35kV城市軌道交通用電力電纜的設計

黃 海

（湖南省電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，湖南 衡陽 421001）

進入21世紀以來，隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的加快，作為城市公共交通系統(tǒng)重要組成部分的城市軌道交通也進入大發(fā)展時期。未來5～10年間，中國城市軌道交通運輸及其設備制造市場前景廣闊，預計至2016年我國將新建軌道交通線路89條，總建設里程為 2500km，投資規(guī)模達 9937.3億元。這也為在城市軌道交通供電系統(tǒng)中將 110kV主變電所的電源輸送到各個牽引、降壓變電所的35kV電力電纜提供了廣闊的市場。

1 電纜的結構設計

1.1 總體結構設計

由于城市軌道交通的環(huán)境多為人口密集的地下，一旦發(fā)生事故，救援難度遠遠超過地面，對供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了嚴格的要求。電力電纜作為傳輸電力的載體，如果沒有特殊的設計結構，會成為安全隱患。結和我國城市軌道交通招標需求和國家標準，對用于城市軌道交通的 35kV電力電纜的總體結構做如下設計（結構見圖1）。

圖1 電纜結構圖

1）電纜選擇使用單芯銅導體結構，有助于增加電纜的載流量，提升系統(tǒng)負荷，并能夠減少電纜絕緣故障時發(fā)生相間短路。此外，單芯結構減輕了單根電纜的重量，增加了裝盤長度，方便運輸和施工。

2）電纜所使用的材料均為低煙、無鹵、阻燃材料，并設計有隔火層，滿足阻燃A類的要求，且能避免發(fā)生火災時電纜燃燒時釋放大量煙霧和有毒氣體，妨礙疏散和救援，以及酸性氣體對人和設備造成傷害。

3）由于電纜多敷設于地下和管道中，經(jīng)常被水浸泡，為避免水分侵入絕緣形成水樹，影響電纜壽命，電纜設計有防水層。

1.2 導體結構設計

電纜的導體采用絞合緊壓圓形銅導體結構，導體用銅線符合GB/T 3953-2009規(guī)定，導體的結構和直流電阻符合GB/T 3956-2008的規(guī)定。

導體的絞合緊壓在設有除塵裝置框絞機上進行，生產(chǎn)時能有效清除導體表面的銅灰及銅屑。為確保導體圓整、表面光滑，可采用納米金剛石復合涂層拉模。為提高導體的緊壓系數(shù)，緊壓工序采用分層拉模緊壓，減少了導體的絞合效應和導體損耗，在機械性能上使導體彎曲性能更加優(yōu)良。

1.3 電纜絕緣的確定

GB/T 12706.3-2008中35kV電纜的額定電壓U0有21kV和26kV兩種。其中，21kV的電纜適用于A類和B類，即單相接地故障在任何情況下于1min內(nèi)迅速排除的系統(tǒng)（A類）和僅包括單相接地故障短時運行的系統(tǒng)，一般接地故障持續(xù)時間在1min～2h之間，個別情況在2～8h之間（B類）；26kV的電纜則適用于C類。

因此，絕緣采用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）材料，U0為26kV，絕緣標稱厚度為10.5mm。能夠避免因城市軌道交通供電系統(tǒng)接地故障不能立即自動解除，造成電纜絕緣承受過高的電場，縮短電纜的使用壽命。

電纜的絕緣材料和半導電屏蔽材料選用進口材料。雖然國產(chǎn)材料在價格和供貨及時性方面有一定優(yōu)勢，但產(chǎn)品技術指標和質(zhì)量的穩(wěn)定性與國外進口材料還是有一定差距，很多電纜料企業(yè)缺乏技術和檢測手段。尤其是國產(chǎn)材料均為普通材料，進口材料則為超光滑材料。衡量材料光滑性的一個重要指標就是粒結，粒結是指很小的凸起，其高度至少要比其周圍的粗糙程度高一個數(shù)量級，并且粒結應該是單獨出現(xiàn)的，而且其數(shù)量也是有限的，粒結的出現(xiàn)會導致局部電場強度過高，影響電纜的使用壽命。超光滑料與普通料的粒結個數(shù)的比較見表1。

表1 超光滑料與普通料的粒結個數(shù)

1.4 電纜的金屬屏蔽設計

GB/T 12706.3-2008規(guī)定電纜的金屬屏蔽層可以采用銅帶屏蔽和銅絲屏蔽結構，但考慮城市軌道交通中電纜在不同故障下的短路容量，招標需求要求金屬屏蔽層截面不小于16mm2。因此，金屬屏蔽層采用銅絲屏蔽結構，由疏繞的軟銅線組成，在表面反向間隙繞包一層軟銅帶扎緊，疏繞銅絲的平均間隙不大于4mm。屏蔽銅絲的直徑為0.8mm。其他常用的銅絲屏蔽截面還有 25mm2、35mm2、50mm2等，不同截面的允許短路電流如圖2所示。

圖2 銅絲屏蔽截面的短路電流

但疏繞的銅絲很容易在生產(chǎn)和使用中勒進絕緣屏蔽層，影響絕緣線芯外觀，造成電纜局部放電量增大甚至超標，嚴重時會使電纜擊穿。為了避免銅絲疏繞對絕緣線芯的損傷，設計時可以采用兩種方法：一是在絕緣線芯外繞包1～2層厚度約為0.2mm的半導電尼龍帶，二是在三層共擠工序增加絕緣屏蔽層厚度，將厚度由通常的 0.6mm 增加到 1.0～1.2mm。

銅絲疏繞屏蔽截面S的計算公式為

式中，n為疏繞銅絲的根數(shù)；d為疏繞銅絲單絲直徑，單位為mm。

該公式不計疏繞銅帶的截面和疏繞銅絲的絞入率。

1.5 電纜防水層設計

在南方雨水較多或地下水豐富的地區(qū)，敷設在地下的電纜容易被水浸泡，外界的水分會逐漸滲透到電纜內(nèi)部，在絕緣層滋生水樹，水樹會在電場的作用下，隨著時間而不斷生長，最終導致絕緣的擊穿，從而過早結束電纜的使用壽命。因此，城市軌道交通用電纜需要有徑向防水結構。

電纜防水層的設計采用鋁-塑綜合結構，即在金屬屏蔽層上縱包一層厚度0.25～0.3mm的鋁塑復合帶并擠包低煙無鹵阻燃聚烯烴護套。采用這種結構比單一聚乙烯護套防水層的水密性高出了很多，當擠包聚烯烴護套時，由于聚烯烴融體高溫和壓力的作用，鋁塑復合帶表面的薄膜與聚烯烴護套的內(nèi)表面得以很好地粘結；同時鋁塑復合帶縱包之間的搭蓋也獲得良好的粘結。從而完全堵塞了水分（氣）滲入電纜的途徑，達到良好的阻水效果。在生產(chǎn)時需要專門的縱包設備，要求鋁塑復合帶縱包緊密圓整、無“荷葉邊”，鋁塑復合帶的搭接處粘結完整密實，搭接處的重疊不小于6mm為宜。

擠包的低煙無鹵阻燃聚烯烴護套不僅起到防水的作用，還作為高阻燃層提高電纜的阻燃性能。

1.6 電纜金屬鎧裝層設計

城市軌道交通用電纜需要有金屬鎧裝層來抵抗一定外力對電纜的傷害和防止老鼠、白蟻對電纜的破壞，同時，金屬鎧裝層也能提高電纜的阻燃性能。

單芯電纜的金屬鎧裝層必須使用非磁性材料，以避免磁感應產(chǎn)生的渦流造成電纜嚴重發(fā)熱。常用的非磁性金屬帶材料有非磁性不銹鋼帶和軟銅帶。由于銅帶比不銹鋼帶軟，用銅帶鎧裝的電纜的彎曲性能較好，施工中也便于敷設，一般比較常用。

電纜設計軟銅帶的厚度為0.12mm，采用單層重疊繞包方式，重疊率不小于20%。

1.7 電纜隔火層設計

為提高阻燃性能，隔火層結構由常用的擠包高阻燃隔氧層材料，改為重疊繞包一層厚度為0.4mm的陶瓷化硅橡膠帶，這種材料在 350～3000℃火焰或無焰條件下可以被燒成陶瓷狀鎧裝，結殼性能好，具有良好的防火耐火性能和優(yōu)異的阻燃性能。

與擠包隔氧層材料相比，繞包陶瓷化硅橡膠帶還能顯著減小電纜成品外徑，減輕電纜重量，增加電纜的彎曲性能。

1.8 電纜外護層設計

電纜的外護層采用黑色的低煙無鹵阻燃聚烯烴材料擠包，在配方中加入了對人體和環(huán)境無毒無害的防白蟻化學添加劑。黑色的外護層還可滿足電纜對防紫外線的要求，延長電纜露天敷設時護套的使用壽命。

電纜的外徑大于老鼠的張口直徑時，電纜不會被咬傷，反之，則電纜很容易被咬傷?，F(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)電纜直徑在40mm以上時，電纜沒有被咬傷痕跡。35kV城市軌道交通用電力電纜的外徑均大于40mm，一般不易受老鼠啃咬。因此，外護層材料中無需特意添加驅(qū)鼠劑。

2 結論

35kV城市軌道交通用電力電纜的主要性能指標見表2，具有無鹵、低煙、阻燃A類、防水、防鼠、防白蟻的性能，完全能夠滿足城市軌道交通使用的要求。

表2 電纜的主要性能指標

[1] 田勝利.地鐵用 35kV交流電力電纜結構與參數(shù)選擇分析[J].電氣化鐵道,2004(4)：38-46.

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