高速公路用远程供电电源电缆的技术总结

高速公路用远程供电电源电缆的技术总结

王康康

远东电缆有限公司 江苏宜兴214257

1、前言

 目前我国高速公路通车总里程达到3万公里，位列世界第二。交通部规划到2020年，中国高速公路将达到7万公里。研发额定电压1.2/2 kV挤包绝缘高速公路用远程供电电源电缆，是基于高速公路项目智能监控电力远距离传输要求。基于高速公路的智能监控设备的远程供电需求，本公司配合项目研发额定电压1.2/2 kV挤包绝缘高速公路用远程供电电源电缆。

2、试制技术方案

高速公路远程供电电缆主要给高速全线监控、收费、以及运管监控装置供电，由于高速沿线距离长，考虑到压降需要将电压升高供电，针对该项目特点供电电压等级为1.2/2kV，目前该类型的电缆市场上还没有，需要重新研发。

3、产品主要性能指标、特点和水平

为了实现远距离电力传输需求，将输入电压升高，以确保电力通过长距离传输压降损耗后，还能获得可用的输出（负载端）电压。将电源端输入电压提升到1.2/2kV。为了配套电压升高工程项目的要求，电缆的额定电压设计为1.2/2kV，具体指标如下：

1）电缆额定电压U0/U：1.2/2kV；

2）电缆（2*10规格）运行压降小于3.83V/ (A*km)；

3）电缆结构成本经济；

4）电缆采用2芯平行结构，降低压降的同时，降低成本；

5）电缆不采用铜带总屏，降低制造成本；

6）电缆试验电压：5kV/5min；

7）耐压试验：4.8kV；

8）冲击电压试验：40kV。

4、解决方法及结论

基于电力长距离传输压降特点，并结合工程项目的需求，将电源端输入电压升高到1.2/2kV，   由于电压等级的提高，需要设计相对应的绝缘厚度和绝缘结构。电缆的电压降主要跟电缆导体电阻和传输电流有关。传输电流主要取决于负载功率，功率一定电缆的传输电流就确定，所以能更改的主要是电缆的电阻，以满足工程电压的需求。

4.1 导体结构设计

根据电缆的工程应用要求，电缆是沿着高速公路敷设，工程对电缆的弯曲性能要求不高，考虑到电缆导体电阻的要求，按照GB/T 3956-2008选择第2种导体结构。

4.2 绝缘结构设计

电缆设计输出电压为1.2/2kV，电压等级按照GB/T12706.1标准中无相对应的绝缘厚度，需要设计电缆的绝缘结构和绝缘厚度

电缆的绝缘结构，根据GB/T12706.1标准要求，电压在1.8/3 kV及以下的电缆产品采用单层绝缘结构。本电缆设计额定电压为1.2/2 kV，低于1.8/3 kV，所以电缆的绝缘结构采用单层绝缘结构。

电缆的绝缘厚度，GB/T 12706.1标准未规定1.2/2 kV的绝缘厚度。需对绝缘厚度进行工艺验证。根据《电力电缆设计原理》书中介绍的方法对1.2/2 kV绝缘厚度设计，从绝缘电气性能—绝缘最大电场强度等于其击穿场强的原理进行计算，计算公式如式1：

--------------------------------------（1）

式中 ：

       E—绝缘材料平均击穿场强，XLPE 绝缘场强10~30kV/mm，考虑到本电缆采用的是一般低压温水交联聚乙烯材料，绝缘平均击穿场强取保守一点的数据，采用10kV/mm进行计算；

       m—相应于工频和脉冲电压下的安全裕度，一般取1.5~2.5，这里设计计算取相对保守的数据，采用2.2；

       U—最高试验电压，根据本电缆的设计额定电压1.2/2 kV，试验电压5kV，绝缘厚度的计算采用5kV进行设计计算；

       rc—电缆的导体的假设外径的半径，mm

       R—电缆的绝缘半径，mm

由公式（1）可推导出电缆绝缘厚度的计算值：

                      -----------------------（2）

通过公式计算，1.2/2kV的绝缘厚度计算值如表1。

表1  1.2/2kV的绝缘厚度计算值

综合考虑到电缆绝缘厚度的最小值控制；电缆随着电缆规格增大，电缆安装敷设受力增加，对电缆绝缘的机械受力要求的增加等多方面因素，将绝缘厚度根据上述计算值作相应的调整，调整后绝缘标称厚度如表2。

表2  1.2/2kV的绝缘标称厚度

4.3成缆结构设计

本电缆为远程供电电源电缆，电压降是电缆的一个重要考虑因素，在电缆输入电压一定的情况下，电缆线路电压降是确保输出电压的重要因素。根据三相交流电力传输电压降计算公式式（3）可以看出，电缆的电压降除了跟电缆的传输电流以外，电缆的整体电阻是重要因素。电缆的电阻根据式（4）可看出与电缆导体的长度、截面有关。本次设计研发的一个创新，主要是针对电缆电力传输特点，结合特殊成缆工艺，采用2芯平行成缆结构，最大程度的降低了电缆的导体电阻， 即降低电缆的电力传输压降系数。

根据电缆的工程应用要求，电缆为2相交流电力传输，所以电缆绝缘线芯为2芯结构。根据以往电缆成缆结构技术，电缆为多芯绞合结构，即在相同电缆长度的前提下，2芯绞合结构的导体长度要比2芯平行排列结构的长度大，所以2芯绞合结构的导体电阻要比2芯平行排列结构的电阻大（如图3），也就压降系数大，如公式3、4。

------------------------------（3）

---------------------------------------------（4）

图3电缆绝缘线芯绞合长度增加示意图

4.4 电缆的统包金属层结构设计

根据GB/T 12706.1标准要求，电压等级达到1.8/3kV的电缆应具有统包金属层。本电缆根据工程敷设安装需求，电缆具有钢带铠装的要求，结合本电缆1.2/2kV电压等级的特点，同时考虑电缆的结构成本，电缆采用金属铠装层作为统包金属层的设计要求。

4.5 电缆的金属铠装层

根据工程应用电缆敷设要求，电缆需要有铠装结构。本设计研发的缆芯结构为2芯平行结构形成“8”字扁形。目前使用的平钢带铠装，一般为圆形电缆外的铠装。而针对于扁电缆的铠装技术很少，公开的技术有CN200920087377.X一种防腐耐高温钢丝铠装抗拉撕扁电缆。该电缆铠装结构为钢丝编织铠装，主要为抗拉而设计的铠装结构，与本电缆主要为抗压而设计的铠装结构不符。另外一个扁电缆的带形铠装技术CN201210511899.4一种联锁铠装铝合金扁电缆的制造方法。所述压制联锁铠装层步骤是指在内衬层表面采用厚度为0.5mm~0.6mm的铝合金带，按照6mm~24mm的节距压制成2mm~4mm的弓形高度的“Z”型连锁铠装形式。该带形铠装结构的主要问题是工艺装备要求高，生产速度慢，在铠装之前先将带材压制成指定尺寸、形状的带材，然后按照一个很小的节距铠装在电缆内垫层外，一般速度不超过2m/mim。而且带材是压制成2mm~4mm的弓形高度，也就是说电缆的外径得增加4mm~8mm，外径的增加会影响电缆的弯曲特性和散热性能。本研发所说2芯平行结构形成“8”字扁形电缆铠装结构，其形式还是平钢带铠装，主要创新点在于平钢带铠装在扁电缆内垫层外面，铠装后电缆形状仍为“8”字扁形电缆铠装而不是圆形结构。外护套采用挤管式挤出，通过控制拉伸比来控制电缆整体形状仍为“8”字结构，这样的结构除了带来更低的电力传输压降、更优异的电缆弯曲性能外，在电缆成本控制上也十分重要，可节省成本5%左右辅材。

图4电缆结构示意图

电缆结构说明：扁形缆芯1、绝缘线芯11、导体11-1

绝缘11-2、铠装包带垫层2、铠装层3、护套4。

4.6 电缆的外护套层

根据工程应用要求，敷设是牵引敷设。需要具有良好的低摩擦力和优异的抗拖拉的机械能力，这就要求电缆的护套磨擦力小，机械强度高。基于这个工程应用功能设计要求，电缆护套采用聚乙烯护套，同时还具有良好的防水特性。

5、存在的技术问题及解决方案

5.1试制额定电压1.2/2 kV挤包绝缘高速公路用远程供电电源电缆（RPSC-YJYB23-1.2/2 kV）主要有两个技术关键：

   1） 采用合理的结构设计

2） 采用合理的加工工艺。

5.2试制额定电压1.2/2 kV挤包绝缘高速公路用远程供电电源电缆（RPSC-YJYB23-1.2/2 kV）采取的措施：

1） 根据电缆工程应用要求设计合理的额定电压，并设计相应的绝缘厚度；

2） 根据远程供电压降的考核需求，设计2芯平行电缆结构；

3） 针对电缆功能结构设计要求，配套相应工艺装备及工装模具。

5.3试制额定电压1.2/2 kV挤包绝缘高速公路用远程供电电源电缆（RPSC-YJYB23-1.2/2 kV）取得的效果：

    通过额定电压1.2/2 kV挤包绝缘高速公路用远程供电电源电缆结构设计、工艺试制的RPSC-YJYB23-1.2/2 kV 2*10电缆样品，经国家电线电缆检验监督中心专业测试，各项性能符合企业标准的要求。

6 、结论和今后的打算

额定电压1.2/2 kV挤包绝缘高速公路用远程供电电源电缆（RPSC-YJYB23-1.2/2 kV）经国家电线电缆质量监督检测中心检测，机械物理、电气等各项性能均符合Q/320282DCE032-2016标准规定，且生产工艺成熟，具备了批量生产能力。