新型抗冰雪耐候平行集束架空电缆研制

余静成

（安徽尚纬电缆有限公司，芜湖 238339）

在我国农村地区，电网建设一直以单芯架空裸电线为主。随着技术的进步，三相四线制供电方式已成为主流，为电网提供了平衡稳定的电力供应，并显著提高了电能利用效率。架空平行集束导线技术因其将多条导线集成为一体而在农村电网（以下简称农网）改造中表现出突出的应用优势，如减少中性线电流、降低电阻损耗以及避免因增加导线截面积而带来的成本增加。此外，该技术线损率低、施工便捷，还具有经济美观、防漏电和高抗拉强度等优点。

但是，我国输电线路仍然受到覆冰威胁，需要开发有效的防冰雪技术。为应对冰雪环境挑战，文章通过筛选原材料、优化结构设计及使用先进的生产工艺，研发了新型抗冰雪耐候平行集束架空电缆。这一创新产品大幅提升了电缆对抗极端天气的能力，对农网的改造与升级具有重要意义。

1 现有平行集束架空电缆结构

目前，普遍应用的架空平行集束绝缘电缆遵循国家电网制定的《架空平行集束绝缘导线低压配电线路设计规程》（Q/GDW 10176—2017）。该标准规定了3 种主要的电缆结构，即四芯形结构（BS1）、三芯形结构（BS2）和二芯型结构（BS3）。其中，四芯形结构配置有4 根芯线，三芯形结构配置有3 根芯线，二芯型结构配置有2 根芯线，芯线之间以连接筋连接。

2 新型抗冰雪耐候平行集束架空电缆结构设计

2.1 抗冰雪结构设计

针对平行集束架空电缆的特点，设计了一种集成加热元件，并将其嵌入电缆结构。该元件能利用热能融化积冰。横断面采用类机翼式结构[1]，如图1 所示。在该结构中，加热元件被包裹在支撑筋内部，导线绝缘与连接筋的上表面为平面或微弧面，能有效降低冰雪对电缆的黏附力，同时提高融冰效率[2]。

图1 类机翼式抗冰雪结构

2.2 高强度导体设计

目前，行业内平行集束架空导线普遍采用符合《电工圆铜线》（GB/T 3953—2009）的TR 型软圆铜线或符合《电工圆铝线》（GB/T 3955—2009）的LY9 型H9 状态的硬圆铝线。文章采用第2 种Y 型硬铝合金单丝（单丝抗拉强度≥185 Mpa）型线绞合结构，铝合金单线符合《电缆导体用铝合金线》（GB/T 30552—2014）的标准，通过分电机单丝张力控制装备绞制成型。铝合金导体的强度相较于纯铝提高了50%，抗蠕变性能相较电工用铝提高300%，导体20 ℃直流电阻高于《电缆的导体》（GB/T 3956—2008）的规定。铝合金异形导体结构如图2 所示。

图2 异形导体结构示意图

2.3 绝缘材质选择

在绝缘材料选型上，选用90 ℃耐候耐寒型交联聚乙烯绝缘，抗拉强度不小于12.5 MPa，断裂伸长率不小于200%，温度为135 ℃、持续时间为168 h 的老化试验条件下抗张强度和断裂伸长变化率不超过±25%，并通过1 008 h 耐候试验和-40 ℃耐寒试验。

2.4 加热元件设计

为有效消除冬季冰雪对电力系统的影响，确保电力系统在恶劣气候下的可靠性与稳定性，设计新型抗冰雪耐候平行集束架空电缆的加热元件。经过分析和筛选，选择了自限温电伴热带和碳纤维发热线2 种加热元件[3]。自限温电伴热带的优势在于其能够根据被加热对象的实时温度自动调节发热量，这一独特性能得益于其正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）材料的电阻率随温度升高而增大的特性，即温度升高时电阻增大，通过的电流减少。这种自我调节机制简化了控制系统的需求。碳纤维因其卓越的导电性、热学性能和机械强度而备受推崇。碳纤维发热线利用内部电阻将通过的电流高效转换为热能，电热效率在98%以上，但为维持高效的热能输出，其使用长度受到了限制（5～20 m）。

综合考虑成本效益和实际应用需求，选用自限温电伴热带作为加热元件。选择的中温型伴热带由导体、发热电阻体、绝缘层、金属护套屏蔽层和外护层组成，标称功率为20 W·m-1，额定电压为220 V，最高温度可达90 ℃，既能满足融冰需求，又能确保系统的安全性和长期稳定运行。加热元件设计不仅增强了电缆的抗冰雪能力，而且降低了维护成本，简化了操作流程，为冬季电网的可靠运行提供了高效的解决方案[4]。

3 新型抗冰雪耐候平行集束架空电缆制造工艺

3.1 制造工艺流程

根据本产品的构造，其核心生产工艺包括异型导体的制造工艺、平行集束和加热元件的同步挤塑成型工艺。产品制造工艺流程如图3 所示。

图3 产品制造工艺流程

3.2 型线绞合导体制造工艺

通过研究铝合金线材的拉伸比、延伸性，设计专用异形拉丝模具，以及拉丝、预扭整形绞合、退火等工艺，将型线绞合导体紧压系数由85%提高到97%以上，外径减小约5%，成本节省约1.5%，抗拉强度提高30%以上，显著提升了架空线路在复杂条件下的综合性能。异形导体采用预扭整形绞合，外表光滑、圆整，解决了圆形单线冷拔过程中易出现的毛刺、起皮等不良现象，同时较高的紧压系数使导体单线间的孔隙被挤压干净，可以增强导体的载流能力。

在生产工艺上，采用交流永磁伺服同步直驱分电机动力系统拉丝设备，通过异形拉丝模具制成型线。通过工艺智能设定和微滑动控制原理，有效降低铜线和鼓轮之间的摩擦系数，提高铝合金线的表面质量，延长鼓轮的使用寿命。应用分层微压缩绞合技术，将圆形单线置于中心，瓦形线分层分布在圆周，使用气动恒定张力框绞机和微压缩模具将其绞制成密实的圆形导体，通过精确预留设备空间以及合理控制绞合节距比，可以防止绞合过程中型线产生过度的螺旋升角、分线板偏差以及与绞线轴向的角度差异。这样有效避免了单丝翘边现象，并确保了拉拔过程中型线单丝的均匀性，与传统紧压工艺相比，降低了导体的电阻率，减小了外径，且减少了材料消耗。

3.3 同步挤塑加工工艺

设计了一种专用的平行集束一体成型挤塑模具，将加热元件和架空导线集成，中间由连接筋连接。设计的模具为微调型半挤管式，由模芯、中间模和模套组成。模芯和中间模在装入机头后，靠机头的压板固定在机头内不可移动，模套可通过机头的调偏螺栓进行微调偏操作。模芯内孔直径比导体外径大0.5～1 mm，模芯壁厚0.5 mm，模套内径为模芯外径加2 倍绝缘标称厚度[5]。

通过平行同步挤塑加工模具挤出后，产品试制成功，试制样品型号为BS3-FR-JKLHYJ，电压等级为0.6/1 kV，规格为2×70 mm2，如图4 所示。

图4 新型抗冰雪耐候平行集束架空电缆产品图片

4 融冰效果评估试验设计

根据本产品的使用环境特点，设计了产品融冰试验，用于评估电缆在低温冰雪环境下的融冰效果。

4.1 试验设备

试验设备包括低温环境模拟装置和融冰装置。其中，低温环境模拟装置用于模拟低温冰雪环境，包括满足-40 ℃低温环境的低温试验箱和水箱；融冰装置用于对试样进行融冰处理。

4.2 试样制备

从待测电缆中截取长度为1 m 的试样，将试样两端密封后放置在水箱中，1 h 后取出放置在低温试验箱，设置温度为-40 ℃，保持24 h。试样表面应有明显的冰层，否则应重新制样。

4.3 试验步骤

将经过低温处理的试样在低温试验箱中，对导体和加热元件分别施加220 V 电压，通电时间根据不同导体截面按表1 确定。

表1 导体和加热元件通电时间

4.4 试验结果判定

观察融冰后的试样表面，若无明显冰层残留且电缆结构完整，则说明无破损现象。比较融冰前后试样绝缘的抗拉强度，融冰后试样绝缘的抗拉强度应不低于融冰前的80%。比较融冰前后试样的质量变化，融冰后试样的质量不应大于融冰前质量的105%。若同时满足这些条件，则认为电缆具有较好的融冰效果。

5 成品电缆主要性能测试

通过以上结构设计和材料选用，经检测试制样品的各项数据符合设计要求，主要性能测试结果如下：导体拉断力为23 684 N，符合不小于17 596 N 的要求；20 ℃导体直流电阻为0.498 Ω·km-1，符合不超过0.514 Ω·km-1的要求；工频耐压试验测试（测试电压3.5 kV、持续时间5 min）结果为试样未击穿，符合要求；90 ℃绝缘电阻为62 MΩ·km-1，符合不小于0.40 MΩ·km-1的要求；空气烘箱老化试验测试（温度为135 ℃、时间为168 h）结果为抗张强度变化率-9%、断裂伸长变化率-14%，符合抗张强度和断裂伸长的变化率均不超过±25%的要求；耐磨性试验（负载50 N）的结果为最少摩擦次数23 821 次，符合要求（≥20 000 次）；融冰试验（-40 ℃）的测试结果为融冰后无明显冰层残留，且电缆结构完整，试样绝缘的抗拉强度保留率为96%，质量保留率为102%，均符合要求。

6 结语

设计的新型抗冰雪耐候平行集束架空电缆，在结构与材料上进行了多重优化，包括优化平行集束结构、引入加热元件、应用异形导体以及开发微压缩绞合技术，提升了架空电缆的综合性能，扩展了其在严苛环境下的应用场景，克服了北方冰雪环境对架空线路的挑战。实验证明，新电缆的抗冰性能显著提升，承载能力和机械强度得到加强，有效提高了融冰效率和紧压系数，降低了成本并增强了抗拉强度。新型抗冰雪耐候平行集束架空电缆的研制为构建更加可靠的电力输送网络提供了一种新的解决方案，未来将继续探索更多环境因素对电缆性能的影响，如风载、温度波动等，并进一步优化材料组合和制造工艺，以研制出使用寿命更长、适用性更广的电缆。