一种适用于严寒地区电气化铁路双护套电力电缆技术

一、设计背景

中国铁路哈尔滨局集团有限公司位于全国路网的东北端，管辖地理坐标北纬 43° 56’至北纬 52° 59’。全年管内最高气温 41.6℃，极端最低气温 -52.3℃，年均气温 -3 ～ 3℃，最大温差达 80℃，极端气候对电力电缆的性能提出极高要求。并且，高铁电力电缆沿铁路两侧预制电缆沟敷设，受牵引供电杂散电流影响，如电缆外护套低温脆化形成多点接地后，杂散电流会优先通过电阻更小的钢铠回流，发热累计最终将导致电缆起火燃烧，哈局已发生过若干起此类事故。

为了高寒地区电力电缆选型、敷设及检测监测技术应用研究，针对高寒地区低温和高温差对电缆运行的影响，通过研究试用双护套电缆、杂散电流干扰研究等，提高电缆防低温水平，降低故障率，哈局结合现场实际情况，做出专门设计，即额外使用聚乙烯或聚氯乙烯，与既有交联聚乙烯外护套形成双层护套体系，取代原有钢铠，以适应东北高寒地区电力电缆的特殊需要。

二、设计原则

电缆的设计必须保证在正常状态和故障情况下的安全可靠性，因此，在设计双护套电力电缆时，不是简单地将钢铠替换，而是要充分考虑现场实际运行环境和故障诱因，选择合适的材料和工艺，保证电缆的安全使用。

2.2 经济性原则

在保证电缆安全性的前提下，要尽量节约成本，选择合适的材料和规格，以便于大规模应用，避免浪费

2.3 可操作性

在满足使用的前提下，简化生产作业流程，减轻生产压力，便于大规模量产。

选用环保材料，符合环保要求，其原材料、生产过程中的副产品以及现场敷设、安装、制作电缆头等过程中应不会释放出有毒有害物质，以防对人员和环境造成影响。

三、结构设计

3.1 金属护层替

金属护层，用来保护电缆主绝缘，防止机械损坏和外界干扰的金属层，一般采用铝包钢或者铅包钢工艺，以钢带或者钢丝构成单独一层。

这个就是常说的铠装，也是本次设计要重点改良的层级。

从其发挥的作用，来探讨其替代品应具有的使用特性。

第一，是保护主绝缘，防止机械损伤的作用。主要体现在两方面，一是保证电力电缆在生产、运输、敷设、安装过程中，承受自身重力、弯曲扭力，以及在爬架穿行时额外的拉力要求，二是在有外力破坏的情况下，能够抵御一定程度的损伤从而保证主绝缘的相对安全。

第二，是抗干扰能力。前述，由于高铁电力电缆的特殊运行环境，其一端接地一端经护层保护器接地的安装方式，决定了其在绝缘层破损、铠装多点接地情况下一定会有回流产生，为了杜绝此问题，应采用绝缘材料来替代铠装层，绝缘材料不具备抗干扰能力，通过加厚金属屏蔽来实现。

3.2 基材选择

从成熟的电缆工艺上看，橡胶、聚乙烯及聚氯乙烯是常用材料。

从性能上看，橡胶材质较软，不适用做防护层。聚氯乙烯耐温性能好，能在 -40℃至 80℃范围内应用，呈现较好刚性、透明、质轻的特点，且具有良好的阻燃性，但缺点是燃烧时会分解产生有毒的可燃气体。聚乙烯有较低的摩擦系数和耐化学性，柔软性好、半透明、比重较大，缺点是耐温性差，最高只能耐受 60℃。考虑到现在电力电缆其绝缘层多采用交联聚乙烯材质，如果护层仍使用聚乙烯材质，对于整体机械强度不利，会放大单方面缺点，故宜选取聚氯乙烯作为护层主体材料，利用其与聚乙烯性质的互补性来提升整体的机械强度。

3.3.骨架材料选择

考虑到单纯聚乙烯或聚氯乙烯护层均无法达到铠装的机械强度，肯定要在其中混入骨架材料来极大增强机械强度。常用的骨架材料有玻璃纤维、芳纶纤维或尼龙纤维为代表的聚酰胺纤维、碳纤维和新兴的超高分子量聚乙烯纤维等。考虑到玻璃纤维强度一般，并且其生产、运输、现场安装过程中，破碎的玻璃纤维对人员的肺部有极其严重的危害，碳纤维体现在其强度上，其抗拉性能并不出众，故排除。

聚酰胺纤维是日常使用较多的材料，具有无毒、质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性，因此广泛应用于代替铜等金属在机械、化工、仪表、汽车等工业中制造轴承、齿轮、泵叶及其他零件。其强度超高、韧性超好，耐磨性高于其他所有纤维，比棉花耐磨性高10 倍，比羊毛高20 倍；当拉伸至3-6% 时，弹性回复率可达 100% ；能经受上万次折挠而不断裂；其强度比棉花高1-2 倍、比羊毛高4-5倍，是粘胶纤维的3 倍。比如现在吊装重型设备时，尼龙绳比钢丝绳要轻便、耐磨、抗拉伸。其中的尼龙6 材料具有较高的强度、耐磨性，不错的润滑性、延展性，并具有一定的绝缘性。

超高分子量聚乙烯纤维，简称 UHMWPE 纤维，也被称为高性能聚乙烯纤维。这种纤维通过将分子量在 100 万以上的聚乙烯进行纺丝和高倍牵伸制成，其强度通常高于20 厘牛/ 分特，模量高于 800cN/dtex，强度是钢铁的15 倍，具有超高强度、超高模量、低密度、耐磨损、耐低温、耐紫外线、抗屏蔽、柔韧性好、冲击能量吸收高及耐强酸、强碱、化学腐蚀等众多优异性能。很少受大型机械威胁

考虑到高铁电力电缆主要敷设在预制电缆沟内，直埋段也有水泥电缆槽防护，且大部分在铁路保护区内，很少受大型机械威胁，故对于机械强度的要求可以适当放宽，考虑到新兴材料的成本一般都不低，还是选择成熟可靠的尼龙6 作为骨架材料。

3.4 空间结构

考虑到以上材料的特性，设计出一种掺杂骨架的空间结构，用来满足原铠装层的机械强度要求。

其中尼龙6 纤维抗拉伸能力好，考虑到电力电缆受力多为径向力，如果采用直通方式的话易导致纤维间空隙成为突破点，故在进行生产时尼龙6 纤维应以交联织网形式嵌入聚氯乙烯基材中，等聚氯乙烯基材冷却后保持尼龙6 骨架材料的空间结构，使其具备相当的径向强度。

以上结构，需要新的聚氯乙烯护层整体厚度达到 4mm、尼龙 6 骨架材料占比 38% 以上时，其机械性能能达到钢丝护层的水平，并略强于钢带护层，特别是抗弯曲性和抗穿刺性要强于钢带护层。同时，聚氯乙烯护层与表面交联聚乙烯绝缘层应分层，因其低温性能有一定的差异，如果黏结在一起将会导致应力集中而断裂。

3.5 抗干扰性补强

由于新的聚氯乙烯护层是绝缘材料，不具备抗干扰能力，故应在原有基础上加强屏蔽层厚度，其具体数值应重新核算。

图3 新设计的双护套电力电缆其绝缘层和护层类似图中低压电缆的模式

四、应用场景

新型双护套电力电缆将应用于哈尔滨 - 铁力 - 伊春客运专线中，作为传统电力电缆的替代品，参与验证性应用，适用于不受外力干扰的区间正线、护网内或保护区范围内使用。

五、技术标准

1. 使用环境

1.1 运行条件

系统标称电压 U0/U 0.6/1kV

系统频率 50Hz

1.2 运行要求

电缆导体额定运行温度 90℃

短路时电缆导体最高温度 250℃

最大短路时间 5s

电缆额定最大弯曲半径（非铠装） 15 倍电缆外径

1.3 运行环境条件

运行环境 户外

空气最高温度 +40℃

空气最低温度 -60℃

最高日平均温度 +30℃

最高年平均温度 +20℃

最低年平均温度 -30℃

相对湿度 +20℃时＜ 95%

海拔高度 50-200m（松嫩平原），400-700m（小兴安岭地区）

抗震能力 0.3g（地面水平速度），0.15g（地面垂直加速度）

土壤最高温度 +15℃

土壤最低温度 -20℃

土壤热阻系数 1.2℃ m/W

区间正线、站场 电缆敷设在预制电缆沟内，沟道雨季可能会有积水，最大积水面不超过电缆最高点受干、变电所引入引出线、低压负荷 电缆直埋，穿管或敷设电缆槽，最大埋深 2000mm，最小埋深800mm。敷设电缆时，电缆允许敷设最低温度，在敷设前24h 内平均温度以及敷设现场的温度不低于0℃。敷设电缆使用人工牵引。

2、具体要求

2.1 该部分电缆使用范围为新建哈尔滨 - 铁力 - 伊春铁路项目中贯通电力电缆。2.2 电力电缆不使用钢带铠装或钢丝铠装，而是采用额外的一层聚乙烯或聚氯乙烯护套层代替，以规避因牵引供电杂散电流经金属铠装形成涡流导致电缆发热烧毁的风险，其替代铠装层的护套应具备与之相当的机械性能，并对电缆其余部分做出相应改变。

2.3 厂家需提供工业产品生产许可证、国家强制性产品认证（CCC）认

2.4 电缆性能应负荷 GB/T3956、GB12706、GB/T12666 相关标准规定。

2.5 各厂家所选用的原材料必须时国家认可的合格、优质原材料，通才必须是由国家规定的正规渠道采购的优质电解铜，铜材纯度达到99.9% 或以上；其他绝缘材料、护套材料、填充物等必须使用国家认可的优质产品。2.6 成品电缆标志：成品电缆护套上应有制造厂名称、产品型号及额定电压的连续标志，绞合的主干电缆护套上应有相序标志，单芯电缆其外护套应以标准线序色卡进行区分，标识字迹清晰，容易辨认，耐擦，不溶于有机溶剂。2.7 包装：电缆应妥善包装在负荷 JB/T8137-1999 规定要求的电缆盘上交货，所有电缆末端应可靠封、密封，ing 用适当的方法牢固地固定在电缆盘上，总量不超过80kg 的短电缆允许成圈包装。

2.8 包装标签：应包括制造厂名及商标、盘号、电缆型号、规格、长度、毛重、厂名、正确旋转方向、标准编号、制造日期和买方名称等。2.9 运输及储存：运输中严谨从高处扔下装有电缆的电缆盘，严禁机械损伤电缆。吊装时严谨几盘同时吊装，运输时电缆盘必须放稳，用适当方法固定，防止互相碰撞或翻到，应保存在通风且无有害气体侵蚀的场所。2.10 样品：各厂家应提前提供不少于 100m 样品进行电力电缆及其附件低温运行仿真试验，相关样品应能满足仿真基地试验段露天 6月至12 月极端温差条件带电运行的条件，并出具相关测试报告。

参考文献：

[1]《塑料邵氏硬度试验方法》GB/T2411

[2]《电缆绝缘和护套材料通用试验方法》GB/T2951

[3]《电力电缆电气性能试验方法》GB/T3048

[4]《电缆的导体》GB/T3956

[5]《额定电压 1kV（Um=1.2kV）到 35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘电力电缆及附件》GB/T12706

[6]《电力工程电缆设计规范》GB50217

[7]《电缆的耐火特性》IEC60331

[8]《电线电缆燃烧试验方法》IEC60332-3A

[9]《小样材料燃烧产物毒性指数的测定》NES713

本研究得到[ 中国国家铁集团有限公司] 资助的[ 严寒地区高铁电力电缆运营维护关键技术研究]（项目编号：N2021G038）的支持

作者简介：王涛（1988.03），男，汉，黑龙江大庆人，本科，工程师，主要研究方向：铁路牵引供电、铁路电力技术援救与运维管理。韩文博（1988.03），男，汉，黑龙江哈尔滨人，本科，工程师，主要研究方向：铁路牵引供电、铁路电力技术研究与运维管理。赵广宇（1989.05），男，汉，黑龙江绥化人，本科，工程师，主要研究方向：铁路牵引供电、铁路电力技术研究与运维管理。谭盛龙（1987.02），男，汉，吉林省集安人，本科，助理工程师，主要研究方向：铁路牵引供电、铁路牵引供电与新能源的融合技术。