目前國內(nèi)已有多條生產(chǎn)線能生產(chǎn)110KV及以上的超高壓交聯(lián)電纜，各廠的金屬套結(jié)構(gòu)不全類同。不同金屬套各有其特征，用戶首先必須對(duì)金屬套的性能要有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)和了解，按各自的條件進(jìn)行選擇。仁者見仁、智者見智，本文對(duì)各種類型金屬套的性能和特征作個(gè)闡述。此文僅起一個(gè)拋磚引玉的作用，希各供電系統(tǒng)能介紹使用不同金屬套電纜的經(jīng)驗(yàn)，使制造部門了解用戶觀點(diǎn)與需求。
1.金屬套的種類
金屬套有二大功能：(1)隔水作用：防止XLPE絕緣接觸到水分產(chǎn)生水樹技，金屬套是電纜的徑向防水層；(2)能承受零序短路電流熱穩(wěn)定性好。按生產(chǎn)工藝可分為三大類：擠包無縫金屬套、縱向焊縫金屬套和綜合護(hù)套等。采用的材料又有鉛、鋁、銅和不銹鋼等。金屬套的品種、制造、結(jié)構(gòu)和特征如下：
金屬套品種 制造和結(jié)構(gòu) 特征
無縫鉛套 由連續(xù)壓鉛機(jī)擠包無縫連續(xù)鉛套 鉛的化學(xué)性能穩(wěn)定，耐腐蝕。
無縫波紋鉛套 由連續(xù)或非連續(xù)壓鋁機(jī)擠包鋁套及軋波紋 電纜重量輕，鋁的化學(xué)性能較活潑，外護(hù)套損壞后鋁套易穿孔，外徑較大。
焊縫波紋鋁套 鋁板卷包用焊機(jī)焊接后再軋 同上，但有縱向焊縫。
焊縫波紋銅套 銅板卷包用焊機(jī)焊接后再軋紋 有縱向焊縫，外徑較大。
焊縫波紋不銹鋼 不銹鋼板卷包用焊機(jī)焊接后再軋紋 有縱向焊縫，熱穩(wěn)定容量比波縱銅套低，外徑較大。
綜合護(hù)套 鋁箔PE復(fù)合膜縱向搭蓋卷包熱風(fēng)焊接 電纜重量輕，鋁箔作防水層，用銅絲屏蔽滿足熱穩(wěn)定。
以上6種金屬套都有良好的徑向防水層，但內(nèi)在質(zhì)量、應(yīng)用特性和制造成本各不相同。目前國內(nèi)除波紋銅套和不銹鋼套外都有生產(chǎn)，對(duì)國內(nèi)生產(chǎn)的4類品種性能闡述如下。
2.鋁套
目前國內(nèi)能制造鉛套交聯(lián)電纜的大廠都有以連續(xù)壓鉛機(jī)生產(chǎn)鉛套的能力。鉛套交聯(lián)電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，縱向防水性能好，鉛的化學(xué)穩(wěn)定性耐腐性好，缺點(diǎn)是重量重。
鉛合金的熔化溫度約300℃，壓鉛機(jī)的模座擠出溫度260℃。在螺桿連續(xù)壓鉛機(jī)上制造的鉛套是一個(gè)無夾灰、無縫、內(nèi)壁光滑的連續(xù)鉛管。鉛的蠕變性能好，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)無須在鉛套與線芯之間留有間隙，交聯(lián)絕緣膨脹時(shí)能撐大鉛套而絕緣表面仍然平整光滑。由于交聯(lián)絕緣的膨脹系數(shù)比金屬大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此各類波紋金屬套內(nèi)必須留有足夠的膨脹間隙。如無間隙或間隙不夠大，在絕緣膨脹后會(huì)在絕緣表面留下波紋的凹痕，這會(huì)影響電纜的電氣性能。在型式試驗(yàn)中經(jīng)過20個(gè)熱循環(huán)后，如電纜芯表面呈波紋狀，電纜的沖擊裕度不高。由于鉛套內(nèi)壁無需設(shè)計(jì)間隙，結(jié)構(gòu)較緊密。因此鉛套交聯(lián)電線的縱向防水性能比任何一種波紋金屬套電纜都好。
鉛的電阻系數(shù)是鋁的7.8倍，鉛套要滿足技術(shù)條件中的短路熱穩(wěn)定要求，鉛套的截面必須比鋁套的大得多。各供電系統(tǒng)采用短路熱穩(wěn)定指標(biāo)都比實(shí)際大了很多，主要是零序短路持續(xù)的時(shí)間太長，而實(shí)際上僅幾個(gè)周波。這指標(biāo)是系統(tǒng)定的，對(duì)電纜技術(shù)人員來說無權(quán)變更。上海在220KV工程中要求50KA 2秒，采用鉛套電纜時(shí)要在鉛套下加銅絲屏蔽，選用波紋鋁套要加厚。在85年的引進(jìn)中，曾有一工程將國外加厚的波紋鋁套充油電纜與國產(chǎn)鉛套充油電纜(沒有銅絲屏蔽)對(duì)接，國外制造廠說：“如果發(fā)生短路時(shí)鉛套電纜的鉛套會(huì)熔化了”，實(shí)際上自七十年代以來的國產(chǎn)超高壓鉛套充油電纜和近年采用鉛套交聯(lián)電纜都沒有發(fā)生過鉛套熔化的故障。主要是目前系統(tǒng)的短路容量沒有這么大，短路持續(xù)時(shí)間不可能達(dá)到2秒。現(xiàn)各大供電系統(tǒng)都己編制了“電網(wǎng)若干技術(shù)原則的規(guī)定”，其中對(duì)110KV以上電力電纜的金屬套或金屬屏蔽層要求能承受單相短路電流的持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于0.2秒(以上海電網(wǎng)為例)。如執(zhí)行這項(xiàng)技術(shù)條件將使超高電纜的金屬套結(jié)構(gòu)趨向合理，有利于降低電纜的造價(jià)。
選擇用螺桿式連續(xù)壓鉛機(jī)生產(chǎn)的鉛套，不存在因鉛套夾灰形成鉛套上有砂眼問題。螺桿式壓鉛機(jī)從熔鉛爐底部取鉛擠包，鉛的氧化物和各種雜質(zhì)比重較鉛小得多，都會(huì)浮在熔融鉛液表面不可能擠包在電纜上。即使用水壓機(jī)式非連續(xù)壓鉛機(jī)也能生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)良的鉛套，關(guān)鍵是生產(chǎn)工藝。上海電力系統(tǒng)中有數(shù)百公里單芯鉛套充油電纜，其中大部份是在上海生產(chǎn)，用水壓機(jī)式非連續(xù)壓鉛機(jī)生產(chǎn)的鉛套占很大比例，這些電纜在20多年
運(yùn)行中沒有發(fā)生過鉛套漏油的故障。產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵在于工藝管理和工廠裝備。鉛套的徑向阻水功能與鋁套相比不僅毫不遜色，且能勝于鋁套。
同規(guī)格超高壓鉛套電纜比鋁套電纜重得多，一般說要重60%至90%。當(dāng)前超高壓電纜的敷設(shè)已不再是人背肩扛的施工方式了。敷設(shè)中要嚴(yán)格控制電纜的側(cè)壓力，只有采用卷?xiàng)顧C(jī)加履帶輸送機(jī)方法施工才能掌握敷設(shè)張力和控制好電纜側(cè)壓力。當(dāng)采用敷設(shè)機(jī)械施工時(shí)，鉛套和鋁套的重量之差異已無足輕重。在施工中要因地制宜設(shè)計(jì)一些機(jī)具籍以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，在施工中克服了一些困難，在日后運(yùn)行中能得到安全運(yùn)行回報(bào)。萬一運(yùn)行中外護(hù)套破損后由于鉛套耐腐蝕，金屬套不會(huì)很快穿孔造成進(jìn)水。鉛套交聯(lián)電纜的敷設(shè)時(shí)比鋁套交聯(lián)電纜柔軟，鉛套電纜在接頭作業(yè)中可直接搪鉛比較方便。
鉛的比重為11.34是鋁的4.2倍，鉛套原材料的成本要比鋁套大的多。以110KV 1×630平方毫米電線為例作一對(duì)比：鉛套厚度為4mm，鋁套為2mm；在每米鉛套電纜中，鉛的重量是鋁套電纜中鋁重量的7.5倍。按99年同期的市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算，鉛的原料每噸價(jià)格雖是鋁的34％，而鉛鉗套內(nèi)鉛原料成本價(jià)是鋁的2.5倍。如技術(shù)條件中對(duì)短路持續(xù)時(shí)間提了過長的要求時(shí)，在設(shè)計(jì)鉛套的熱穩(wěn)定中要增加銅絲屏蔽，會(huì)使兩種金屬套的原料成本相差更大。在招標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)中，如生產(chǎn)鉛套交聯(lián)電纜的制造廠以鋁套交聯(lián)電纜相同單價(jià)或略高的價(jià)格參予與鋁套交聯(lián)電纜競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)用戶來說是合算的。
鉛套交聯(lián)電纜是不會(huì)被鋁套交聯(lián)電纜所取代。在陸上電纜中各有特征及利弊，在直埋及排管敷設(shè)中宜優(yōu)先考慮選擇鉛套電纜。海底高壓交聯(lián)電纜必須采用鉛套，海纜錨損等外力破壞機(jī)率非常高，一旦護(hù)層損傷后又難以修理。鋁套海底電纜如受外力破壞后，主絕緣及金屬套尚完好，但鋁護(hù)層在海水中很快會(huì)穿孔，必然會(huì)降低使用壽命。這是海纜不采用鋁套的原因。
3．無縫波紋鋁套
波紋鋁套交聯(lián)電纜最大的優(yōu)點(diǎn)是重量輕和短路熱穩(wěn)定容量大。在短路電流持續(xù)時(shí)間稍長的系統(tǒng)中，一般標(biāo)準(zhǔn)厚度鋁套即能滿足要求，如計(jì)算中熱穩(wěn)定不夠時(shí)可將鋁套少加厚一些就能滿足技術(shù)要求，無需采用增加銅絲屏蔽，比鉛套簡(jiǎn)單。用壓鋁機(jī)擠包的鋁套機(jī)械性能與密封性都很好。
鋁套電纜重量比鉛套輕得多，在敷設(shè)中如何用人力搬、抬、扛、移電纜時(shí)要比鉛套電纜省力，很受敷設(shè)工人歡迎。
波紋鋁套結(jié)構(gòu)開發(fā)于六七十年代，在當(dāng)時(shí)的高壓電纜主要是充油電纜。充油電纜設(shè)計(jì)中采用波紋鋁套后有很多優(yōu)點(diǎn)：省略了鉛套的徑向加強(qiáng)帶；螺旋形波紋構(gòu)成外油道使充油電纜的瞬態(tài)壓降明顯減小，在線路設(shè)計(jì)中能放長供油段的長度，可減少塞止接頭數(shù)量；當(dāng)時(shí)的鋁價(jià)比目前價(jià)格低得多，與鉛銅價(jià)之比也便宜得多。因此在一些國家陸上充油電纜中以波紋鋁套取代了鉛套，在經(jīng)濟(jì)上及技術(shù)上都有很大好處。然而波紋鋁套交聯(lián)電纜的螺旋形波紋使電纜不具有縱向阻水功能，在電線設(shè)計(jì)中如果使其也能縱向阻水而減小了間隙會(huì)降低電氣性能，似乎得不償失。
鋁在元素周期表中的原子序數(shù)是13，而鉛是82，鋁是化學(xué)性能很活潑的金屬。在運(yùn)行中遇到外力破壞損傷了外護(hù)層或外護(hù)層在支架上被棱破了，鋁套很快會(huì)被腐蝕穿孔而造成進(jìn)水。
鋁的熔點(diǎn)658℃，壓鋁機(jī)擠包時(shí)模座溫度約為500℃。相比鉛套的擠包溫度要高了很多，為此鋁套內(nèi)應(yīng)有銅絲編織玻璃絲帶或半導(dǎo)電阻水帶防止絕緣屏蔽被燙傷。壓鋁機(jī)有連續(xù)壓制與非連續(xù)壓制二類。不連續(xù)的在加鋁錠時(shí)要停頓一段時(shí)間，對(duì)交聯(lián)電纜芯不甚有利。新老鋁錠在壓鋁機(jī)內(nèi)雖能結(jié)合成一體，在鋁套表面仍有接縫可見，但對(duì)鋁套抗位強(qiáng)度沒有影響。應(yīng)該說連續(xù)的比不連續(xù)的好。
壓鋁機(jī)系是一精密設(shè)備造價(jià)很高，壓鋁套的生產(chǎn)工序及工藝也較復(fù)雜，壓鋁機(jī)生產(chǎn)鋁套的能耗和工耗較高，金屬套的生產(chǎn)成本也就較高了。
電纜允許承受的側(cè)壓力與絕緣品種有關(guān)，不以金屬套種類而定。國外一些權(quán)威性手冊(cè)上推薦的數(shù)據(jù)如下表所示。波紋鋁管的抗壓強(qiáng)度雖比鉛管高，但電纜在敷設(shè)時(shí)的張力是在導(dǎo)體線芯上，在彎曲處的側(cè)壓力由導(dǎo)體向絕緣、金屬套及護(hù)層傳遞，由轉(zhuǎn)角滑輪承受推力。其中最易受機(jī)械力影響的是絕緣，以絕緣承受力來決定電纜承受的側(cè)壓力是合理的。
電纜種類 允許側(cè)壓力(N/m)
油紙絕緣電纜
擠包絕緣電纜 3000
3000
鋁套電纜在安裝中有喜有憂。重量輕是敷設(shè)工人最受歡迎之點(diǎn)，但其柔軟性不如鉛套。自電纜盤上放下的鋁套高壓交聯(lián)電纜外端必須用校直機(jī)整直了才能牽引。在敷設(shè)過程中為控制電線的側(cè)壓力及牽引力，現(xiàn)都用卷揚(yáng)機(jī)加屜帶輸送機(jī)方法施工，因此端部的牽引力不大，在電纜經(jīng)過彎曲處后鋁套電纜不易自行變直，在轉(zhuǎn)彎處不如鉛套電纜順暢。在安裝各類附件中，鋁套上不能直接搪鉛，先要在鋁的表面鍍鋅錫合金及搪底鉛后才能搪鉛。搪底鉛操作對(duì)人員的工藝水平要求較高，少有瑕疵會(huì)造成電纜進(jìn)水。在大型工程中要鋸線封端和安裝牽引端的工作量不少，尤其在排管中敷設(shè)。鋁套電纜不被接頭工人所歡迎。
4．焊縫波紋鋁露
焊縫鋁套由鋁板卷包后用氬弧焊機(jī)焊成形。氬弧焊機(jī)的造價(jià)不能與昂貴的壓鋁機(jī)相比，設(shè)備價(jià)低后還貸成本及折舊費(fèi)等進(jìn)入產(chǎn)品成本也就少了。且焊縫鋁套生產(chǎn)工耗與能耗都比無縫鋁套低。焊縫鋁套生產(chǎn)成本低是它最大的特點(diǎn)。
鋁的熔點(diǎn)658℃，鋁的熔融加工溫度約700一750℃，電弧的溫度就更高了。在焊接過程中，在焊縫二側(cè)的鋁扳受熱后會(huì)引起鋁的金相結(jié)構(gòu)變化，使鋁套的機(jī)械性能在圓周上不均勻。在敷設(shè)牽引中受力后會(huì)產(chǎn)生集中變形。實(shí)際工程中曾發(fā)生過此現(xiàn)象。在某地工程中敷設(shè)雙回110KV XLPE電纜，一回是無縫鋁套，另一回路是焊縫鋁套，使用同樣的施工方式，無縫的圓整良好，有縫的鋁套變了形呈橢圓狀，這反映了二種電纜內(nèi)在質(zhì)量有差異。敷設(shè)中電纜變形與控制側(cè)壓力有關(guān)，敷設(shè)前分段計(jì)算張力及側(cè)壓力并采用適當(dāng)措施，電線是不會(huì)變形的。
支聯(lián)電纜因原料的膨脹系數(shù)相差甚大，使其熱機(jī)械性能變得很復(fù)雜。焊縫處700℃左右高溫，焊縫對(duì)側(cè)的鋁套處于很低的溫度。使交聯(lián)絕緣承受一次不均勻加熱的過程。電纜在運(yùn)行中是由里熱到外，壓鋁套或壓鉛套時(shí)是由外熱到里，全是一個(gè)均勻?qū)ΨQ受熱過程。焊縫鋁套在生產(chǎn)過程中的不均勻受熱過程使電纜內(nèi)的熱機(jī)械性變得更為復(fù)雜。焊縫鋁套只能采用單面平焊，這在焊接工藝中是最單薄的焊接方式，在標(biāo)準(zhǔn)中以軟鋁抗拉強(qiáng)度的90％(54MP2)來考核焊縫強(qiáng)度。
焊縫鋁套設(shè)計(jì)時(shí)常以減少間隙來達(dá)到電纜能縱向阻水的目的，正如前述，這會(huì)降低沖擊裕度，得不償失。做縱向阻水試驗(yàn)時(shí)除了滿足在5分鐘內(nèi)注滿水外，在注水過程中還應(yīng)模擬實(shí)際工況。電纜如安裝在浸滿水的電纜溝或工井內(nèi)發(fā)生擊穿時(shí)，金屬套上會(huì)形成一個(gè)敝開的洞，水立刻向二側(cè)滲透，不會(huì)讓水膨脹帶有一個(gè)初膨脹的過程。此外，間隙過小也會(huì)造成附件安裝時(shí)剝除鋁套的困難，不被接頭工人所歡迎。
焊縫鋁套與無縫鋁套相比除了有鋁套的共性外，尚有其特性。焊縫鋁套是一種有效的徑向防水層，但其內(nèi)在質(zhì)量與無縫鋁套不同且生產(chǎn)的成本不同，在價(jià)格上應(yīng)有差異。一般說二者之間的價(jià)差可達(dá)到二位數(shù)的百分?jǐn)?shù)，具體價(jià)差在引進(jìn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制中能找到合理價(jià)位。
5．波紋的波形
鋁套的波紋形狀與工藝問題在國內(nèi)設(shè)有專題研究過，在新制訂的標(biāo)準(zhǔn)中也沒有規(guī)定，各廠之間的差異不小。這幾年引進(jìn)了不少各國生產(chǎn)的波紋鋁套交聯(lián)電纜。其外觀、波形、波長及波幅等參數(shù)及其與電纜芯外徑之關(guān)系是可供參考及借鑒。對(duì)此作一番調(diào)研后可作為制訂用戶標(biāo)準(zhǔn)或招標(biāo)技術(shù)文件的依據(jù)。此外，允許彎曲半徑及側(cè)壓力也有類似問題。
波形在交聯(lián)電纜中普遍采用螺旋形波紋，其缺點(diǎn)是無阻水性能。圓環(huán)形(又稱竹節(jié)形)波紋對(duì)交聯(lián)電纜而吉比螺旋形更合適些，較易阻止水份縱向滲透。
在鋁套的波紋形狀沒有定型之前，應(yīng)采用檢測(cè)鋁套的縱向抗拉強(qiáng)度來監(jiān)視軋紋的質(zhì)量。
6．綜合護(hù)套
綜合護(hù)套交聯(lián)電纜具有重量輕尺寸小和造價(jià)低的特點(diǎn)，可在零序短路容量不大的系統(tǒng)中使用；在短路容量大的系統(tǒng)內(nèi)需加銅絲屏蔽，在造價(jià)上的優(yōu)勢(shì)少有遜色。國產(chǎn)的綜合護(hù)套110KV交聯(lián)電線最早用于杭州，自92年以來運(yùn)行記錄良好。上海在地鐵一期工程中引進(jìn)德國的這類電纜用于直埋及排管的線路中，德國產(chǎn)品的阻水層采用水膨脹粉，不用阻水帶。
綜合護(hù)套的金屬箔作徑向阻水是有效的阻水層。其抗外力破壞及外護(hù)套穿孔后的耐腐蝕作用是脆弱的。綜合護(hù)套用于外力破壞機(jī)率較小的隧道及排管線路中有其造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)。重量輕對(duì)水電站的高落差工程也有其獨(dú)特之處。
7.結(jié)論
(1)各種金屬套各有其特點(diǎn)，都能用作超高壓交聯(lián)電纜的徑向阻水層，不同的金屬套各有其特點(diǎn)。各有其適用性。在選擇金屬套的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)按各自的使用條件、施工習(xí)慣和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)因地制宜的選用；
(2)在不同的電纜結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝中，—般說無縫金屬套比有縫的好，連續(xù)的比不連續(xù)的好；
(3)電纜的內(nèi)在質(zhì)量不同和生產(chǎn)成本不同，在電纜的價(jià)格上應(yīng)有明顯的差異；
(4)電纜的質(zhì)量由導(dǎo)體、屏蔽、絕緣、金屬套和外護(hù)層等各部件的綜合質(zhì)量而決定，金屬套的質(zhì)量僅是其中一個(gè)部份。
