力，并取得了一定的技术进展。但是，对于这种新型的电缆结构，需要从设计、施工及应用等多个方面开展系统全面的研究，从而为电缆的实际工程应用提供指导，保证电网的安全运行。